Question

煤储层的特征

Answer 1

与常规天然气储层相比，煤层气储层具自身的特殊性，煤层气的赋存与常规天然气也明显不同。表5.4列出了煤储层与常规砂岩储层的异同点。

表5.4 常规砂岩储层和煤储层的比较表

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(1)煤的孔隙结构特征

煤层是一种双重孔隙介质，属裂隙—孔隙型储层。割理将煤分割成若干基质块，基质块中包含有大量的微小孔隙，是气体储存的主要空间，其渗透性很低；割理是煤中的次要孔隙系统，但却是煤层中流体(气体和水)渗流的主要通道。孔隙和割理都是煤储层研究的重要内容。

割理是指煤层中近于垂直层面的天然裂隙，其成因有内生和外生(构造成因)之分，规模有大有小，与煤田地质学上的“裂隙”为同义词。在煤层气地质领域，一般将“割理”和“裂隙”通用。

根据孔隙—割理的物理测试结果，通常将煤中孔隙(包含割理)的空间尺度划分为：＜0.01μm为微孔，0.01～0.1μm为小孔，0.1～1μm中孔，＞1μm为大孔。

(2)煤的割理系统

割理的规模类型：割理的规模存在很大差异，小者数微米长，大者数米长。不同规模的割理在煤层中的发育程度相差较大。不同规模的割理，对气体的渗流起着不同的作用。张新民(2002)等按照割理的规模以及割理与煤层、煤岩类型及煤岩成分的关系对其进行了分类(表5.5)。

表5.5 割理的规模类型及特征简述表

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割理的三维几何形态：割理系统有互相大致垂直的两组，其中延伸长度大，且发育的一组叫面割理；被面割理横切的另一组叫端割理。端割理一般与面割理是互相连通的。端割理的长度受面割理间距的控制，面割理间距越宽，端割理越长。端割理与面割理的高度受控因素相同，主要与煤岩类型和煤岩组分有关。割理的宽度与其规模有关。割理规模越大，宽度亦越大，变化范围一般为1μm至几厘米。

割理的长度在层面上可测量到，发育的面割理呈等间距分布，其长度变化范围很大。总体上，煤的光泽越亮、镜煤和亮煤越多、厚度越大，面割理越发育、割理高度越大。面割理高度小到几微米，大到几十厘米。

割理形态也是多姿多态的，在层面上主要有：①网状，这种割理连通性好，属极发育；②一组大致平行排列的面割理极发育，而端割理极少，这种割理属于发育，连通性属较好；③面割理呈短裂纹状或断续状，端割理少见，这种割理连通性差，属于较发育。剖面上，割理主要呈垂直于层理或微斜交层理平行排列。

(3)煤层渗透率

宏观孔隙网络组成了连通性好的面割理和连通性稍差的端割理。面割理与端割理正交并垂直于煤层层面。割理是水和气流动的主要通道。被割理网络所包围的完整煤基质块体中的大部分孔隙为微孔隙，在这些煤中，流体主要通过扩散方式运移。故煤层的渗透性主要取决于煤层中割理的渗透性。根据火柴模型(the matchstick model)(Sawyer.1990；Harpalani和Chen，1997)，割理的孔隙度(φc)和渗透率(k)可近似为：

中国非常规油气地质学

式中：a和b分别为割理的间距和一个割理孔径的宽度。

割理渗透性由割理密度(间距)、裂缝宽度和开启性、范围和连通性控制。这些因素又取决于煤级、煤质(灰分含量)、煤岩组分、煤层厚度、构造变形、煤化作用和原地压力(Ammosov和Eremin，1963；Close，1993；Laubach et al.，1998)。由于煤层具极强的可压缩性，原地压力可以影响储层渗透性和产量特征。通常，由于超压作用，煤层渗透性随着埋深的加大而减小。因此，美国大多数煤层气产自埋深小于1200m的煤层。煤阶对煤层的渗透性也有显著影响，由表5.6可看出，低煤阶煤层气藏的渗透率一般大于高煤阶煤层气藏。

表5.6 世界部分中、低煤阶煤层气藏试井渗透率参数表

(4)煤储层的吸附特征

煤是一种优良的天然吸附剂，对各种气体具有很强的吸附能力，这是煤层气与常规储层储气机理不同的物质基础。煤吸附甲烷属物理吸附，理由主要是甲烷的吸附热比气化热低2～3倍，氮气和氢气的吸附也与甲烷一样，这表明煤对气体的吸附是无选择性的；大量的吸附试验证明，煤对甲烷等气体的吸附是快速的、可逆的。因此，可以用物理吸附模型来探讨煤吸附气体的机理。

(5)煤吸附能力的影响因素

煤的吸附能力受煤本身的物理、化学性质及煤体所处的温度、压力等条件的控制。实验结果表明，煤的吸附能力受煤变质程度、温度、水分含量影响较为显著。

煤变质程度对吸附能力的影响。煤对甲烷的吸附是一种发生在煤孔隙内表面上的物理过程，吸附能力受孔隙特征的影响。在煤变质过程中，孔隙在发生着变化，从而影响着煤的吸附能力。张新民等(2002)认为从褐煤至无烟煤2号煤的吸附能力是随着煤化作用的增加而增大(表5.7)。成岩作用阶段褐煤的吸附能力明显低于其他各变质阶段的煤，长焰煤至肥煤3个煤阶吸附量增加缓慢，焦煤之后，煤的吸附量开始快速增加，于无烟煤2号煤的吸附能力最强。

表5.7 不同煤阶煤的吸附常数平均值(30℃，含平衡水分)

温度对煤吸附性能的影响。等温吸附实验一般采用的温度是30℃或煤储层温度。在压力不变的情况下，随着温度的升高，煤的吸附能力降低。在其他条件不变时，随着压力的升高煤对甲烷的吸附能力增大。

水分对煤吸附性能的影响。张新民等(2002)试验表明，随着煤中水分的增加，Langmuri体积呈减小趋势，这主要是煤的内表面上可供甲烷气体分子“滞留”的有效吸附点位是一定的，煤中水分越高，可能占据的有效吸附点位就越多，相对留给甲烷分子“滞留”的有效点位就会减少，煤的饱和吸附量就会降低。

(6)煤储层压力特征

煤储层压力是指煤层孔隙中的流体(包括气体和水)压力。煤储层压力对煤层气含量、气体赋存状态起着重要作用。同时，储层压力也是水和气体从煤的裂隙中流向井筒的能量。当降低煤储层压力，煤孔隙中吸附的气体开始解吸，向裂隙中扩散，在压力差作用下从裂隙向井筒流动。煤层气开采就是根据这一原理，通过排水降低储层压力而采气的。

实际上，原始煤储层压力差别较大。这是由于它受多种因素的影响，如区域水文地质条件、埋深、含气量、地应力等都可对煤储层压力造成影响。一般用压力梯度去衡量储层压力的大小，将储层压力划分为三种类型(表5.8)。正常储层压力应等于9.5～10.0kPa/m，即基本上等于静水压力梯度；大于10.0kPa/m为高压储层，小于9.5kPa/m为低压储层。

表5.8 储层压力类型划分方案表