§2-煤层气储层特征

煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心1煤层气储层特征张遂安教授第二章《煤层气开发与开采》煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心2上节课回顾：1.煤层气：是指赋存于煤层及其围岩中的与煤炭共伴生的可燃烃类气体，主要气体组分为甲烷，它是地史时期煤中有机质热演化产物。2.煤层气资源：是指以地下煤层为储集层且具有经济意义的煤层气富集体，其数量表述分为资源量和储量。3.由于投资目的和开发条件不同，煤层气资源开发方式分为井下抽采和地面开发两类。4.美国的煤层气资源开发起源于煤矿瓦斯治理，产业形成的背景是石油危机和洞穴完井、煤层压裂技术的突破。5.中国的煤层气资源开发已进入商业化发展阶段。《煤层气开发与开采》煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心32.1煤的化学组成、岩石学特征2.2煤层特征描述及煤体结构分类2.3煤储层的孔隙与天然裂隙2.4煤储层的渗透性2.5煤储层的孔隙压力与原地应力2.6煤储层的吸附性、含气性2.7吸附饱和度与临界解吸压力2.8煤的岩石力学性质煤层气储层特征第二章煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心4煤：是一种组成、结构非常复杂且不均一的，包括有机和无机化合物的混合物。由于成煤的原始物料和生物化学作用的不同和地质化学因素的差异，使煤称为含有几十种煤岩显微组分的复杂混合物。§2.1煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用由于成煤物质和聚煤条件的不同，煤分为：☞腐植煤☞残植煤☞腐泥煤煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心5§2.1煤的化学组成、岩石学特征煤层：是自然界中由植物遗体转变而来沉积成层的可燃矿产，由有机质和混入的矿物质所组成。一、成煤物质与聚煤作用煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心6§2.1煤的化学组成、岩石学特征煤储层：鉴于煤层是煤层气的载体，煤层气界将煤层称之为“煤储层”(即煤层气储层)，以示与煤层、常规油气储层的概念区别。一、成煤物质与聚煤作用独特的赋存状态：以吸附态为主非常规储层：典型的自生自储、多重孔渗的有机储层特有的产出机理：排水—降压—解吸－采气煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心7§2.1煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用成煤物质：由于聚煤条件的不同，沉积了不同的成煤物质，主要包括高等植物、高等植物的稳定组分和浮游生物等。由高等植物形成的煤为腐植煤，在沼泽环境中形成。由高等植物的稳定组分（角质、树皮、孢子、树脂等）富集而形成的为残植煤，在沼泽环境中形成。由沼泽、泻湖中的藻类等浮游生物在还原环境下经过腐解形成的煤称为腐泥煤。煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心8§2.1煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用聚煤作用：聚煤作用是古气候、古植物、古地理和古构造诸因素综合作用的过程。物质基础：植物遗体；气候条件：温暖潮湿；古地理条件：常年积水洼地；古构造条件：缓慢下沉。煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心9§2.1煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用成煤作用：是原始成煤物质最终转化成煤的全部作用，它分为泥炭化作用、煤化作用两个阶段。煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心10§2.1煤的化学组成、岩石学特征一、成煤物质与聚煤作用从成煤原始物质的堆积，经生物化学作用直到泥炭的形成，称为泥炭化作用阶段；当泥炭形成后，由于沉积盆地的沉降，泥炭被埋藏于深处，在温度、压力增高等物理、化学作用下，形成褐煤、烟煤、无烟煤、变无烟煤，称为煤化作用阶段。对于腐泥来说，则经历了硬腐泥、腐泥褐煤、腐泥亚烟煤、腐泥烟煤到腐泥无烟煤的媒化作用。成煤作用：煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心11§2.1煤的化学组成、岩石学特征根据目前对煤的分子结构的认识，主要包括：煤的基本结构单元(芳香核、侧链和官能团、杂原子分布和桥键)二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心12§2.1煤的化学组成、岩石学特征煤的工业分析又叫煤的技术分析或实用分析。它包括水分、灰分和挥发分产率以及固定碳四个项目，用作评价煤质的基本依据。煤质特征：——通过工业分析指标来表征二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心13§2.1煤的化学组成、岩石学特征煤是一种有机岩，利用研究岩石的方法来研究煤的学科称为煤岩学。换言之，煤岩即煤的有机岩石性质和特征。煤岩特征：二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心14§2.1煤的化学组成、岩石学特征宏观煤岩特征：按宏观煤岩成分的组合及其反映出来的平均光泽强度，可划分为四种宏观煤岩类型，即：光亮型煤半亮型煤半暗型煤暗淡型煤二、煤的化学组成与煤岩煤质特征宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组成单位，包括镜煤、亮煤、暗煤、丝炭。煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心15§2.1煤的化学组成、岩石学特征二、煤的化学组成与煤岩煤质特征中国煤的分类：根据中国煤炭分类国家标准(GB5751—86)规定，煤分为14大类。无烟煤（anthracite)贫煤(meagercoal)贫瘦煤(meagerleancoal)瘦煤(1eancoa1)焦煤(cokingcoal)肥煤(fatcoaL)气煤(gascoal)1／3焦煤(1／3cokingcoal)气肥煤(gas—fatcoal)1／2中粘煤(1／2mediumcakingcoal)弱粘煤(weaklycakingcoa1)不粘煤(non—cakingcoal)长馅煤(longflamecoal)褐煤(browncoal；1ignite)煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心16§2.1煤的化学组成、岩石学特征二、煤的化学组成与煤岩煤质特征煤的物理性质：煤的物理性质主要包括五个方面，即：光学性质：颜色、光泽、反射率、折射率、吸收率；机械性质：硬度、脆度、可磨性、断口；空间结构性质：比重、表而积、孔隙度、压缩性；电磁性质：介电常数、导电性、磁性；热性质：比热，导热性等。煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心17§2.2煤层特征描述及煤体结构分类一、煤层特征描述煤层的发育特征：含煤地层、含煤系数、煤层及煤层组、煤层稳定性、煤层结构、煤层分叉与尖灭、夹矸等。煤层的几何特征：煤层厚度、煤层底板标高、煤层埋深等煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心18§2.2煤层特征描述及煤体结构分类二、煤体结构分类原生结构煤构造煤碎裂煤碎粒煤糜棱煤煤体结构煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心19§2.3煤储层的孔隙与天然裂隙一、煤储层的孔隙煤的孔隙类型及其成因简述类型成因简述对煤层气的运移作用原生孔胞腔孔成煤植物本身所具有的细胞结构孔+屑间孔镜屑体、惰屑体和壳屑体内部颗粒之间的孔+后生孔角砾孔煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔+++碎粒孔煤受构造应力破坏而形成的碎粒之间的孔++淋滤孔煤中经流水淋滤作用而形成的孔++变质孔气孔煤变质过程中产生气体和气体聚集形成的孔++矿物质孔铸模孔煤中矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的印坑溶蚀孔可溶性矿物质在长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔+晶间孔矿物晶粒之间的孔+注：+++为作用大；++为作用中等；+为作用小；空白为没有作用煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心20§2.3煤储层的孔隙与天然裂隙二、煤储层的天然裂隙煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心21煤层气储层是一种有机质储层，具有吸附性强、孔渗结构复杂等特点。煤储层的孔隙与天然裂隙煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心22§2.4煤储层的渗透性渗透率与样品尺寸的关系由于煤的天然裂缝发育特征，较大样品显示出渗透率较高。3.610.2990.0990.00.51.01.52.02.53.03.54.0注入/压降水箱试验DST测试(md)率透渗渗透率与测试方法的关系煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心23。§2.5煤储层的孔隙压力与原地应力一、煤储层的孔隙压力煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心24。§2.5煤储层的孔隙压力与原地应力二、煤储层的原地应力煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心25。§2.6煤储层的吸附性、含气性一、煤储层的吸附性煤层气开发理论与技术煤对甲烷吸附／解吸的物理化学特征煤田地质界普遍认为，煤中有机质的基本结构单元主要是带有支链和各种官能团的缩合稠核芳香系统，支链、官能团与缩合芳香核之间的比例关系影响到煤的化学工艺性质。随着煤化程度加深，基本结构单元中六碳环的数量不断增加，支链和官能团逐渐减少。煤是由碳原子构成的有机固体，煤体相内的碳原子被四周的碳原子吸引，处于力的平衡状态。当煤孔隙表面形成，则表面的碳原子至少有一侧是空的，因而出现受力不平衡（煤具有了表面自由能）。当孔隙中存在甲烷分子时，甲烷分子就被煤的表面所吸附。煤层气开发理论与技术大量的碳素材料研究表明，煤、焦、炭、炭墨等非晶质高碳物料都是由微晶石墨片或芳核组成，其尺寸大小不等，小的零点几微米，大则几十微米。Kaplan认为，石墨中芳香碳层之间的结合能为5.4kJ/mol左右，基本属于分子间的范德华力（VanDerWaals）作用。甲烷因其饱和的成键结构而表现出极大的化学惰性，其9.4kJ/mol的液化热却是很好的说明。量子化学计算表明，当甲烷吸附于煤的表面时，最大吸附势仅为2.65kJ/mol，这显然属于一物理吸附过程。煤对甲烷吸附／解吸的物理化学特征煤层气开发理论与技术物理吸附与化学吸附的本质差异性质物理吸附化学吸附吸附力范德华力（vanderwaals）化学键力吸附热近于液化热近于化学反应热吸附温度较低（低于临界温度）相当高（远高于沸点）吸附速度快有时较慢选择性无有吸附层数单层或多层单层脱附性质完全脱附脱附困难，常伴有化学变化煤对甲烷吸附／解吸的物理化学特征煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心29煤吸附CH4的数学模型常用的吸附理论和模型有：■Langmuir单组分层吸附理论：Langmuir方程■BET多分子层吸附理论：BET方程■Polanyi吸附势理论：D-R、D-A方程对模型的精度问题，不同的作者有不同的结论。目前多采用Langmuir方程：▲参数有明确的物理意义。▲方程形式简单、使用方便。▲虽有误差，可满足工程需要。煤层气开发理论与技术2020/2/23中国石油大学（北京）煤层气研究中心30BET二常数表达式见式:该理论除接受了Langmuir提出的动态平衡、固体表面是均匀的等假设之外，认为吸附是多分子层。BET方程主要用于描述中孔丰富的多孔性物质，但用于超临界状态流体时偏差较大，可用来描述Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型吸附等温线，并可计算多孔性物质的比表面积。Langmuir方程：V=VLP/（PL+P）或P/V=P/VL+PL/VL其主要假设条件是：单分子层吸附、固体有理想的均匀表面、被吸附的分子之间无相互作用、吸附平衡是动态平衡等。主要用来描述Ⅰ型等温线。0011)(PPCVCCVPPVPmm吸附势理论：D-R方程D-A方程固体表面存在着位势场ε，位势大小和把气体在等温条件下从气体压力压缩到饱