浅析煤层气煤岩特征实验方法
煤层气是指与煤同生共体、以甲烷为主要成分、主 要以吸附状态赋存在煤层之中的非常规
天然气。我国
煤层气已经在沁水和鄂尔多斯盆地东缘等地实现了商 业化开发,年产量达到
20×108 m3。煤层气产业的迅速 发展,使得煤层气基础研究不断取得新的进展。 煤层作为煤层
气的储层
,具有 2 方面的特征:一是 在压力作用下具有容纳气体的能力;二是具有允许气体流
动的能力。煤层气储层研究
,包括储层孔渗性、裂 隙与割理的发育程度、温度压力、水动力条件、
煤岩特
征、变质程度、含气性、吸附与解析特性等内容,近年来取得了较大进展[1-3]。笔者通过
大量文献资料调研
,对 我国煤层气储层的物性特征、储集状态、煤岩特征和实 验方法的研究
1 物性特征
煤岩作为煤层气的源岩和储层,是孔隙和割理-微 裂隙双重孔隙介质。由于煤层气在储层中
要经过吸附、
解吸、渗流、扩散等过程才能被采出,因此,与常规的砂 岩储层相比,煤层气储层
的储集性能除了受到孔隙度
和渗透率的影响外,还受到割理、外生裂隙、微裂隙的 影响。煤岩
的孔渗性是衡量储层储集和流通性能的重
要特征。 目前国内通常引用前苏联学者霍多特的
煤岩孔隙
度分类方法,即将煤中孔隙分为大孔、中孔、小孔(过渡 孔)、微孔 4 类。煤岩既有大量
的微孔
,又有显微裂隙和 宏观裂隙,可以简化为“双重孔隙”结构模型或“三元裂 隙-孔隙”结构
模型
[4]。 煤储层的孔隙性包括孔隙度、孔隙结构、孔径分 布、孔隙连通性等,受煤阶、煤岩组成、
煤层结构等因素
影响很大。煤层气的吸附及扩散、渗透能力都与煤储层 的孔隙性密切相关。
煤储层的总孔隙空间由气体液体
能进入的有效孔隙空间和完全封闭的孤立孔隙空间 (“死
孔
”)构成[4]。煤层气主要储存于早煤基质孔隙中, 在宏观裂隙或者外生裂隙中运移,而显微裂
隙
(割理或 内生裂隙)能沟通孔隙和宏观裂隙,改善储层连通性, 孔隙是煤层气的主要储集空
间和扩散渗流通道
[3]。 煤层的渗透率主要取决于其压实程度及裂隙系统 的发育程度,而裂隙
系统又受构造作用的控制
,它是衡 量可采性的重要指标。一般随煤层埋深和热演化程度 的加
深
,煤层孔隙半径变小,渗透性变差,当煤层的割 理发育且相对开启时,渗透性变好[5]。煤基质
收缩膨胀
或有效应力变化导致的煤基质自调节效应,造成煤储 层渗透率在煤层气排采过程
中呈规律性变化
[6-7];影响 渗透率的另一个重要因素就是喉道,具有很明显的“短 板效应”,无
论总孔隙度有多大
,喉道的大小和形状决 定了煤岩的渗透率。 割理是连通孔隙和宏观裂隙的
桥梁
[3],也是煤储 层中普遍发育的裂隙系统(见图 1),更是决定渗透率 和煤层气开发的一个关
键因素。割理的发育受控于煤
岩组分和不同煤岩类型的分层情况[8]。Law 等认为割 理的频
率从褐煤到烟煤再到无烟煤
,呈先增大再减小 的趋势[9],中等变质的煤层内割理最发育 。
Levine 认为 煤储层的渗透率与割理宽度的立方成正比,与割理的 间距成反比[10]。
2 储集状态特征
煤层气以游离态、吸附态、溶解态 3 种基本形态保 存在煤岩之中,其中以吸附态为主。这 3
种形态处于动
态变化之中,取决于煤层的变质程度、埋深和赋存环境 等[11]。煤层的含气性是
决定煤层气产能及开发潜力的
重要因素,受煤层的生气、储气及保存条件的控制,而 所有影响
这些条件的地质因素都会影响煤层的含气性
分布[12]。 煤的吸附与解吸特性是决定煤层含
气性的重要因
素之一,也是目前研究的重点[7]。温度和压力是影响煤 层气吸附/解吸特征最
为敏感的因素。煤层气解吸阶段
性、解吸效率、解吸量受控于微孔与小孔的发育程度和 分布
规律。钟玲文认为
,压力在吸附/解吸过程中起主 导作用[13]。 煤储层的埋深是影响煤层气含
气量的一个重要因
素。罗宪指出影响煤层气赋集的地质因素中以埋藏深 度最为显要[14],权
巨涛在磁西勘查区钻探过程中也有
类似的发现[5]。我国深部煤层气(埋深大于 1 000 m)具 有
十分可观的资源前景
[15-17],虽然与浅部的煤储层特 点有相似之处,但是处在高温高压的环
境中
,深部煤储 层则有很多不同。国内对煤储层的孔隙结构、渗透性、 吸附/解吸特征、煤岩结