论文部分内容阅读
煤层气是一种重要的非常规天然气资源。美国煤层气储量、产量快速增加与煤层气富集区的发现密不可分。我国煤层气资源位列世界第一，但是与美国不同的是，60％以上为中高煤级含煤盆地，并且我国含煤盆地具有复杂的构造演化史，煤层气储层构造样式复杂，煤的变质变形作用类型多样，煤层气的生成和富集有着自身的特点，美国成功的经验和方法并不全适用于中国煤层气开发。因此，亟需开展我国中高煤级煤层气富集机理、富集区形成过程和模式方面的研究，以指导我国煤层气的勘探开发。 煤层气的富集机理系列研究是煤层气地质理论研究中的重点和难点，煤储层物性和渗流特征的不同决定了煤层气富集机制与常规天然气成藏机制有很大的区别，煤层气富集对外界条件的变化相对敏感。研究煤层气富集区的形成过程与富集模式是认识和理解煤层气生成、保存、富集机理的重要途径和切入点，不仅具有重要的理论意义，也有一定实际价值。 论文在阅读国内外大量文献的基础上，通过对沁水盆地南部和淮北煤田南部典型煤层气富集区的分析，运用氢氧同位素测试、129I测年、μCT显微测试、甲烷/氮气等温吸附测试、SEM和HRTEM观测、核磁共振H谱测试、全应力-应变-渗透性实验以及高温高压吸附实验等先进的测试与实验方法;以地质分析、物理模拟实验和数值模拟相结合，阐明了中高煤级煤层气富集区的影响因素，揭示了中高煤级煤层气富集区的富集机理与过程，建立了中高煤级煤层气富集区富集模式。 论文取得的主要创新性成果和认识如下: (1)通过对沁水盆地南部和淮北煤田南部典型富集区剖析，厘定了煤层气富集区的涵义，分析了研究区储层变质变形、含气性和渗透性等地质特征。 论文研究的煤层气富集区是指具有一定高产意义的富集区，具体指某一地质构造单元内，煤层气含气量较高，煤层渗透性较好，具有一定规模，煤层气产量较高，可以进行高效商业开发的区域。 沁水盆地南部煤层气富集区主要以高煤级煤为主，储层变质程度具有东西分带、南北分区的特点，总体上表现为南北高、东西低、内部高的特点。同时，沁水盆地南部煤层气储层主要以脆性变形为主且变形程度较弱。沁水盆地南部煤层气富集区含气量和渗透率具有明显东西展布、南北分带的构造展布规律，生气条件、煤储层性能及后期构造改造对含气量及渗透率的控制作用较为明显。 淮北煤田南部煤层气富集区是以中、高变质煤为主，低变质煤分布较少。脆性变形、脆-韧性、韧性变形储层均有分布，且以韧性变形储层为主。同一地区不同煤层时候构造作用、埋深等因素的影响，变形类型和变形程度差异较大。淮北煤田煤储层物性与构造演化有较好的耦合关系，在压性构造发育区域，煤层变形强烈、含气量高，但渗透性差;张性构造发育区，虽有一定程度的气体散失，但煤层渗透性较好。 (2)通过地质统计、实验分析、物理模拟与数值分析相结合，揭示了煤层气富集区演化过程中煤层水的保压富集的作用，指出了构造变形对煤层气吸附富集性具有重要影响。 利用煤层气产出水D、18O和129I同位素测年判断沁水盆地南部煤层气富集区煤系地层水的年龄为3.3Ma至今，主要来源于古大气降水（上新世和早更新世大气降水）和现今大气降水;并且大气降水对煤层气富集起到保压富集的作用。Na-HCO3型为主，Na-Cl型和Na-SO4-Cl型为辅的中等矿化度的煤系地层水有利于煤层气的富集;地层水滞留-弱径流区有利于煤层气的富集。 不同的变形机制和变形程度对煤中气体吸附量具有显著影响。在相同的煤级，韧性变形煤比脆性变形煤具有更高的气体吸附量和更大的残余气体量;并且变形程度越高，气体吸附量和残余气体量也越多。不同构造变形机制引起的孔隙结构和大分子结构的变化是煤吸附性能的根本原因。韧性变形使应力转变为应变能，这使分子空穴结构转变成大分子结构并形成了高比例的微孔和超微孔隙。韧性变形还可以在原位状态下使煤中大分子在Al、Fe等金属元素的催化下通过位错攀移和滑移形成碳纳米管。这种碳纳米管对煤中气体的吸附量有一定的贡献。 (3)通过对中高煤级煤层渗透率变化特征及规律分析，综合分析测试及数值模拟，明确了中高煤级煤储层渗透性的变形和应力综合控制机制以及其对煤层气高产的控制作用。 对于中高煤级煤而言，煤岩裂隙系统对中高级煤储层渗透率影响更大;在深成变质的基础上，叠加区域岩浆热变质作用，有利于煤层气的富集高渗。影响煤储层渗透率的主控因素是地应力和埋深，其主要是通过控制裂隙的生成、开启和闭合情况来影响渗透率。通过地应力有限元模拟研究，发现煤层气的高产井往往分布在地应力水平主应力差较大的区域。 (4)通过对煤层气富集区主控因素的剖析，揭示了中高煤级煤层气富集区“早期生成-中期抬升改造-后期调整富集”的动态富集过程，并阐明了中高级煤层气富集区形成机制。 煤层气早期生成阶段，煤层气主要以游离态赋存于煤储层的孔隙中。在煤层气的中期构造抬升改造阶段，构造抬升作用促使了煤层中吸附态煤层气的增加，游离气含量降低。在后期调整富集阶段，地表水的渗入使煤储层孔隙空间中被水占据，减小了游离气赋存的空间，同时也替代了游离气对吸附气进行封闭，使煤层气保存并富集下来。 同时，通过高温高压吸附试验并结合研究区构造演化史发现，不同构造抬升时期，构造抬升并不仅使煤层气逸散，也可以使煤层气的含气量相对增多;这主要取决于不同时期温度、压力对吸附量影响的综合博弈结果。 (5)以沁水盆地南部、淮北煤田南部及鄂尔多斯东缘为解剖对象，结合盆地地质演化过程及实际生产资料，建立了典型地质条件中高煤级煤层气富集区形成的4种模式。 从区域构造演化的角度，根据不同的构造演化时期所形成的构造式样及物性特征，将中高煤级煤层气富集模式划分为3大类4小类，主要包括:稳定地块裂隙系统煤层气富集模式，褶皱系统煤层气富集模式，复杂构造系统煤层气富集模式。 其中，褶皱系统煤层气富集模式又包括:向斜-背斜转换带煤层气富集模式，次级构造高部位煤层气富集模式。复杂构造系统煤层气富集模式除构造封闭外主要是由煤层脆、韧性变形控制煤层气的富集，因此也可以说是脆-韧性变形叠加带煤层气富集模式。 各煤层气富集模式分别以鄂尔多斯盆地东缘的大宁-吉县矿区、沁水盆地南部郑庄-樊庄区块、沁水盆地南部潘庄-樊庄区块以及淮北煤田南部西寺坡断层两侧的芦岭、桃园等矿区为例进行实例分析，论证了其现实存在性。