Question

煤层气藏（田）的封盖与保存

Answer 1

含煤盆地的含煤岩系中煤层的上、下部一般都有较明显的顶板和底板，与煤层共生组合成一套含煤岩系。形成煤层底板的岩层一般是沼泽相粘土岩、泥质岩和粉砂岩，这种沉积相明显的反映出沉积有机物原地堆积的特点，当然也常有作为异地堆积的粗屑岩的存在。煤层的顶板岩性较为多样，湖泊相沉积多为泥质岩、粉砂岩、细碎屑岩，有些也有粗碎屑岩出现，当为浅海相沉积时出现石灰岩、泥质岩，有些也有潟湖相、滨海—海湾相的特征膏岩类。煤层顶、底板岩层与煤层相接并不一定有明显的界限，有时呈过渡型。同一含煤盆地在一定的地质历史时期往往出现多旋回煤系地层，由于沉积盆地沉降中心的变迁，煤系地层在含煤盆地中空间展布上出现交错叠置，致使同一含煤盆地不同部位纵向上、横向上形成的煤系地层岩系组合各异。

油气地质学认为粗碎屑岩类孔隙空间发育，渗滤通道较好，是良好的储集岩层，而蒸发岩或泥质岩类（泥页岩、粘土岩）孔隙空间不很发育，渗滤通道较差，可以作为油气圈闭的封盖层。煤层的底板常是粘土岩类，所以可以成为煤层气储层的封堵层。煤层的顶板并不一定都是可以作封堵层的粘土岩，但是在一个含煤盆地中某一成煤时期，生成的煤系地层往往是一套成煤组合岩系，在多层煤系地层中也往往有多层粘土岩系，因而在一套成煤岩系中往往具有较好的封盖泥质岩层组合。同时，在构造条件较稳定，沉积环境较良好的含煤沉积盆地，往往具有形成泥页岩区域性盖层的条件。

粗碎屑岩因其良好的孔渗条件不能作为油气的封盖层，而致密且具塑性的蒸发岩被认定为良好的封盖层。泥质岩类（泥页岩）对油气的封盖条件是通过人们的实践被证实的。泥质岩类从表面上观察是均质、致密和不渗透的岩石，但其显微结构是相当复杂的，在高倍电子显微镜下观察，顺层面有明显的纤维组织，带有网状不规则的孔隙及形状各异的颗粒，垂直层面观察可见矿物颗粒呈定向排列，重叠组合片状结构，不见孔隙而多见微裂隙。在X射线照片观察，可见厚度不均的细密岩石带，和具层面纹泥、裂隙、有机质，呈多层纹泥交替，泥质岩是具有明显各向异性的非均质体。其孔隙空间主要沿层理面分布，由极不规则的孔隙、裂隙和层理面组成的三维空间系统。顺层理方向孔渗条件较垂直层理方向孔渗条件要好，因此油气垂直层理的渗透能力较差。造成泥质岩类孔隙、裂隙空间减少和差异的主要原因是岩层沉降压实作用的结果。通过测量分析，2000 m深的页岩孔隙直径为50～100Å，4500 m深的孔隙直径为8～16Å。已有资料证实，页岩最小孔隙直径中值约为10～30Å，这些微小孔隙空间约占页岩孔隙体积的70%～90%。

在相同重量或同等体积的岩石中，组成的颗粒越大比表面积越小，颗粒越小比表面积越大，随着沉积层埋深加大沉积颗粒随之加大，比表面积也随之减小。相对比较，泥质岩的比表面积比粗碎屑岩的比表面积要大得多。在相同压实条件下，泥质岩的孔隙结构越复杂，其比表面积也越大，由此流体在孔隙裂隙中更不容易流动。这是因为比表面积越大，矿物颗粒与流体的接触面越大，由于分子间的强静电吸引力，使带极性的水分子比非极性的烃分子更容易吸附在矿物颗粒之上。在一定温度、压力下被吸附而不易流动的水，紧紧吸附在颗粒的表面，称之为结构水。当温度、压力增加时，结构水变为自由的孔隙水，微细孔隙空间被水所占据，对烃类物质的运移起了阻碍作用。由此可见，泥质岩的绝大部分空间极为细小，比表面积大，矿物颗粒吸附力强，使得孔隙中流体运移困难，甚至不能流动，由于孔隙空间的结构水或自由水的存在，使烃类物质运移形成毛细管阻力，造成油气初次运移的困难。经测定构成石油的正构烷烃、环己烷、杂环的分子有效直径在4.8～10Å人工至30Å之间，沥青质达到50～100Å，由于泥质岩类的喉道细小和孔隙水造成的毛细管阻力，难以使这些分子通过。甲烷（CH₄）的有效直径是3.8Å，其分子直径小于其它烃类，显然其通过孔隙喉道能力要比其它烃类强，但石油中其它烃类的分子量和极性要比天然气大得多，因而对岩石的颗粒远比CH₄等轻烃的吸附力强（亲油），由此使孔隙喉道变小，而使CH₄等轻烃类分子不易通过。

煤层中的CH₄虽然有相当多的量是溶解或游离状态，但处于吸附状态的CH₄量要更多，只有在较强的压降条件产生时，有一个良好的CH₄运移通道，使溶解、游离状态的CH₄大量逸散，才能打破原有的平衡，吸附状态的CH₄解吸变为溶解或游离状态。正由于煤层中的CH₄在煤层中吸附的特点，一般具有泥质岩类封盖条件下，在CH₄的运移、扩散极其微弱、缓慢的情况下，能够使吸附的CH₄不被解吸。这是煤层气能够较大面积成藏（田）的基本条件之一。