低煤阶与高煤阶成藏差异性实质及主控因素

高秀明　章招兴

[摘要]通过对比探讨我国低煤阶煤储层特征与高煤阶煤储层的成藏差异性。高、低煤阶煤层气藏的成藏过程具有很大的差异性,低煤阶未熟煤层气藏成藏过程简单,高煤阶煤层气藏成藏过程复杂,低煤阶成熟煤层气藏介于两者之间。

[关键词]低煤阶煤层气成藏

中图分类号:TQ53文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0710082-01

在我国,煤层气勘探开发大多集中在中高煤阶含煤区,低煤阶含煤区的勘探开发研究在我国相对还很薄弱。由于低煤阶煤的物理、化学及孔隙结构与高煤阶有较大的差异,因此对低煤阶储层特征以及富气成藏机制进行研究有

重要的意义。

一、煤层气成因

从煤层气成因来分析,煤层气存在生物成因和热成因两种。原生生物成因气是指煤化作用的早期阶段(成岩作用阶段),有机质在微生物作用下降解形成的煤层气;次生生物成因气是指经历了变质作用的中低煤阶煤(Ro<1.5+%)抬升后在微生物作用下形成的煤层气;原生热成因气是指有机质在变质作用过程中形成的煤层气,如果原生热成因气经过解吸一扩散一运移一再聚集,则为次生热成因煤层气。高煤阶煤层气藏主要为原生与次生热成因煤层气。以沁水盆地南部煤层气藏为代表。沁南地区煤层主要为高煤阶无烟煤,Ro=2.2-4.0%之间,煤层气主要为热成因。煤层气甲烷δ13C总体偏小,在-26.6‰-36.7之间,且随着埋深的增加而变大。这是由于煤层气的解吸一扩散一运移引起同位素的分馏导致。这种次生热成因的煤层气在国内外非常常见。滞流区受解吸一扩散一运移分馏作用的影响小,基本保持了原始状态。可见沁南煤层气藏煤层气的成因在空间上存在分带现象:次生热成因煤层气存在于浅部径流带,原生热成因气存在于深部滞流区。

二、低煤阶煤和高煤阶煤的储层特征

对于未熟低煤阶煤层气藏以原生生物成因煤层气为主,代表性煤层气藏位于美国粉河盆地。粉河盆地第三系FortUnion组的煤在大部分地区为褐煤(Ro=0.3-0.4%),深部存在高挥发分烟煤,没有达到可以大量产生热成因甲烷的成熟度。其甲烷δ13C值为-60.0-56.7%。δD为307-315‰。表明以生物成因气为主,且主要是通过微生物发酵代谢途径形成的。

低煤阶成熟煤层气藏煤层气的成因非常复杂,既有次生生物成因的,也有原生与次生热成因的。美国的圣胡安和犹因他盆地都存在这三种成因的煤层气。。我国阜新盆地白奎系阜新组煤的Ro=0.6-0.72%之间,据同位素和煤层气组分分析,该区煤层气主要为次生热成因,其次为次生生物成因。

三、低煤阶煤和高煤阶煤的成藏差异分析

含气性方面,高煤阶煤层吸附能力强,含气量高。煤的变质程度决定着煤层气生成量和煤的吸附能力,因而对煤层气含气量起着决定性影响。煤阶越高,煤层气生成量越大。吸附能力随煤阶增高经历了低一高一低三个阶段,在Ro=3.5%左右时达到极大值。高煤阶煤层气藏含气量最高。沁南煤层气藏含气量一般在10-20m3/t,最高可达37m3/t。除了煤阶影响外,保存条件也起到了一定作用。作为低煤阶盆地的代表粉河盆地煤层气含量一般为0.78-1.6m3/t,最高不超过4m3/t。低煤阶成熟煤层气藏含气量相对较高,犹他州中部上Ferron砂岩段Ferron煤层气藏含气量为0.37-14.3m3/t,一般在5-10m3/t。阜新盆地煤层气含量一般为8-10m3/t。低煤阶煤层气藏煤层的顶底板因成岩作用微弱而使其封闭能力低于高煤阶煤层气藏。因此对于低煤阶煤层气藏而言,地下水动力封闭显得尤为重要。低煤阶煤层气藏因含气量非常低,因此就必须发育巨厚煤层使得煤层气资源丰度大,高渗透率使得单井排采半径大,这样才可具备商业开发价值。另一方面,低煤阶煤层相对孔隙度较大,最高可以达到10%以上。如果其煤层的封闭条件相对较好,就可以形成超饱和煤层气藏。假定煤层埋深500m,煤储层压力为5MPa,煤层的孔隙度为5%,煤层孔隙系统被煤层气充填,通过计算游离的煤层气含量可达1.9m3/t。这样在煤层孔隙系统中的游离气所占煤层气总含气量的比例就很大,并且这部分的煤层气的采收率很高,因此游离气同样十分重要。如加拿大Alberta的Horesshoe Canyon的煤层气的开发首先在加拿大取得成功,该盆地开发的煤层气藏埋深在200-600m之间,自然条件好利于甲烷菌生气,并且在煤层气开采过程中煤层气井不产水或产水很少。地下流体从高势区流向低势区的规律告诉我们,如果煤层中有水的存在煤层水也必将流向作为地势区的开发井。该地区煤层气藏不产水说明该地区由于该层封盖条件好,煤层的裂隙系统被大量的游离气充填形成了超饱和煤层气藏。在物性方面,高煤阶变质程度高,基质致密,煤层物性渗透率偏低。高煤阶的沁南煤层气藏,储层渗透率为0.1-5.7X10-3m2,一般不超过2X103m2。煤层孔隙主要为微孔和过度孔,中孔和大孔罕见,孔隙度在1.15-7.69%之间,一般均<5%,对渗透率几乎没有贡献。割理严重闭合或被充填,对渗透性的贡献微弱。构造裂隙是渗透性的主要贡献者。这种孔裂隙发育特征决定了煤层气由基质孔隙解吸向裂隙扩散困难,吸附时间长、达到产量高峰时间短、稳定低产时间长。低煤阶变质程度低,基质疏松,煤层物性渗透率高低煤阶未熟煤层气储层的基质孔隙度较高,且以大孔所占比例较高,对储层渗透率有一定贡献,因割理密度低而控制储层渗透率的主要因素是构造裂隙;低煤阶成熟煤层气储层渗透性的主要贡献者是割理和构造裂隙;高煤阶煤层气藏因基质孔隙度低、且多为微孔,割理严重闭合或被矿物质充填,因此渗透率的主要贡献者是构造裂隙。低煤阶煤层气藏的渗透率一般大于高煤阶煤层气藏。

成藏过程方面,高煤阶煤层气藏成藏过程复杂。无论是否存在生成二次热成因气还是具有二次生烃作用,构造异常热事件产生的热变质作用都是高煤阶煤层气藏形成的必要条件。高煤阶煤层气藏的形成具有明显的阶段性。在达到最高演化程度后就不再有煤层气的生成,进入煤层气藏的调整改造阶段。以沁水盆地南部晋城地区的高煤阶煤层气成藏过程为例,该地区煤层气成藏过程主要经历了两个关键的时期,三叠系末期第一次煤系生烃结束,此时煤层的Ro=0.9-1.3%;由于燕山中期异常热事件,尽管地层处于抬升剥蚀阶段,但是仍然存在煤层的再次热演化和二次生烃,此时煤层的Ro达到现今的2.4-4.2%。正因为这次区域热变质该地区煤层的R。可以达到2.5-4.2%,因此该地区煤层具有较高的兰氏体积。

低煤阶成熟煤层气藏成藏过程相对简单,煤层气的生成主要受深成变质作用的影响,即便存在岩浆的热变质作用,也仅为接触变质,对煤层气藏的形成影响范围有限。现今的构造格局和地下水赋存状态是控制煤层气藏调整改造的主控因素。煤层气藏的形成具有阶段性与连续性并存的特点。在埋深最大、热演化程度最高的时期决定了热成因煤层气藏的成藏特征。因此,热成因煤层气藏的形成具有阶段性。从煤层抬升到微生物能够活动的深度,次生生物气就开始生成,并一直持续到现今。这就说明次生生物气的生成具有持续性的特征。低煤阶未熟煤层气藏的成藏过程简单,

煤层形成后一般只经历了一次沉降,然后抬升成藏。现今的地下水的补给、运移、排泄和滞流对煤层气藏的调整和改造起到了决定性的作用煤层气藏的形成具有持续性的特点,但现今的构造格局和地下水水文地质特征是影响煤层气生成的关键,也是控制低煤阶未熟煤层气成藏的关键。

四、结论

低煤阶气藏煤层形成后一般只经历一次抬升,现今的地下水的补给、运移、排泄和滞流对煤层气藏的调整和改造起着决定作用:而高煤阶气藏无论是否存在二次生烃,区域岩浆热变质作用都是高煤阶气藏形成的必要条件,现今的地下水的补给、运移、排泄和滞流对煤层气藏的调整和改造具有一定的影响作用。低煤阶煤层气藏的形成具有持续性的特点,而高煤阶煤层气藏的形成以明显的阶段性为特征。

参考文献:

[1]秦勇、赵庆波、张建博主编,中国煤层气勘探开发面临的若干科学问题,中国煤层气研究与勘探进展(二),徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[2]张建博、王红岩等,中国煤层气地质,地质出版社,2000.

[3]王红岩、刘洪林、赵庆波等,中国煤层气富集成藏规律,北京:石油工业出版社,2004,88-90.

作者简介:

高秀明(1958-),男,安徽省煤田地质局第二勘探队,地质工程师,研究方向:地质。