第三节--煤层气储层压力

第三节煤层气储层压力地层压力（geopressure或formationpressure），又称为地层孔隙压力，定义为作用于地层孔隙内流体(油、气、水)上的压力。煤层气储层压力是地层压力的一种，是指作用于煤孔隙、裂隙内的水和煤层气上的压力，亦称煤储层压力、煤层压力，与煤矿瓦斯灾害治理方面的瓦斯压力是同一个概念。煤层气储层压力是煤层能量的具体表现形式之一，是煤层气运移、产出的动力。不仅影响着煤层的含气能力、煤层气的赋存状态，也影响着煤层的渗透性，从而制约着煤层气的开发。注意与煤层气（瓦斯）压力进行区分：煤层气（瓦斯）压力是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得的煤层孔隙中的气体压力。煤储层压力实际上是储层中水压和气压之和。第三节煤层气储层压力一、储层压力分类正常储层压力状态下，储层中某一深度的地层压力等于从地表到该深度的静水压力。储层压力与其相应深度的静水压力不符时称地层压力异常（abnormalformationpressure）。如果储层压力超过了静水压力，则属于异常高地层压力（或称超压、高压，abnormallyhighpressure,overpressure）；低于静水压力，则称为异常低地层压力(或称欠压，abnormallylowpressure,underpressure)。压力系数为实测地层压力与同深度静水压力之间的比值。当压力系数在0.9～1.1（约9.79~11.0kPa/m）范围时，储层压力处于正常状态；压力系数超过这一范围时，则为异常高储层压力，即异常高压（或简称为高压）或异常超高压（简称为超高压），低于此范围时，即储层压力低于静水压力，为异常低储层压力。储层压力梯度是指单位垂深内储层的压力增量，即随着深度的增加储层压力的改变速度，常用kPa/m或者MPa/100m来表示。一、储层压力分类正常高压超高压欠压压力埋深9.30kPa/m图2.37煤层气储层压力分类一、储层压力分类二、储层异常压力的研究历史与现状早在1934年在西巴基斯坦旁遮普地区第三系储层中发现存在不符合静水压力梯度的异常地层压力现象，随后1953年地层异常压力的概念被正式提出来。50余年来关于地层异常压力的研究，在理论和方法上都取得了显著性进展，其研究大体可分为三个阶段：1）20世纪40年代至60年代，可以看作是异常地层压力理论和方法研究的探索阶段。在该阶段的研究认为，异常地层压力的形成主要是由于：（1）欠压实作用而引起流体的排出不畅；（2）构造应力作用引起；（3）蒙脱石向伊利石或石膏向硬石膏的相变；（4）水热增压作用；（5）渗透膜作用；（6）厚层砂、泥岩地层，且砂岩/泥岩比例不超过15%等。对异常地层压力的预测方法也进行了初步探索。2）70年代至80年代，是异常压力研究的飞速发展阶段。在这一阶段关于异常地层压力的理论和研究方法日趋成熟。最显著的进展表现为流体单元概念的提出，根据压力在盆地中的分带性，Bradley认为在一定地层深度范围内，沉积盆地是由一系列水力上封闭的单元组成的。在70年代初Bradley和Powley最早提出了压力封存箱的概念。有关异常高地层压力的形成机制也更深入了一步。地层压力的预测及计算方法等方面也进行了更深入地研究，并提出了一系列计算和预测异常地层压力的方法。3）90年代以来为异常流体压力理论在油气勘探开发中成功应用阶段。最显著的理论突破就是异常流体压力封存箱理论的正式提出和应用。异常流体压力封存箱是具有较好水力连通性和较高孔隙度的岩体在渗透率极低的围岩的影响下由地层、断层进行封闭而形成的水力化学系统的地质结构单元。二、储层异常压力的研究历史与现状常规油气储层异常压力的形成机制三、煤层气储层异常压力的形成机制1.异常高压的形成机制（1）水动力封闭型所谓的水动力封闭型，是指地下水或大气降水由露头区沿渗透性良好的煤储层（甚至包括与煤层有密切水力联系的高渗顶底板岩层）向盆地深部运移，当遇到渗透性差、致密的岩层、封闭性断层阻碍，或到达盆地深部，形成滞留时，导致煤储层流体压力的升高，从而形成高压异常。保持高压状态的条件是煤储层顶底板围岩的排替压力高于储层压力。SanJuanBasinSanJuan盆地Fruitland组等势面图和地表地形图6000600060006000700070007000700070007000700060007000700070006000780074007400700066007000620070006200580054007000540058006200660070006600700066006600科罗拉多州新墨西哥州DurangoIBSCMGFVFarmingtonAPKGaWFCuba科罗拉多州新墨西哥州犹他州亚利桑那州N水头等值线（，等值线间距（ft)400ft)54006000地形等高线（，等高线间距（ft)200ft)Fruitland组产气区WWAWFVFloraVistaPPinonKKutzAAztecMMeridian400SCSedroCanyonIBIgnacioBlancoFFulcherGGladesSanJuan河700066005800SanJuan盆地地层柱状图11.309.79DurangoCarracasUnitTiffanyAllisonUnitIgbacioBiancoCedarHillNEBUARCHULETACOMeridian40044CanyonLAPLATACOSANJUANCO科罗拉多州新墨西哥州MONTEZUMACOGladesFarmingtonFloraVistaBlancoAziecKutzFulcherPinonGollegosWAWCubaSANDOVALCORIOARRIBACON0102030km压力梯度（）kPa/m11.3011.30~9.799.79无资料井位NEBUFruitland产气区COAL研究区SanJuan盆地Fruitland组压力梯度图SanJuan盆地Fruitland组压力与深度关系图三、煤层气储层异常高压的形成机制南北第三系Kirtland页岩Fluitland组北部煤单元，高渗带南部煤及砂岩单元，低渗带PicturedCliffs砂岩高渗带低渗带埋藏与煤化作用后盆地边缘抬升并发生剥蚀细菌活动生成次生生物气大气降水携带细菌由补给区向盆地方向运移圣胡安河细菌抬升埋藏热成因的甲烷和次生生物甲烷聚集形成常规水动力圈闭气藏渗透性壁障构造枢纽线径流方向Fluitland水位等势面0102030km科罗拉多新墨西哥CedarHillSanJuan盆地Fruitland组和PicturedCliffs砂岩地下水系统剖面图三、煤层气储层异常高压的形成机制Fruitlant组Kirtland页岩盐度低PicturedCliffs砂岩Lewis页岩高南北（）垂向与侧向压力梯度aFruitlant组Kirtland页岩盐度低PicturedCliffs砂岩高南北（）垂向与侧向温度梯度a17.87kPa/m0.136kPa/m0.06C/m0.00029C/mLewis页岩Fruitland组压力、温度垂向和侧向梯度三、煤层气储层异常高压的形成机制2367000650070007500750080009000800070006500600070006500600055006000650075007000800085006500800070006500650070006000650070008000600070007500700065007000Green河Yampa河LittleSnake河盆地边界RSUUUAAWHRUPUNSMUCAR102WR100WR98WR96WR94WR92WR90WR88WR86WT13NT11NT9NT7NT5NT3NR102WR96WR94WR92WR90WR88WR86WR100WR98W???Wyoming州Colorado州Moffat县RioBlanco县Routt县Sweetwater县Carbon县20mi30km等值线间距变化（ft)Mesaverde基底断层逆冲断层BHT200≥℉水压和烃类超压边界6500等效淡水水头烃类超压压力分析区Mesaverde露头RSU3RockSprings隆起SMUSierraMadre　隆起PUPark　　隆起CACherokee　　弧形带AAAxial　　弧形带WHRUWhiteRiver　隆起UUUinta　　隆起图　盆地和盆地上段的等势图2-9SandWashWashakieMesaverde[86]SandWashBasin三、煤层气储层异常高压的形成机制图　盆地组的地质与水文特征2-10SandWashWilliamsFork[79]盆地的东部边缘的最佳钻井深度，反映了构造倾角的变化，地下水沿山脉断层系统向西、向高煤阶方向流；压实流方向相反。CedarGreen河Yampa河LittleSnake河盆地边界RSUUUAAWHRUPUNSMUCAR102WR100WR98WR96WR94WR92WR90WR88WR86WT13NT11NT9NT7NT5NT3NR102WR96WR94WR92WR90WR88WR86WR100WR98WWyoming州Colorado州Moffat县RioBlanco县Routt县Sweetwater县Carbon县20mi30km等值线间距变化（ft)Mesaverde基底断层逆冲断层水压和烃类超压边界6500Mesaverde露头RSURockSprings隆起SMUSierraMadre　隆起PUPark　　隆起CACherokee　　弧形带AAAxial　　弧形带WHRUWhiteRiver　隆起UUUinta　　隆起6000750075006000K/TCC′最佳钻井深度厚净煤区高阶煤区厚净煤区重力驱动流压实驱动流三、煤层气储层异常高压的形成机制C′CSWNE补给CedarMountain断层系统Yampa河10mi16km0010000900080007000600040003000200010000　-10005000(ft)下第三系与上白垩统Mancos页岩Iles组Lewis页岩上组等效水头Mesaverde主要煤层水流方向断层平行流hvChvBhvBbhvCb3050274524402135183012209156103050　-3051525(m)WilliamsFork组更老岩层SandWash盆地WilliamsFork组地下水系统C－C′剖面图三、煤层气储层异常高压的形成机制太原寿阳阳泉平定昔阳榆次太谷清徐交城文水平遥汾阳介休榆社左权和顺武乡沁县襄垣潞城屯留沁源古县长治长子安泽沁水阳城晋城沁1沁2老1连1沁参1沁4沁3沁试1潘2晋试井1丰1祁县畅1。00112'。00113'。3720'。3640'。3600'。00113'。00112'。3720'。3640'。3600'湾1霍山隆起晋中断陷太行山隆起天中山断隆0505101520100510AA'051015km地名已钻井断裂BB'051015km15#煤含气量等值线3#煤含气量等值线石炭系太原组露头线沁水盆地3＃煤层和15＃煤层含气量分布图太原寿阳阳泉平定昔阳榆次清徐交城文水平遥汾阳介休榆社左权和顺武乡沁县襄垣潞城屯留沁源古县长治长子安泽沁水阳城晋城沁1沁2老1连1沁参1沁4沁3沁试1潘2晋试井1丰1祁县畅1。00112'。00113'。3720'。3640'。3600'。00113'。00112'。3720'。3640'。3600'湾1霍山隆起晋中断陷太行山隆起天中山断隆AA'051015km23BB'地名已钻井断裂15＃煤层水位等值线水流方向250035002000150010005001500100050030015001000500300太原寿阳阳泉平定昔阳榆次清徐交城文水平遥汾阳介休榆社左权和顺武乡沁县襄垣潞城屯留沁源古县长治长子安泽沁水阳城晋城沁1沁2老1连1沁参1沁4沁3