何發(fā)岐 ，董昭雄 ，趙蘭 ，馬超 ，范明 ，王小彩

（1.中國石化華北油氣分公司，河南 鄭州 450006；2.中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450006；3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126；4.中國石化中原油田分公司天然氣產銷廠，河南 濮陽 457001）

0 引言

煤層氣方面的研究通常強調吸附能力和頂板致密性分析，卻很少對游離氣的富集規(guī)律、蓋層和遮擋層的封堵能力進行定量評價［1-6］。實踐證明，煤層氣勘探開發(fā)效果好的地區(qū)，一般具有較高的原地游離氣量［7-9］。McLaughlin等［10-11］發(fā)現，洛基山地區(qū)地層水滯留、游離氣保存條件好的煤層氣藏具有能量高、見氣時間短、累積產氣量高和產水量低等特點，且普遍存在同地區(qū)埋藏越深、游離氣量越高的現象。我國殘留含煤盆地疊合面積高達249×104km2。最近一次全國油氣資源評價只在41×104km2的地區(qū)落實了2 000 m以淺的煤層氣資源量，2 000 m以深還未開展過煤層氣資源評價［12-13］。因此，在煤層游離氣保存條件好的深部地區(qū)，尋找勘探開發(fā)目標具有重要的戰(zhàn)略意義。

煤巖存儲游離甲烷的條件較吸附甲烷更苛刻，須在吸附飽和且保存條件好的情況下才能實現，但原地游離氣對產能有積極貢獻作用［14］。 大量研究［15-16］表明：淺層褐煤游離氣量高，且產能貢獻大，而中高階煤中游離氣量較低。深部煤層游離和吸附甲烷形成機理，以及游離氣成藏條件等方面的研究基本處于空白。

本文以鄂爾多斯盆地大牛地氣田埋深接近3 000 m的上古生界太原組8#煤為研究對象，重點分析深部煤層的含氣特征及甲烷賦存相態(tài)。通過煤巖及頂底板巖石的物性、壓汞、N2和CO2吸附/脫附等實驗，了解深部煤層儲-蓋組合的孔隙結構特征；結合研究區(qū)煤層的埋藏歷史，分析游離氣的成因，從氣藏特征分析與成本控制等方面討論了該類煤層氣藏的勘探開發(fā)潛力，以期開辟煤系致密砂巖氣的資源接替新陣地。

1 地質特征

鄂爾多斯盆地晚古生代沉積了大量的煤，厚度10 m以上的煤層分布面積大于8×104km2（見圖1）。大牛地氣田8#煤尤為發(fā)育，埋深為2 500～ 3 000 m，單層最厚達17 m，平均10.56 m。煤巖有機質含量高，有機碳質量分數（TOC）平均為72%，其中鏡質組質量分數高達85%；有機質處于較高熱演化階段，鏡質組反射率（Ro）為1.4%～ 1.7%。巖心顯示煤體結構較完整，宏觀類型為半亮煤—光亮煤，裂縫和孔隙發(fā)育，不僅是優(yōu)質烴源巖，亦是較好的儲層。根據煤炭資源量、煤巖性質，以及生氣強度（平均為 40×108m3/km2）［17-19］等條件綜合分析認為，深部煤層氣具較好的勘探開發(fā)潛力。

圖1 鄂爾多斯盆地上古生界石炭-二疊系煤層分布

2 深部煤層游離氣的發(fā)現

2.1 巖心含氣量檢測結果

在大牛地氣田3口井8#煤巖心中選取29個煤巖樣作為實驗樣品。參照GB/T 19559—2004《煤層氣含量測定方法》，利用中國石化勘探開發(fā)研究院無錫研究所結合“排水集氣法與PVT定容法”研制的WXC-Ⅱ解吸儀進行含氣量檢測。實測含氣量平均20.27 m3/t（見表1），最高為32.96 m3/t，普遍具有較好的含氣性。

表1 煤層含游離氣量及飽和度計算過程統(tǒng)計

2.2 含游離氣量及飽和度計算

利用德國RUBOTHERM高壓質量法吸附儀，通過模擬地層溫度對煤樣的吸附能力進行測量。根據Langmuir公式計算煤層氣理論最大吸附量，地層壓力系數取1。結果顯示，實測含氣量均大于理論最大吸附量，據此認為煤層中存在游離氣，二者差值即為單位質量煤巖中含游離氣量。

在默認煤層吸附含氣飽和度為100%條件下，利用比表面積與甲烷分子直徑的乘積表示吸附甲烷所占的孔隙體積，孔隙體積計算結果占總孔隙體積的5%～ 12%，為計算方便，統(tǒng)一取值10%，其孔隙度用φA表示；剩余孔隙體積為游離氣存儲空間，其孔隙度為φF=φ-φA。通過煤巖密度將VF換算為VFT，然后，根據理想氣體狀態(tài)平衡方程（見式（2））計算單位體積煤巖中游離氣的理論最大含氣量，二者比值即為游離氣含氣飽和度。

式中：T0，T分別為地表、地下溫度，℃；p0為地表壓力，取值0.1 MPa；Zi為原始天然氣偏差系數，取值0.931。

根據3口井煤巖含氣量數據計算結果（見表1）認為，大牛地氣田太原組8#煤在較深埋藏條件下，煤巖微孔吸附甲烷普遍都達到了飽和狀態(tài)后，裂隙中還存在大量游離甲烷，且達到較高飽和狀態(tài)（29個樣品分別所處煤層井段的厚度加權，游離氣飽和度平均為87.70%），表明深部煤層有優(yōu)于傳統(tǒng)煤層的保存條件。

3 游離氣的形成機理

3.1 煤系孔隙特征與煤巖圈閉條件

游離氣的聚集往往離不開圈閉的封蓋作用。一方面煤層中的游離氣因浮力作用向上部地層中逸散；另一方面因分子熱運動，煤巖表面吸附甲烷與孔隙中水溶甲烷相互交換，部分水溶甲烷轉化為游離氣后通過浮力逸散降低煤巖的吸附甲烷飽和度。因此，圈閉條件對游離和吸附兩相甲烷的保存均有控制作用。

對8#煤及圍巖的45個樣品進行了物性分析，以及壓汞、N2和CO2吸附/脫附聯合實驗，利用實驗數據分別表征樣品中50.00 nm以上、1.50～ 50.00 nm和0.35～ 1.50 nm的孔隙。結果表明：在煤系地層3種主要巖性中，煤巖物性最好，碳質泥巖次之，泥巖最差；煤巖喉道半徑最大，碳質泥巖次之，泥巖最??；泥巖突破壓力、排驅中值壓力最大，碳質泥巖次之，煤巖最小（見圖2）。

圖2 煤系不同巖性物性和孔隙結構特征柱狀圖

根據實驗結果可知，煤系地層非均質性較強。宏觀上，表現為煤巖、碳質泥巖和泥巖3類巖石呈透鏡體狀互相疊置且物性差異較大，其中煤巖最好，泥巖最差；微觀上，表現為巖石喉道半徑和排驅壓力的差異較大，其中煤巖和泥巖差異最大，為數量級差異。綜合分析認為，煤巖作為游離氣儲層時，泥巖和碳質泥巖均可作為煤巖的蓋層和側向遮擋層，故煤系地層中形成了能夠存儲游離氣的（煤）巖性圈閉地質條件。

3.2 機理分析

在圈閉條件認識基礎上，根據掃描電鏡和微米CT掃描觀察到的特征，將主要分布在100 nm以下的孔隙（包括割理）統(tǒng)稱微孔，100 nm以上的裂縫和孔隙統(tǒng)稱裂隙。以此為模型，結合地層埋藏史和生烴史（見圖3），默認在煤巖生氣階段裂隙中產生的壓力超過泥巖毛細管壓力的情況下，以晚白堊世早期煤巖生烴截止時間為界，分2個階段對煤層中壓力和氣-水兩相的狀態(tài)變化分析游離氣的成因。

圖3 大牛地氣田上古生界煤層埋藏史與生烴史

3.2.1 煤巖生氣開始至截止階段

煤巖生氣之前，所有孔隙均富含地層水（見圖4a）。隨著地層埋深的不斷加大，溫度逐漸升高，開始生成的氣體主要以吸附態(tài)留存在煤巖表面，少量溶解于水中。當生氣量大于煤巖吸附和水溶甲烷均達到飽和后，微孔內壓力升高開始向裂隙中排氣。煤為疏水巖石，水從微孔流經喉道時，毛細管壓力為阻力。當微孔（VB1）內生氣產生的壓力（p1）遠大于毛細管阻力時，氣和水不斷被快速排出至裂隙（VC），并使其壓力逐漸升高；當微孔（VB2）內生氣產生的壓力（p2）不足以使水克服毛細管壓力流出時，氣體不斷被緩慢排出至裂隙，并使其壓力逐漸升高，而水則在微孔內形成孤立水 （見圖4b），微孔中的壓力略等于地層壓力。

圖4 煤巖生氣開始至截止之間煤層中氣-水賦存狀態(tài)示意

隨著裂隙中壓力升高，氣體在浮力作用下達到煤巖和泥巖交界面時，由于泥巖為親水巖石且喉道半徑小，毛細管壓力（pC0）為氣體流動的阻力。此時的氣體因自身浮力不足以克服毛細管阻力而開始聚集在裂隙中；隨著聚集的氣量增加，地層壓力不斷升高，水被不斷排出。當裂隙中的水剛好被完全排出時，地層壓力等于靜水壓力（pw）。由于生氣作用仍在持續(xù)，裂隙中的壓力將持續(xù)增加。當地層超壓（pover）剛好大于泥巖毛細管壓力時（此時地層壓力為pw+pover），氣體開始通過泥巖孔隙向外逸散，直到煤巖生氣截止停止逸散。

最終，煤巖裂隙中除表面少量吸附甲烷外全部充滿游離氣。微孔中吸附甲烷均達到飽和狀態(tài)；VB1中絕大部分為游離氣外，還有少量未排出的地層水，VB2中主要為孤立狀的地層水及溶解其中的少量氣體。

3.2.2 煤巖生氣截止至今

晚白堊世早期開始，地層抬升、溫度降低導致煤巖生烴終止和吸附能力增強，此時部分游離氣逐漸向煤巖孔隙表面聚集變?yōu)槲郊淄?。地層抬升后再無較大規(guī)模埋藏過程，故認為地層由歷史最大埋深4 500 m突然迅速抬升至現今埋深2 900 m，溫度由140℃迅速降至90℃，泥巖毛細管壓力采用實驗測得的平均中值排驅壓力（20.38 MPa），重力加速度取 9.8 m/s2，地層抬升過程中孔隙體積的變化可忽略不計。以此條件分析地層壓力和氣體相態(tài)的轉化。

在不考慮裂隙中溫度降低引起的吸附甲烷增量情況下，根據氣體狀態(tài)平衡方程可知：該過程裂隙中的地層壓力迅速降低7.81 MPa，至56.67 MPa；地層壓力減去該深度（2 900 m）靜水壓力（28.42 MPa）后的地層超壓（28.25 MPa）大于泥巖毛細管壓力（20.38 MPa），較地層抬升前增大7.87 MPa。VB1中由于吸附量所占比例大而不能忽略，故其壓力須小于裂隙中的壓力；VB2不同于VB1和裂隙，微孔表面吸附量主要受控于水中氣體的溶解度，而微孔內水的體積受溫度影響較小，故VB2受影響較小，仍然保持原來的平衡。根據以上分析認為，在地層壓力平衡過程中：1）剛開始時，裂隙中的游離氣因壓力增加主要流入VB1或向上部地層逸散。2）當裂隙中的地層超壓小于泥巖毛細管壓力時，若仍大于VB1中壓力，裂隙中的游離氣停止向上外逸，仍流入微孔，直到等于VB1中壓力時，所有流動停止（見圖5a）。3）當裂隙中的壓力等于靜水壓力時，若仍大于VB1中壓力時，裂隙中的游離氣繼續(xù)流入微孔，同時上部地層中水流入裂隙補充壓力損失；直到等于VB1中壓力時，流動停止（見圖5b）。

圖5 地層抬升后煤層中的氣-水賦存狀態(tài)示意

在現今地層溫度和壓力條件下，煤層圈閉中保存著相當含量的游離氣。當地層壓力大于靜水壓力時，煤巖中吸附甲烷達到飽和狀態(tài)，除微孔中部分空間含有第1階段未排出的孤立水和少量分散的地層水外，其余空間均為游離氣；當地層壓力等于靜水壓力時，煤巖中吸附甲烷仍處于飽和狀態(tài)，微孔和裂隙中含水飽和度增加的同時游離氣的飽和度相應地降低，降低程度決定于第1階段末期到現今地層溫度和壓力變化導致煤巖吸附量升高的大小。

4 煤層游離氣資源意義

4.1 深部煤層氣經濟開發(fā)與成本控制

4.1.1 儲層改造是增產關鍵

深部煤層氣資源豐度較煤系致密砂巖（3.52×108m3/km2）高。煤層物性雖比泥（頁）巖和粉（細）砂巖好，但還較傳統(tǒng)致密砂巖的物性（孔隙度7.2%，滲透率0.50×10-3μm2）略差，開采難度和成本勢必增加。 一方面，物性差的特點決定了自然投產的可能性較小，需要進行儲層改造；另一方面，煤巖較致密砂巖彈性模量低、泊松比大的性質決定了儲層改造難度較大。因此，選擇有針對性的技術進行儲層改造將是該類資源有效動用的關鍵。

美國?？松凸居?982年在皮申斯盆地埋深約2 500 m的煤層中通過壓裂試氣已獲得了2.82×104m3/d的無阻流量，說明深部煤層具備可改造性。煤系地層中煤巖、細/粉砂巖、泥質粉砂巖和石灰?guī)r等可改造性強的巖石呈交互疊置狀分布，針對該特征形成了“沿煤層頂板鉆進的水平井定向射孔技術和松軟低滲透煤層水平井分段壓裂新工藝”的淺層煤層氣增產新技術，既解決了煤層中水平井建井難的問題，又解決了煤層裂縫延伸的技術難題。因此，結合煤系巖石組合結構特征進行儲層改造可提高深部煤層氣產量。

4.1.2 效益開發(fā)的成本控制條件

產能和成本是決定開發(fā)效益的主控因素，兩者關系優(yōu)化是開發(fā)的永恒主題。通過游離氣的賦存狀態(tài)、地層的封閉性，以及研究區(qū)地下/地面設施等綜合分析，認為深部煤層氣具備效益開發(fā)的有利條件。

1）排采機理具有優(yōu)勢。煤巖裂隙和部分微孔中的游離氣產出后可以釋放較大的壓力，使煤層氣開發(fā)中最難的排“水”降壓轉化為排“氣”降壓。同時，微孔中吸附甲烷因壓力降低持續(xù)解吸形成游離氣，煤層氣開采難度可大幅降低。

2）地質條件可提高效率。深部相對封閉條件下煤層與外界地層水連通性相對較差，煤層氣開發(fā)時可以減少無效排水量。游離氣的流動本身具備一定的排液能力，輔以活性劑或泡沫助排等手段可有效地將含量較低的地層水從煤層中快速排出。

3）地面配套可降低成本。深部煤層氣資源豐富的地區(qū)，一般都有大量致密砂巖氣井可利用，地面采氣和輸氣配套設施也都比較齊備。因此，合理利用這些地下和地面設施可以較大幅度地降低成本，減小煤層氣產能壓力。

綜上所述，一方面，深部原地游離和吸附甲烷共存，較常規(guī)吸附為主的煤層氣有一定的開發(fā)優(yōu)勢，但這些優(yōu)勢帶來的產量增幅是否能夠彌補成本增加還需要進一步明確；另一方面，成本的增加也是相對的，合理優(yōu)化方案并選擇相對經濟適用的技術組合可有效降低開采成本，實現深部煤層氣效益開發(fā)。

4.2 資源豐富的深部煤層氣新領域

我國深部（埋深2 000 m以上）煤炭資源豐富。以大牛地氣田石炭-二疊系深部煤層為例，平均煤層厚度為22 m，按煤巖密度1.5 g/cm3計算，煤炭資源豐度高達3 300×104t/km2。本次含氣量檢測的3口井樣品分別代表了鄂爾多斯盆地不同含氣量的煤巖類型，煤層含氣量最高達32.96 m3/t，平均20.27 m3/t。通過煤層厚度、密度與含氣量加權平均值計算煤層氣資源豐度高達5.74×108m3/km2。

鄂爾多斯盆地的煤炭資源主要受沉積范圍控制，2 000 m以淺的煤炭資源約為2×1012t，其中石炭-二疊系約為0.3×1012t。結合沉積相分布特征估算石炭-二疊系深部（2 000 m以深）煤炭資源量至少為0.6×1012t，煤層氣資源量接近12×1012m3，規(guī)模巨大的深部煤層氣資源是一個值得探索的勘探開發(fā)新領域。

5 結論

1）大牛地氣田深部中煤階煤層保存了平均5.23%的孔隙度，在煤系非均質地層中的（煤）巖性圈閉中形成了吸附和游離兩相高飽和度的煤層氣藏。

2）煤巖生氣截止時，在毛細管壓力作用下煤巖中的水基本被排出，形成了地層超壓等于毛細管壓力的高壓氣藏。生氣截止至今，溫度降低導致煤巖吸附能力增加，從而使部分游離氣轉化為吸附甲烷，導致了煤儲層壓力降低；現今，煤層中游離氣和水的飽和度主要受控于蓋層毛細管壓力和地層抬升后煤巖增加的吸附量大小。

3）深部煤層氣資源豐富，游離氣含量較高的情況下較常規(guī)煤層氣有一定的開采優(yōu)勢。合理利用煤系致密砂巖氣的地下和地面設施，以及經濟適用的技術組合，深部煤層氣將成為一個具有經濟價值的天然氣勘探開發(fā)新領域。