河南理工大学煤层气地质学

《煤层气地质学》

煤层气成因

1. 煤层气成因：（一）生物成因气：生物成因煤层气是指在微生物作用下，有机质（泥炭、煤等）部分转化为煤层气的过程。按形成阶段可划分为原始生物成因气和次生生物成因气。

（二）热成因气：在温度、压力作用下发生一系列物理、化学变化的同时，也生成大量的气态和液态物质。演化过程中形成的烃类以甲烷为主。1. 原生热成因气2. 次生热成因气。（三）混合成因气：（1）原地混合，即原地形成的热成因气和原地形成的次生生物气相混合，不发生运移，一般出现在浅部。（2）异地混合气，热成因气和次生生物气发生了运移，在地下水滞留区聚集、混合。（四）无机成因气

2. 煤层气成因判别：（一）有机成因气的判别-Whiticar 图示法。二）无机成因气的判别：有烃类气体的成分、烷烃碳同位素系列、与烃类气体伴生的非烃类气体、稀有气体的含量与同位素，以及地质背景综合分析

煤层气的地球化学特征：同位素分布，镜质组反射率。

第2章煤层气储层孔、裂隙特征

1. 煤中孔隙的研究方法：(1) 形貌观测：光学显微镜、电子显微镜下（TEM 和SEM ）和原子力显微镜下。2）压汞法研究孔隙结构：是测定部分中孔和大孔孔径分布的方法。（3）低温氮吸附法：氮吸附法就是将定量的煤样置于液氮温度下的氮气流中，待煤样吸附的氮气达到平衡后，测定其吸附量，计算出煤样的比表面积。

2. 割理（内生裂隙）和外生裂隙的区别

割理的力学性质以张性为主

外生裂隙可以是张性、剪性及张剪性等。

割理在纵向上或横向上都不穿过不同的煤岩类型或界线，一般发育在镜煤和亮煤条带中，遇暗煤条带或丝质终止。

外生裂隙不受煤岩类型的限制。

割理面垂直或近似垂直于层理面。

外生裂隙面可以与层理面以任何角度相交。

割理面上无擦痕，一般比较平整。

裂隙面上有擦痕、阶步、反阶步。

割理中充填方解石、褐铁矿及粘土，极少有碎煤粒。

外生裂隙中除了方解石、褐铁矿、粘土外，还有碎煤粒。

割理

外生裂隙

割理的成因：割理一般呈相互垂直的两组出现，且与煤层层面垂直或高角度相交。成因假说：内张力作用、流体压力作用和构造应力作用。

煤储层压力

1. 储层压力、静水压力、上覆岩层压力之间的关系

1、) 上覆岩层压力（地静压力）上覆岩石骨架和孔隙空间流体的总重量所引起的压力。其值的大小与上覆岩层的厚度、骨架密度和孔隙流体密度有关。单位为MPa 。

2、) 静水压力（流体静压力）液柱重量所产生的压力。其大小与液体的密度和液柱的高度有关，而与液体的形状和大小无关。

3、) 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。

静水压力PH 、上覆岩层压力Po 和地层压力Pf 三者之间的关系：

a 、地层渗透性能良好，与地表水相连通：此时流体承担的压力（地层压力）即为连通孔隙中的静水压力：Pf = PH ，相应地 Gf = GH 。而上覆岩层压力Po 全部由岩石基质来承担。

b 、地层渗透性能较好，但上下左右均被不渗透的隔层所隔，呈透镜体状：此时流体所承担的压力最终要和上覆地层压力趋于平衡，即：Pf = Po，或 Gf = Go。

c 、地层渗透性能较差，且岩性非均质性较强，孔隙水与地表水有连通，但其连通性不好，流体可缓慢渗透，处于一种半封闭状态：此时上覆岩层压力由孔隙流体和岩层基质共同负担，这种情况下的地层压力是小于上覆岩层压力而大于静水压力的。即：

PH ＜ Pf ＜ Po 或 GH ＜ Gf ＜ Go

2. 异常地层压力及其形成机理

通常把偏离静水柱压力的地层孔隙流体压力称之为异常地层压力，或称压力异常。异常分为两种情况：高异常、低异常。

为了反映异常地层压力的性质和大小，国外常采用压力梯度Gp 来表示，即每增加1m 地层的深度，地层压力的变化值。

Gp = 0.01MPa/m时：正常地层压力；

Gp ＞ 0.01MPa/m时：高压异常；

Gp ＜ 0.01MPa/m时：低压异常。

1、) 异常高压的形成机理

（1）欠压实：流体受围岩严格控制不易渗流出来（2）矿物脱水：矿物会脱出层间水和析出结晶水，增加储层中流体的数量（3）水热增压：当热膨胀引起的流体运移由于流体被阻挡而无法逸出（4）烃类的生成：体积的增加和流体渗透率的降低（5）古压力（6）构造作用

（7）测压水位的影响（8）流体密度差异（9）注入作用（10）胶结作用（11）渗析作用

2、) 异常低压的形成机理

（1）测压水位的影响（2）古压力（3）构造作用（4）页岩减压膨胀（5）温度降低：（6）地下流体的开采

煤储层吸附解吸特征

1. 煤吸附甲烷能力的影响因素？

水分：湿度越大，吸附能力越低温度：同上煤变质程度煤阶

2. 等温吸附曲线的用途？

1) 、饱和度的计算

含气饱和度是指煤储层在原位温度、压力、水分含量等储层条件下，煤层含气总量与总容气能力的比值。 2) 、临界解吸压力(PCD)指在等温曲线上煤样实测含气量所对应的压力。 . 理论采收率

煤层气含量及其控制因素

1. 煤层气含量测定方法（逸散气、解吸气、残存气）

煤层气含量: 当煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时，单位重量煤中所含有的换算成标准状态下（0℃，0.1MPa ）的煤层气(瓦斯) 体积称之为煤层气含量(原煤瓦斯含量) ，它常用m3/t和cm3/g作计量单位。

直接测定法:

1.) 煤层气含量测定方法(GB/T 19559-2008)

2.) 地勘时期煤层瓦斯含量测定方法(GB/T 23249-2009)

3.) 煤层瓦斯含量井下直接测定方法(GB/T 23250-2009）

散失气量：指煤心快速取出，现场直接装入解吸罐之前释放出的气量。这部分气体无法计量，必须根据散失时间的长短及实测解吸气量的变化速率进行推算。

解吸气：指煤心装入解吸罐之后解吸出的气体总量。实验过程中需要求出气量随时间的变化规律，结合一些基础数据计算解吸气量。

残存气：指终止解吸后仍留在煤中的那部分气体。需将煤样装入球磨罐中密封，破碎后，放入恒温装置中，待恢复到储层温度后按规定的时间间隔反复进行气体解吸

间接测定方法: 主要是井下测定煤层瓦斯压力、实验室测定吸附常数、工业分析指标等有关参数，通过朗格缪尔方程计算出煤层瓦斯含量。

煤层气含量测定步骤：（1）自然解吸（测定解吸量及解吸速率）（2）残余气含量测定（3）气样采集及气成分测定（4）损失气含量的计算（5）综合结果计算

2. 影响煤层气含量的主要地质因素

煤化程度和煤的显微组分；煤层顶、底板围岩的透气性和厚度；地质构造；地下水； 煤层露头；煤层埋藏深度。其他：煤层厚度煤层倾角岩浆侵入岩溶陷落柱

3. 煤层气含量预测方法

预测方法有含气梯度法、压力－吸附曲线法、煤质－灰分－含气量类比法、测井曲线法、地质条件综合分析法等。

煤储层渗透性

1. 渗透性的基本概念

储集层的渗透性是指在一定压力差下，允许流体通过其连通孔隙的性质，也就是说，渗透性是指岩石传导流体的能力，渗透性优劣用渗透率表示，K ，（mD ）。

1.) 绝对渗透率：单相流体充满整个孔隙、流体不与煤发生任何物理反应时，测出的渗透率

2. ) 有效渗透率和相对渗透率：当储层中有多相流体共存时，煤对其中每一相流体的渗透率称为有效渗透率，分别用kg 和kw 表示气和水的有效渗透率；相对渗透率是当储层中有多相流体共存时，每一相流体的有效渗透率与其绝对渗透率的比值，分别用krg 和krw 表示气和水相对渗透率。

2. 渗透性的影响因素

) 有效应力与原地应力：有效应力为总应力减去储层流体压力。

)Klinkenberg 效应：在多孔界质中，由于气体分子平均自由程与流体通道在一个数量级上，气体分子就与通道壁相互作用（碰撞），从而造成气体分子沿孔隙表面滑移，增加了分子流速，这一现象称分子滑移现象，这种由气体分子和固体间的相互作用产生的效应 ) 基质收缩效应：煤体在吸附气体或解吸气体时可引起自身的膨胀与收缩。

3. 煤层气的扩散与渗流

（一）扩散

1) 、（准）稳态扩散——Fick 第一定律

煤基质显微孔隙内甲烷气体的扩散系在浓度差的驱动下进行的，单位时间内通过单位面积的扩散速度与浓度梯度呈正比。

2) 、非稳态扩散——Fick 第二定律

在非稳态扩散过程中，在距离x 处，煤层甲烷的浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。

二）渗流

1) 、线性达西定律

2) 、渗流阶段：阶段1：单相流阶段，井筒压力>临界解吸压力，只有水的单相流动；阶段2：非饱和流阶段，水与不连续甲烷气体混合流动；阶段3：两相流阶段，连续甲烷气体与水混合流动。

4. 渗透率的动态变化

采气过程中煤储层的自调节效应。负效应：压力降低，基块升高，裂隙降低，渗透率降低。正效应：解吸增大，基块减少，裂隙增大，渗透率增大。

5. 渗透性的地质控制

（一）地应力构造应力场：裂隙特征；局部构造：裂隙发育程度；强烈变形煤：阻塞裂隙埋藏深度：静压力（二）埋藏深度（三）裂隙系统

煤层气资源选区评价

1. 煤层气资源评价的主要内容

资源聚集场所：勘探对象的类型、赋存状态等

资源的有无：勘探对象是否存在等

资源的数量：资源量规模大小、序列和可信度等

资源的分布：煤层气资源在地质三维体中的分布等

资源的开发：勘探对象优选排序、资源开发的工程分析、经济评价、勘探部署、开发规划等 四项任务：煤层气地质条件煤层气资源量计算煤层气资源开发前景评估

煤层气开发有利区块选择

2. 煤层气选区评价标准

（1）首先将含煤区按照演化程度划分为高中低煤阶

低煤阶： Ro ：

中煤阶：0.7%

高煤阶：1.9%

3. 煤层气资源评价方法

评分法（五指标法）根据单层煤厚、含气量、煤层埋深、煤层渗透率和煤层压力等五项参数按表赋分。

关键要素递阶优选法：通过地质风险分析，筛选出对不同层次评价单元煤层气前景具有关键性控制作用的风险要素，进而按聚气带→目标区→靶区的递阶层次进行选区评价和优选 “一剔除三筛选排序法”优选排序工作应是递进的，即随着优选排序层次的上升，排序结果越来越接近实际情况。

层次分析法五. 多层次模糊综合评价方法