浅谈煤层气藏保存条件
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【摘要】本文主要论述了保存条件对于煤层气藏的作用及其重要意义，保存条件主要指盖层的封盖能力、水动力条件和构造运动等因素。在地质历史中，上述地质作用主要是通过改变地层的温压条件而改变吸附与解吸和吸附与溶解之间的平衡，挖制地层中的煤层气赋存形式，从而影响煤层气的保存。文中最后以大城地区为例综合评述了煤层气藏的保存条件及受各种因素的影响程度。煤层气藏与常规天然气藏不同：煤既是气源岩，又是储集岩。一般来讲，煤的生气量很大，从长焰煤开始，累积生气量都在50立方米／ｔ以上，Dｅｃｋｅｒ（1９８７)认为煤的生气量比其保存的气量要高8～10倍，也就是说煤的生气量远远超过现今各煤层的实际含气量 (一般为5～20立方米／ｔ)，这主要是由于煤岩自身的吸附能力和保存条件的不同造成的。
1 较强的吸附能力是煤层气富集的前提
煤层气以溶解气、游离气和吸附气三种方式赋存于煤层的双孔隙系统中：割理系统和微孔隙系统。割理孔隙度一般都较小且被水充满，溶解气、游离气较少，煤层气主要以吸附状态存在于煤的基质微孔中，吸附气占总含气量的90～９5％以上，正是由于煤的这种吸附特性决定了煤的储集能力。
在地层条件下，吸附气、游离气和溶解气处于一种动态平衡过程中，在达到吸附平衡后，吸附量是压力和温度的函数。但煤对气体的吸附属于物理吸附，吸附与解吸是可逆的，当温度和压力条件改变后，吸附量也会改变：当压力下降或温度升高时，吸附气就会解吸，转化为游离气。同样，在地层水交替作用下，原有的平衡条件也会被打破而使吸附气越来越少。由于吸附气的活性较游离气和溶解气弱得多，更易保存，因此煤的吸附能力越强，吸附量越大，越有利于煤层气的保存。各种地质作用就是通过改变吸附与解吸及吸附与溶解的关系而影响煤层气的保存。
2 良好的封盖条件是煤层气保存的重要因素
煤层气属于自生自储式，不需要初次运移，这就要求自生气开始，就需要有良好的封盖条件才能使煤层气得以保存。盖层对于煤层气藏的作用主要是维持吸附与解吸的平衡，减少游离气的逸散和减弱交替地层水的影响。泥页岩、盐岩、膏岩及致密碳酸盐岩等，如其透气性差，就可以形成良好的封盖层而有效地阻止煤层气的垂向运移，有利于煤层气的保存。
煤层气通过盖层逸散主要有两种方式：一是渗流运移，一是扩散运移，究竟以那种方式运移主要由上覆岩层的封盖性能控制：
(1)上覆岩层如果是超致密层，即良好的盖层，其排替压力大于煤层中流体剩余压力(图1ａ)，具有良好的毛细封闭能力，则气体只以扩散方式运移，其运移速度是相当缓慢的，煤层气逸散量可用岩石的扩散系数等参数估算；
(2)当煤层中剩余压力大于上覆盖层排替压力时，气体则以渗流的方式运移 (图1ｂ)，气体逸散速度与气体的有效渗透率及剩余压差有关，剩余压差越大或气体的有效渗透率越高，则逸散越快，此时主要是游离气体逸散，当煤中压力小于盖层的排替压力时，逸散即告结束，如果气源充足，此过程则重复进行，如超压很高则有可能产生微裂缝而使气体呈间歇式散失；如果煤层中没有游离气，而是由于静水压力引起的超压，则只有扩散运移，也就是说在没有压降时，吸附气难以解吸而进行逸散；
(3)如果上覆岩层是渗透层(如砂岩或裂隙性泥页岩等)，排替压力很小，扩散运移快，气体则会向砂岩中运移，再加之水动力的影响，煤中吸附气也会从基质中解吸出来转移到渗透层中去(图1ｃ)；
(4)如果上覆岩层是具有生气能力强的烃源岩，则会阻止煤层甲烷气向上逸散，甚至会向煤层中输入天然气(图1ｄ)。总之，盖层的质量越好，封盖能力越强，煤层气只以扩散方式运移，逸散很慢，盖层盖，失去毛细封闭能力，气体则以渗流方式运移，逸散速度快。
著名的圣胡安盆地煤层气资源量达14×1012立方米，这与水果地组煤层之上巨厚的柯特兰页岩的封盖有直接的关系。萍乐含煤区中龙潭组B煤组之上为泻湖海湾环境形成的泥页岩，厚822ｍ，岩性致密，区域分布稳定，是良好的盖层，煤层含气量最高达253ｃ立方米／ｇ，平均达10ｃ立方米／ｇ，C煤组之上的长兴灰岩岩溶裂隙发育，地下水活跃，封盖性很差，其含气量仅达002～10ｃ立方米／ｇ，平均为038ｃ立方米／ｇ，由此可见，对于煤层气藏，煤层气的富集必需具有良好的封盖层。
3 地层水弱交替区或交替水阻滞区有利于煤层气的保存
除了需要良好的盖层之外，煤层气藏的形成还需要有一个较稳定的水动力条件，它直接影响着地层液体压力分布及流体的运移，由此改变吸附气与溶解气和游离气间原有的平衡，从而影响到煤层气的保存。
水动力影响煤层气的保存主要表现在以下几种类型：
(1)如果煤层顶部岩层为渗透层，且地层水交替强烈，由于煤岩基质 (吸附气赋存的微孔隙)和地层水中存在较大的浓度梯度，煤岩中甲烷气则不断地被交替地层水带走而难以保存在煤层中；
(2)如果地层水处于阻滞状态，且渗透层自身具有良好的保存条件，煤层气则可能会在渗透层中聚集形成煤成气藏；
(3)如果煤层具较好的渗透性，且出露地表接受地层水补给，上下没有良好的盖层，煤层气则会随着地层水的运移而散失；
(4)如果存在良好的顶底板条件，则会在向斜轴部或单斜底部形成超压区，有利于煤层气的保存，在煤层渗透性较差，水动力较弱时，煤层气则会由煤层低部位向高部位运移，如具有封闭能力，则可能在上倾方向聚集成藏。
通过试验证明，地层水对煤层的冲洗会使煤岩吸附量下降，使饱和的煤层变成欠饱和煤层。被带走的气量与冲洗的水量成正比 (图2)。萍乐龙潭组C煤组含气量低的一个原因就是受地层水冲洗造成的，而圣胡安盆地煤层气主要富集在地层水阻滞区，致使煤层气保存良好。
４ 构造运动对煤层气保存的影响
地壳的升降运动可以改变地层的温压条件，打破煤层中原有的平衡条件，使吸附气与游离气相互转化，从而影响煤层气的保存：
(1)如果地壳台升并遭受剥蚀，则地层压力和温度都降低，煤中气体的吸附能力降低，就会使未饱和气藏 (图3ａ)向饱和气藏过渡 (图3ｄ)，或使饱和气藏达到过饱和而出现游离气 (图3ｅ)。
(2)相反，地壳下降接受沉积，由于压力和温度的提高使气体的吸附能力提高，游离气则向吸附气转化，有利于煤层气的保存。
断裂运动会使地层发生断裂，断裂对于常规天然气藏无疑会成为油气散失的通道，而对于煤层气藏，因为煤层气是以吸附状态赋存于煤岩中的，断裂作用就有所不同：
(1)处于饱和区 (图3ｃ)，煤层中的游离气就会通过断层逸散，在地层水交替较弱条件下，即使断层是开启的，煤层气也不一定就大量散失，并可最终达到接近于饱和状态 (图3ｂ)；
(2)如果地层水交替强烈，吸附气也会逸散，致使煤层成为欠饱和气藏 (图3ａ)；
(3)如果断裂作用使盖层产生裂隙，则会降低封盖能力而不利于煤层气的保存。在断裂不破坏盖层封盖性能条件下而使煤层产生裂隙，则会提高煤层气藏的产能 (Ｐａｓｈｉｎ等，1995)，在滚动背斜、牵引背斜、断阶附近或褶曲的轴部等都发现了此类高产能气井 (图4)。由此在煤层气藏选区时，应选择断裂作用不十分强烈的地区，既有利于煤层产生裂隙而提高煤层的渗透率，又不致于破坏盖层的封盖能力。
岩浆活动及其它热运动也会改变煤层气的平衡条件，从而影响煤层气的保存条件。
5 大城地区煤层气保存条件综合评价
煤层气的保存是多种因素共同作用的结果，在研究保存条件时，必须综合考虑各种因素的影响，而在整个发展过程中不同的因素在不同的历史阶段起着不同的作用。
大城凸起为一古老的复式背斜构造，石炭二叠系含煤层厚150～200ｍ，煤层总厚度1364～3355ｍ，分布面积广 (冯国良等，1995)。其封、盖能力分析如下：
(1)煤层区域盖层为下石盒子组砂泥岩互层段，累积厚度50～250ｍ，泥岩厚50～100ｍ，渗透率平均055×10－5μｍ2，突破压力达95ＭＰａ。主体部位煤系层段中，煤层多被泥岩包围，泥岩厚1～3ｍ，煤层之间的累积厚度一般为5～20ｍ，渗透率平均016×10－3μｍ2，突破压力达30ＭＰａ；
(2)大参1井4煤组煤岩吸附量达164ｃ立方米／ｇ (地层压力104ＭＰａ)，具有较高的吸附能力；
(3)主体部位处于地层水弱交替区，至西北文安地区为地层水交替阻滞区 (赵宝中，1993)，形成良好的水压封闭煤层气藏；
(4)由于地壳抬升遭受剥蚀、压力下降使吸附能力降低后，煤层气解吸后在背斜高部位大1、大6井区散失较多，主体部位有良好的封盖条件而保存较好 (图5)。
经综合评价认为：大城背斜主体部位泥岩沉积区与地热异常区的结合处远离地层，盖层条件好，地层水交替弱，煤层气保存良好，煤层可能处于吸附饱和状态，是煤层气开发的有利区带 (图6中Ⅰ、Ⅱ区)，同时考虑到经济原因，埋深小于1400ｍ的Ⅰ区为本区的有利区带；Ⅱ区埋深在2000ｍ以内，煤层气保存良好，只是埋深大，开发难度大；Ⅲ区埋深超过2000ｍ难于开发，或位于砂岩沉积区煤层气保存差，不利于煤层气的开发。
5 小结
((1)煤对气体的吸附能力越高，吸附量越大，越有力于煤层气的保存，易于形成高含气量煤层气藏；
((2)盖层的作用主要是阻止游离气的散失，即使是在构造运动过程中，亦可以使煤层处于过饱和状态从而保存了游离态的煤层气，同时阻止煤层气受地层水交替作用的影响。
((3)处于弱地层水交替区或地层水阻滞区中，煤层气散失少，同时保持地层压力，吸附比例大，有利于煤层气的保存。
((4)地壳的多次升降运动对煤层气的保存不利，但良好的盖层可减弱煤层气的散失。强烈的断裂活动不利于煤层气的保存，中等程度的断裂如使附近煤层产生裂隙而提高煤层渗透率，则有利于煤层气的开发。
((5)大城地区主体部位泥岩沉积区 (Ⅰ区)经综合评价被认为，煤层气保存条件好，含气量大，是煤层气开发的较有利区带。
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