第05章 煤储层含气性及其地质控制中国矿业大学《煤层气地质学》（傅教授课件） - 图文

温度条件下，矿化度与水溶甲烷的量板（图5-3），通过此量板可得出不同温度、压力和矿化度条件下的水溶甲烷含量。

甲烷在煤层水中的溶解度大于去离子水中的溶解度，去离子水中的溶解度又大于相同矿化度水中的溶解度，压力越高越明显（表5-1），可见煤层水中的有机质随压力增加对甲烷具有较强的吸附作用。因此，水溶气还应包括有机质微粒的吸附气。煤储层中水溶气的含量可由煤层水样在原位温、压条件下的溶解度实验，结合煤储层原位含水量得出。

表5-1 甲烷溶解度实验成果 单位：m3甲烷/m3水

温度/℃ 20 140 140 压力/ MPa 5 22 36 潘庄煤层气井水样 1.162 3.898 4.530 等量矿化度样 0.354 1.463 1.862 去离子水溶液* 0.827 1.967 2.945 *据郑大庆，等（1996）在100℃、相同压力下去离子水溶液中溶解度的线性插值 2、游离气

存在于煤孔隙和裂隙空间的自由气体，称为游离气。对于气体在压力不超过20MPa，温度不低于20℃时，游离气含量通常按理想气体状态方程式进行计算，即：

P0V0T0?PVT 或

P?RTM ? （5-5）

式中，P0 、V0、T0，标准状态下游离气压力、游离气体积（煤层总孔隙体积减去被水占据的孔隙体积）和绝对温度；P 、V、T，储层状态下游离气压力、游离气体积（可由煤岩体三轴压缩实验得总孔隙体积，再减去被水占据的孔隙体积或乘以含气饱和度）和绝对温度；?，气体密度；M，气体的摩尔质量；R，阿佛加德罗常数。实际上气体分子之间存在着作用力，且分子体积也不为零，按理想气体状态方程式进行计算可能会带来较大误差，由马略特定律得：

Vg?VPT0P0TZ （5-6）

式中；Vg—换算成标准状态后的游离气体积；Z－气体压缩因子（在给定温度、压力条件下，真实气体所占体积和相同条件下理想气体所占体积之比），压缩因子是压力和温度的函数，即Z＝Z（P，T），可查表5-2得到，其它符号同前。

表5-2 甲烷气体压缩系数表

甲烷压力 /MPa 0.1 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

0 1.00 0.97 0.95 0.92 0.90 0.87 0.85 0.83 10 1.04 1.02 1.00 0.97 0.95 0.93 0.90 0.88 20 1.08 1.06 1.04 1.02 1.00 0.98 0.95 0.93 77

温度/℃ 30 1.12 1.10 1.08 1.06 1.04 1.02 1.00 0.98 40 1.16 1.14 1.12 1.10 1.08 1.06 1.05 1.04 50 1.20 1.18 1.16 1.14 1.12 1.11 1.10 1.09 第二节 煤储层围岩物性及封盖能力

围岩物性，包括孔隙性、渗透性和节理发育等特征，它们直接决定着突破压力这一重要物性，从而影响围岩对煤储层的封盖性能，决定煤层气的保存和逸散条件。围岩的上述物性特征，与围岩的岩石类型及其组合密切相关。即是说，对围岩岩石类型及其组合的了解，有助于从宏观上把握煤层气的封盖特征。

一、煤储层顶底板的岩石类型

煤层顶底板是封堵煤层气的第一道屏障，是煤储层围岩组合中最重要的岩层。其主要岩石类型有碳酸盐岩、砂岩、泥岩、油页岩及砂泥岩互层组合。

1、碳酸盐岩类型

中国含煤地层碳酸盐岩，除华北盆地本溪组有薄层白云岩以外，其余几乎均是石灰岩。灰岩作为煤储层直接顶底板，较常见于华北盆地的太原组和华南地区的合山组，主要为生物碎屑灰岩。华北盆地南部的太原组灰岩，约占该组垂向剖面厚度的20%~40％，一般分为10~13层，薄者不到1 m，厚者可达18 m，分布比较稳定；北部太原组灰岩的层数明显减少，且以泥晶致密灰岩为主，除风暴滞积层外，生物碎屑含量比较低，孔隙度一般小于1.5％，渗透率一般小于0.05×10－3μm2。只有在构造运动较弱的地区，溶洞、缝合线不发育的致密灰岩才可形成一定的封盖能力。含煤地层中的灰岩普遍含有一定数量的生物碎屑，溶洞和缝合线一般较为发育，平均孔隙度为46％，渗透率为1.5~2.5×10－3μm２，普遍含水，对煤层气的保存十分不利。一方面煤层气通过煤储层顶底板灰岩中的孔隙和裂隙发生运移，另一方面它又被灰岩中地下水径流带走。因此，华北盆地南部太原组灰岩的封盖能力极弱，尽管华北盆地北部灰岩由于泥质含量增高而封盖能力有所增强，但华北盆地仍表现出太原组煤储层含气量一般低于山西组煤储层的规律性。

在华南地区，与灰岩共生组合的合山组煤储层含气量普遍较低。在川南—黔北一带南桐矿区的红岩矿和砚石台矿，尽管龙潭组不含灰岩，但因地层褶皱倒转致使茅口灰岩成为煤储层的“顶板”，因而煤层气大部分逸散，从而使这两个矿成为南桐矿区仅有的未发生过瓦斯突出的矿井。丰城矿区长兴组灰岩是龙潭组上部C煤组的顶板，该组灰岩岩溶发育，岩溶裂隙含水层含水丰富，两者之间水力联系密切，地下水径流携带煤层气运移出煤系，因而造成C组煤层的含气量普遍低于下部的B组煤层。

2、砂岩类型

砂岩顶底板，总体上不利于煤层气的保存，但因其成分、结构的不同及成岩后生作用的差异，对于煤储层的封盖能力变化极大。我国含煤地层的沉积相和构造演化历史的差异，导致我国煤储层顶底板砂岩的岩性特征差别很大，但其结构成熟度从下石炭统到第三系具有逐渐变差的趋势。下石炭统到上二叠统煤层的顶底板砂岩，在长期成岩、后生作用中经历了压实、压溶、石英次生加大、长石增生、粘土矿物重结晶、碳酸盐交代胶结等填塞孔隙的作用，许多砂岩中原生孔隙已被全部充填。同时，砂岩中一些组分如碎屑长石、粘土基质、碳酸盐

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胶结物等也经历了溶解淋滤和溶蚀作用，形成了一定数量的次生孔隙。在华北盆地鄂尔多斯北部及西部的石炭—二叠系砂岩的孔隙率大于5％，渗透率超过2×10－3μm2，不仅对煤储层毫无封盖能力，而且还可直接作为天然气的储层；其他地区顶底板砂岩的平均孔隙率为3.57％，平均渗透率为0.56×10－3μm2。煤储层含气量与上覆砂岩厚度呈指数下降关系。图5-4所示为淮北宿南向斜山西组10号煤层上覆砂岩厚度与煤层甲烷含量的关系。

图5-4 2

3、砂泥岩互层类型

细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和泥岩互层，是煤储层常见的顶底板岩石组合类型。按泥岩在互层组合中所占比例可分为非均质围岩和较均质围岩两类，在前者组合中泥岩所占比例小于50％，在后者组合中泥岩所占比例为50%~75％。我国南方二叠纪含煤地层大都属较均质围岩类型。

泥质含量通过对岩石结构的影响控制着互层类型围岩的孔渗特征。砂泥岩互层组合中泥质含量增加，最大孔隙直径和优势孔径减小，突破压力随之增大。显然，较均质围岩的封盖能力要相对强于非均质围岩，在其他条件的有利配合下可对煤储层起到一定程度的封盖作用。

4、 泥岩类型

泥岩是碎屑海岸相和湖泊相成因煤储层的常见顶底板岩石类型，在区域上往往具有一定的稳定性和连续性，故又被称为区域性盖层。在裂隙不发育的情况下，泥岩是非渗透性盖层，有极好的封盖能力。泥岩的物性与其成岩演化阶段有关，随着其成岩程度加深，塑性降低，脆性增强，裂隙发育程度增大，封盖能力有所减弱（表5-3）。

泥岩的封盖能力还与粘土矿物的组成密切相关。以高岭石或伊利石为主的泥岩，吸水膨胀性和可塑性较高，其封盖能力较强。例如，峰峰、开滦等矿区在钻孔钻至铝土泥岩（高岭石泥岩）时常见气体显示，铝土泥岩对于煤储层的良好封盖作用是其重要的原因。当绿泥石含量增高时，泥岩脆性变大，封盖能力变差。在我国近海相含煤地层中，泥岩大多含有绿泥石，在陆相含煤地层中则以高岭石泥岩为主。因此，华北盆地太原组和华南地区龙潭组泥岩的封盖能力要弱于华北盆地山西组，而华北盆地的下石盒子组泥岩的封盖能力则进一步强于上述三组。

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表5-3 泥岩成岩演化及其与封盖能力和煤化作用阶段的关系

煤化作用阶段 褐煤 长焰煤 气煤—肥煤 部分裂隙闭合，有利于保持封盖能力 焦煤 瘦煤—无烟煤 不膨胀，张开裂隙较为发育，封盖性能明显降低 脆性较大，张开裂隙较为发育，封盖能力进一步降低 泥岩成岩特征及封盖能力 塑性强，无张开的裂隙，为非渗透性盖层 塑性减弱，脆性增强，但仍为非渗透性盖层 形成张开裂隙，导致岩石封盖能力有所降低，但岩石发生一定膨胀可使5、油页岩类型

油页岩致密度高、韧性大、裂隙不发育，含油率和水分含量高，其孔隙率低、渗透率小，是煤储层最理想的封盖层。我国含煤地层中的油页岩多见于西北、东北、两广和云南等地区的中新生代小型盆地，分布局限，不具普遍意义。

在抚顺矿区，油页岩直接覆盖于煤层之上，其孔隙率为3.09%~6.07%，平均含油率达5%~6%，水和油充填了孔隙空间，致使岩石渗透率很低（10-8×10－3μm2级），突破压力大（>6 MPa），对下伏煤储层具有良好的封盖作用。尽管抚顺第三系煤的煤级为长焰煤至气煤，但其甲烷平均含量却达到9.83 m3/t。

二、围岩的封盖能力

围岩封盖能力与围岩的岩性、韧性、厚度、连续性及埋深有关。从岩性来说，围岩的封盖能力随碎屑含量减少、颗粒变细和泥质含量增高而增强。由此可知，由砂岩、碳酸盐岩、砂泥岩互层组合、泥岩、煤层到油页岩，其封盖能力依次增强。泥质岩类具有一定的韧性，在构造变形过程中产生较少的裂隙，封盖能力较强。此外，致密岩层越厚、连续性越稳定，封盖能力越强。

据淮北矿区统计资料：顶板为砂岩的煤储层，其甲烷含量最高不超过6 m3/t（daf）；顶板为粉砂岩的煤储层，甲烷含量最高不超过10m3/t（daf）；凡甲烷含量大于10m3/t（daf）的煤储层，其顶板几乎均为泥岩（图5-4）。

表5-4 围岩的封闭类型 （转引自庞雄奇等，1993） 封盖类型 薄膜封闭 毛细管压力封闭 水力封闭 孔隙流体压力和毛细管压力封闭 压力封闭 增高 浓度封闭 围岩本身的生烃强度能阻止煤层气的扩散作用 油页岩、碳质泥岩 厚层泥岩欠压实造成流体排出不畅，导致地层压力异常巨厚泥岩 封盖机理 围岩类型 泥岩、油页岩、部分致密灰岩和砂岩 含水泥岩、含液态烃油页岩 三、围岩的封闭机理

围岩的封闭机理，可以分为薄膜封闭、水力封闭、压力封闭和浓度封闭几种类型（表5-4）。煤层气聚集是煤层气不断散失与深部煤层气补给并在某种程度上达到相对平衡的结果，扩散作用只要存在浓度差就能发生，扩散作用在煤化作用的各个阶段始终存在。煤层气

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