Question

煤储层围岩特征与煤层气聚集

Answer 1

1.顶板岩性对煤层气保存的影响

韩城矿区顶、底板岩性分布如表5-2所示，其中3号煤层、11号煤层顶板为泥岩、砂质泥岩和粘土岩，底板为细-粉砂岩、泥岩，均属于低渗透型隔挡层，透气性差，有利于煤层气的保存。该区煤的内、外生裂隙发育，虽然煤层风化深度可达200～250 m，但由于顶板岩石的封盖能力强，韩城一带煤层的含气量在鄂尔多斯盆地属于最高的地段。

表5-2 韩城矿区煤层顶底板岩性统计表

2.沉积作用对封盖层控制

沉积环境在控制含煤建造赋煤规律的同时也控制了封盖层的类型和发育特征。不同的沉积环境形成不同的含煤建造及岩性组合，由于岩性及组成的不同，其封闭能力也各不相同。鄂尔多斯盆地与聚煤相关的主要沉积相类型有冲积相、河流相、三角洲相、湖泊相、滨浅湖、滨海相和浅海相等。各种沉积相岩性特征、相模式及封盖条件不同，湖泊相、下三角洲平原相、滨浅湖及浅海相泥质岩沉积区分布广，分布稳定，易于形成良好的封盖层，而河流相、冲积相、上三角洲平原相及滨浅海相砂岩沉积区及滨浅海相灰岩区封盖能力相对较差。

西北侏罗系聚煤湖泊沉积体系中沉积相带往往呈环带状展布，湖泊三角洲和滨湖三角洲平原是聚煤作用最有利场所，煤层由陆向湖泊方向变薄、分岔尖灭。煤层顶板多为沼泽相或湖相细粒沉积，对煤储层的封盖能力较强。在西北地区小型陆相湖盆中深湖相巨厚油页岩直接覆盖在煤层之上或与煤层过渡，一方面形成封盖能力极强的煤层顶板，另一方面油页岩形成的天然气输入煤层而成为煤层气的气源之一，如西北民和窑街矿区。

在准噶尔早中侏罗世盆地的周缘，冲积扇沿下倾方向过渡为河流区，扇顶区为含砾粗砂岩沉积，扇中区朵体间、废弃扇体间湾地带和扇尾区（冲积扇前缘）为聚煤场所，煤层沿倾向方向连续性好，但分岔十分普遍，在垂向上由细-粗碎屑岩夹煤层组成，具煤层气运移通道，围岩封盖能力总体上较差。

3.封盖层类型与煤层气聚集

根据聚煤规律和沉积环境分析可知，西北地区煤层顶底板岩性发育类型主要有5类：泥质岩、砂岩、砂泥岩互层、灰岩及油页岩。它们的封盖性能有所不同。

（1）泥质岩盖层

泥质岩是最常见的一种盖层，通常具有较低的渗透性和较高的突破压力，封闭性能好。我国气储量大于100亿m³的16个大气田中有81%为泥质岩盖层。对于煤层气田来讲，泥质岩亦为良好的封盖岩类。泥质岩的均质程度越高，封盖性能越好。从沉积环境上看，稳定环境下缓慢沉积形成的泥质岩质纯，封盖性好；而快速混杂堆积区的泥质岩非均质程度严重，封盖性能相对低些。三角洲前缘、滨湖海湾、潮坪、沉降型湖盆等沉积的泥质岩往往质纯，厚度大、分布面积广，易形成良好的封盖层。

在滨海相含煤建造旋回中，泥岩盖层主要发育在滨海泥岩相、滨海-浅海粘土岩相区，如柳林、吴堡等矿区煤层盖层均发育这类泥岩。泥质岩的封盖性能，除了受沉积因素影响外，还受成岩历史的影响，时代较早的泥质岩多具良好的封盖性能。

泥岩的封闭性能还与泥岩的有机质有关（表5-3）。有机质含量高，泥岩吸附量就高，原因是植物残体组织形成的炭屑吸附量大大高于粘土矿物，同时生气条件也好。这样可以形成较低甲烷浓度差，能减缓和阻止煤层气的扩散散失。

表5-3 鄂尔多斯盆地吴试1井煤层底板泥岩封盖性能

（2）砂岩盖层

这种煤层顶板砂岩盖层横向上多不太稳定，其封闭能力差（表5-4）。多是在滨海平原基础上发育起来的，如山西组属于这一类型，以粗中砂岩为主，岩相以冲积相为主，常有冲刷面，煤层稳定，灰分较高，硫较低，煤层顶板多为粉砂岩及砂质泥岩，部分见粗砂岩，封闭能力较差。但致密的粉、细砂岩亦可成为煤层气的盖层。

河东煤田下石盒子组粉、细砂岩渗透率（0.009～0.16）×10^-3μm²，平均为0.055×10^-3μm²，突破压力0.5～7.0 MPa，平均为3.5 MPa，具较好的封盖性能。

西北地区塔里木、准噶尔、吐哈等盆地，下中侏罗统砂岩往往就是天然气储层，根本不具备封盖能力，常常造成煤层靠近顶底板处含气量明显降低，如乌鲁木齐老君庙，同一煤层的上部含气量往往低于煤层下部。然而，西北地区侏罗系巨厚煤层本身就具有较好的封闭性能，这是该地区巨厚煤层具有较高含气量的原因。

表5-4 西北地区煤储层顶底板砂岩平均孔渗数据

（3）砂泥岩互层

细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩互层是煤储层常见的顶底板组合类型。按泥岩在互层组合中所占比例分为非均质围岩和较均质围岩，前者泥岩含量＜50%，后者泥岩含量50%～75%。泥质含量通过对岩石结构的影响控制互层类围岩的渗透性。较均质围岩的封盖能力要比非均质围岩强。

（4）灰岩盖层

石灰岩出现于煤系中的主要是生物碎屑泥晶灰岩、含生物碎屑泥晶灰岩及泥灰岩，鄂尔多斯盆地东缘石炭—二叠纪煤层之上一般发育4～6层灰岩。柳林-吴堡地区灰岩孔隙度0.27%～0.89%，渗透率小于（0.01～0.21）×10^-3μm²，突破压力0.01～15.0 MPa，表现出较好的封闭性能。

（5）油页岩盖层

油页岩致密性好、韧性大、裂隙不发育，含水高，孔隙度和渗透率低，是煤储层理想的封盖层，如西北地区民和窑街矿区。

综上所述，良好的封盖层应具备下述条件：① 平面分布稳定，厚度较大；②具良好的毛细封闭能力，突破压力在2 MPa以上，能够维持吸附气、溶解气和游离3种相态的平衡关系，保持最大的吸附量；③能够有效地阻止地层水的垂向交替作用，减少地层水交替的影响；④封闭性能稳定，不易产生微裂缝，不易溶蚀。