低煤階與高煤階成藏差異性實質及主控因素

高秀明　章招興

[摘要]通過對比探討我國低煤階煤儲層特征與高煤階煤儲層的成藏差異性。高、低煤階煤層氣藏的成藏過程具有很大的差異性,低煤階未熟煤層氣藏成藏過程簡單,高煤階煤層氣藏成藏過程復雜,低煤階成熟煤層氣藏介于兩者之間。

[關鍵詞]低煤階煤層氣成藏

中圖分類號:TQ53文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0710082-01

在我國,煤層氣勘探開發大多集中在中高煤階含煤區,低煤階含煤區的勘探開發研究在我國相對還很薄弱。由于低煤階煤的物理、化學及孔隙結構與高煤階有較大的差異,因此對低煤階儲層特征以及富氣成藏機制進行研究有

重要的意義。

一、煤層氣成因

從煤層氣成因來分析,煤層氣存在生物成因和熱成因兩種。原生生物成因氣是指煤化作用的早期階段(成巖作用階段),有機質在微生物作用下降解形成的煤層氣;次生生物成因氣是指經歷了變質作用的中低煤階煤(Ro<1.5+%)抬升后在微生物作用下形成的煤層氣;原生熱成因氣是指有機質在變質作用過程中形成的煤層氣,如果原生熱成因氣經過解吸一擴散一運移一再聚集,則為次生熱成因煤層氣。高煤階煤層氣藏主要為原生與次生熱成因煤層氣。以沁水盆地南部煤層氣藏為代表。沁南地區煤層主要為高煤階無煙煤,Ro=2.2-4.0%之間,煤層氣主要為熱成因。煤層氣甲烷δ13C總體偏小,在-26.6‰-36.7之間,且隨著埋深的增加而變大。這是由于煤層氣的解吸一擴散一運移引起同位素的分餾導致。這種次生熱成因的煤層氣在國內外非常常見。滯流區受解吸一擴散一運移分餾作用的影響小,基本保持了原始狀態?？梢娗吣厦簩託獠孛簩託獾某梢蛟诳臻g上存在分帶現象:次生熱成因煤層氣存在于淺部徑流帶,原生熱成因氣存在于深部滯流區。

二、低煤階煤和高煤階煤的儲層特征

對于未熟低煤階煤層氣藏以原生生物成因煤層氣為主,代表性煤層氣藏位于美國粉河盆地。粉河盆地第三系FortUnion組的煤在大部分地區為褐煤(Ro=0.3-0.4%),深部存在高揮發分煙煤,沒有達到可以大量產生熱成因甲烷的成熟度。其甲烷δ13C值為-60.0-56.7%。δD為307-315‰。表明以生物成因氣為主,且主要是通過微生物發酵代謝途徑形成的。

低煤階成熟煤層氣藏煤層氣的成因非常復雜,既有次生生物成因的,也有原生與次生熱成因的。美國的圣胡安和猶因他盆地都存在這三種成因的煤層氣。。我國阜新盆地白奎系阜新組煤的Ro=0.6-0.72%之間,據同位素和煤層氣組分分析,該區煤層氣主要為次生熱成因,其次為次生生物成因。

三、低煤階煤和高煤階煤的成藏差異分析

含氣性方面,高煤階煤層吸附能力強,含氣量高。煤的變質程度決定著煤層氣生成量和煤的吸附能力,因而對煤層氣含氣量起著決定性影響。煤階越高,煤層氣生成量越大。吸附能力隨煤階增高經歷了低一高一低三個階段,在Ro=3.5%左右時達到極大值。高煤階煤層氣藏含氣量最高。沁南煤層氣藏含氣量一般在10-20m3/t,最高可達37m3/t。除了煤階影響外,保存條件也起到了一定作用。作為低煤階盆地的代表粉河盆地煤層氣含量一般為0.78-1.6m3/t,最高不超過4m3/t。低煤階成熟煤層氣藏含氣量相對較高,猶他州中部上Ferron砂巖段Ferron煤層氣藏含氣量為0.37-14.3m3/t,一般在5-10m3/t。阜新盆地煤層氣含量一般為8-10m3/t。低煤階煤層氣藏煤層的頂底板因成巖作用微弱而使其封閉能力低于高煤階煤層氣藏。因此對于低煤階煤層氣藏而言,地下水動力封閉顯得尤為重要。低煤階煤層氣藏因含氣量非常低,因此就必須發育巨厚煤層使得煤層氣資源豐度大,高滲透率使得單井排采半徑大,這樣才可具備商業開發價值。另一方面,低煤階煤層相對孔隙度較大,最高可以達到10%以上。如果其煤層的封閉條件相對較好,就可以形成超飽和煤層氣藏。假定煤層埋深500m,煤儲層壓力為5MPa,煤層的孔隙度為5%,煤層孔隙系統被煤層氣充填,通過計算游離的煤層氣含量可達1.9m3/t。這樣在煤層孔隙系統中的游離氣所占煤層氣總含氣量的比例就很大,并且這部分的煤層氣的采收率很高,因此游離氣同樣十分重要。如加拿大Alberta的Horesshoe Canyon的煤層氣的開發首先在加拿大取得成功,該盆地開發的煤層氣藏埋深在200-600m之間,自然條件好利于甲烷菌生氣,并且在煤層氣開采過程中煤層氣井不產水或產水很少。地下流體從高勢區流向低勢區的規律告訴我們,如果煤層中有水的存在煤層水也必將流向作為地勢區的開發井。該地區煤層氣藏不產水說明該地區由于該層封蓋條件好,煤層的裂隙系統被大量的游離氣充填形成了超飽和煤層氣藏。在物性方面,高煤階變質程度高,基質致密,煤層物性滲透率偏低。高煤階的沁南煤層氣藏,儲層滲透率為0.1-5.7X10-3m2,一般不超過2X103m2。煤層孔隙主要為微孔和過度孔,中孔和大孔罕見,孔隙度在1.15-7.69%之間,一般均<5%,對滲透率幾乎沒有貢獻。割理嚴重閉合或被充填,對滲透性的貢獻微弱。構造裂隙是滲透性的主要貢獻者。這種孔裂隙發育特征決定了煤層氣由基質孔隙解吸向裂隙擴散困難,吸附時間長、達到產量高峰時間短、穩定低產時間長。低煤階變質程度低,基質疏松,煤層物性滲透率高低煤階未熟煤層氣儲層的基質孔隙度較高,且以大孔所占比例較高,對儲層滲透率有一定貢獻,因割理密度低而控制儲層滲透率的主要因素是構造裂隙;低煤階成熟煤層氣儲層滲透性的主要貢獻者是割理和構造裂隙;高煤階煤層氣藏因基質孔隙度低、且多為微孔,割理嚴重閉合或被礦物質充填,因此滲透率的主要貢獻者是構造裂隙。低煤階煤層氣藏的滲透率一般大于高煤階煤層氣藏。

成藏過程方面,高煤階煤層氣藏成藏過程復雜。無論是否存在生成二次熱成因氣還是具有二次生烴作用,構造異常熱事件產生的熱變質作用都是高煤階煤層氣藏形成的必要條件。高煤階煤層氣藏的形成具有明顯的階段性。在達到最高演化程度后就不再有煤層氣的生成,進入煤層氣藏的調整改造階段。以沁水盆地南部晉城地區的高煤階煤層氣成藏過程為例,該地區煤層氣成藏過程主要經歷了兩個關鍵的時期,三疊系末期第一次煤系生烴結束,此時煤層的Ro=0.9-1.3%;由于燕山中期異常熱事件,盡管地層處于抬升剝蝕階段,但是仍然存在煤層的再次熱演化和二次生烴,此時煤層的Ro達到現今的2.4-4.2%。正因為這次區域熱變質該地區煤層的R?？梢赃_到2.5-4.2%,因此該地區煤層具有較高的蘭氏體積。

低煤階成熟煤層氣藏成藏過程相對簡單,煤層氣的生成主要受深成變質作用的影響,即便存在巖漿的熱變質作用,也僅為接觸變質,對煤層氣藏的形成影響范圍有限?，F今的構造格局和地下水賦存狀態是控制煤層氣藏調整改造的主控因素。煤層氣藏的形成具有階段性與連續性并存的特點。在埋深最大、熱演化程度最高的時期決定了熱成因煤層氣藏的成藏特征。因此,熱成因煤層氣藏的形成具有階段性。從煤層抬升到微生物能夠活動的深度,次生生物氣就開始生成,并一直持續到現今。這就說明次生生物氣的生成具有持續性的特征。低煤階未熟煤層氣藏的成藏過程簡單,

煤層形成后一般只經歷了一次沉降,然后抬升成藏?，F今的地下水的補給、運移、排泄和滯流對煤層氣藏的調整和改造起到了決定性的作用煤層氣藏的形成具有持續性的特點,但現今的構造格局和地下水水文地質特征是影響煤層氣生成的關鍵,也是控制低煤階未熟煤層氣成藏的關鍵。

四、結論

低煤階氣藏煤層形成后一般只經歷一次抬升,現今的地下水的補給、運移、排泄和滯流對煤層氣藏的調整和改造起著決定作用:而高煤階氣藏無論是否存在二次生烴,區域巖漿熱變質作用都是高煤階氣藏形成的必要條件,現今的地下水的補給、運移、排泄和滯流對煤層氣藏的調整和改造具有一定的影響作用。低煤階煤層氣藏的形成具有持續性的特點,而高煤階煤層氣藏的形成以明顯的階段性為特征。

參考文獻:

[1]秦勇、趙慶波、張建博主編,中國煤層氣勘探開發面臨的若干科學問題,中國煤層氣研究與勘探進展(二),徐州:中國礦業大學出版社,2003.

[2]張建博、王紅巖等,中國煤層氣地質,地質出版社,2000.

[3]王紅巖、劉洪林、趙慶波等,中國煤層氣富集成藏規律,北京:石油工業出版社,2004,88-90.

作者簡介:

高秀明(1958-),男,安徽省煤田地質局第二勘探隊,地質工程師,研究方向:地質。