煤层气地质学8 煤储层的地球物理特征
关于煤层气储层地质特征及勘探开发新领域研究
161随着经济不断发展，温室效应显著，经济水平的提高使得人们环保意识逐步提高，从而对绿色能源发展问题进行探索。
我国地域辽阔，具有丰富的资源，煤层气储备量位居世界第二，并且分布范围广，其中包括我国华北、西北、华南等诸多地区。
1 我国煤层气主要特征从20世纪80年代初开始到90年代末，20年的时间内，我国煤层气井多口，其中有很多失败案例，主要原因就是受到勘探技术的限制，煤层气井深度不够，大部分井都没有达到煤层气储层的实际深度，所以导致含气量较低，煤层气井产量少，煤层气勘探受到影响[1]。
煤层气在生成过程中，会受到火山岩活动影响，导致其中出现次生演变逐步加剧，煤层中逐渐出现一个饱和度高、煤层物性好、含气量高的区域。
同时，煤层气还会受到其他局部热动力影响，与其接触的岩石会出现一个高热区域，其周围环境较为封闭，导致这些热量无法排出，就会吸附于煤层颗粒中，随后扩散到岩石储层中。
受到水的影响后，导致煤层物性变差，饱和度降低[2-5]。
2 储藏煤层气在我国，煤层气分布具有明显分带性，在勘探过程中，应当对煤层气储层中的吸附带重点关注，从而提高勘探效率。
2.1 压力封闭型经过多次的压实、抬升，一个超出压力范围的煤层气储层就逐渐形成，但是由于自身发育不够完善，导致煤层气缺乏物性与联通性，所以在开采过程中，会出现解吸性差等问题，最终导致煤层气产量低。
2.2 微渗滤封闭型通常情况下，底板与中顶板都较薄，岩石缺乏密封性，局部的水与岩层相通后，水逐步向煤层进行渗透，最终产生动力，并且带走部分地层中的甲烷，小部分甲烷处于滞留状态，形成一个较为封闭的环境。
这种情况就会导致煤层气中具有较低的含气饱和度，煤层气产量较低，导致工业价值低，但是有时也会出现例外情况。
2.3 地质构造封闭型一部分煤层气受到地质构造影响，地质构造的特殊性导致其含水量较低，煤层气开采过程中解吸半径小，影响开采量。
我国幅员辽阔，煤层气类型丰富多样，目前我国都是采用构造变形差异聚集承压水封堵型的煤层气作为主要开采目标。
煤层气储集层课件
(4) 煤体结构的影响
煤体结构的分类
糜棱煤与原生结构煤不同孔径孔的孔容也存在差异
在构造应力或其它力（如重力）的作用下煤体将发生变形，煤体原生结构将遭到破坏，同时也改变了煤的孔隙特征。总体上破坏程度越深，煤的孔隙度和比表面积增加越大。
2、Ro,max=1.3％∼2.5%，大孔的孔容和比表面积则呈现缓慢下降趋势，这可能是由于煤中植物组织残留孔仍然存在的结果。该阶段中孔、过渡孔和微孔的孔容与比表面积达到了极大值，说明该阶段大量的烃类生成，造成气孔的大量增加。 3、Ro,max>2.5%，各类孔隙的孔容和比表面积均呈现下降趋势。这是由于此阶段煤的生烃能力显著下降，新的气孔的生成微弱，而高温高压作用下进 一步的煤化作用引起的大规模缩聚作用导致各类孔隙的减少。
一、基质孔隙
基质孔隙为煤的基质块体单元中未被固态物质充填的空间，由孔隙和通道组成。一般将较大空间称为孔隙，其间连通的狭窄部分称为通道。
1. 基质孔隙的分类
(1) 成因分类
气孔
残留植物组织孔
次生孔隙
晶间孔
原生粒间孔
（2）孔径分类
气孔
气孔是指煤化作用过程中气体的生成与逸出留下的痕迹，是煤体在较高的温度、压力条件下，处于近塑性状态，由其自身形成的气体作用的结果
割理被次生显微组分充填，因后期应力的作用沿一侧被裂开，焦作古汉山山西组二1煤
割理内充填的次生显微组分形成的次生裂隙，焦作古汉山山西组二1煤。
经有机溶剂刻蚀后显示出割理被次生显微组分充填的特征，充填的割理与现存的方向、大小基本一致，焦作古汉山山西组二1煤组3号煤，SEM
煤层气储层特征研究分解
欠饱和的
饱和煤层（A）含有最大的气含量， 这在理论上是可能的，如由实验室确定 的等温吸附曲线所定义的。在开始脱水 和压力下降时，气生产立即开始。
欠饱和煤层（B）含有比煤层可能吸 附量要少的甲烷，由于先前发生过脱气事 件。为了使气产气甚至需要几年的时间进 行脱水和降压，而最终的储力
超压——煤层气井喷
三、储层的空隙压力与原地应力
2、煤层气瓦斯压力
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。煤储层试井测得储层压力是水压，二者的测试 条件和测试方法明显不同。煤储层压力是水压和气压的总和，在封闭 体系中，储层压力中水压等于气压；在开发体系中，储层压力等于水 压与气压之和。
同一煤样吸附不同气体：CO2>CH4>N2
CH4 CO2 N2
8
10
CH4 CO2 N2
8
10
四、煤储层的吸附性
2、煤层气吸附／解吸过程的差异与解吸作用类型划分
地质条件下的煤层气吸附过程与开采条件下的煤层气解吸过程的差异对比
煤层气物理吸附
煤层气物理解吸
作用过程
吸附偶于煤的热演化生烃、排烃 人为的排水-降压-解吸过程（是一 过程之中（是一种“自发过程”） 种“被动过程”）
一、煤层气的概念
1、煤层气
煤层气是以甲烷为主要成分的矿产，是在煤化作用过程中形成、储集 在煤层及其临近岩层中的非常规天然气。
2、煤层气储层
煤层作为煤层气的源岩和储层，具有2方面的特征：一是在压力作用 下具有容纳气体的能力； 二是具有允许气体流动的能力。
二、煤储层的渗透性
1、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。
煤层气
一、名词解释1煤层气：是指煤层生成的气体经运移、扩散后的剩余量，包括煤层颗粒基质表面吸附气，割理、裂隙游离气。
2煤型气：是相对于油型气的概念，是煤成气和煤层气的总和。
3割理：是指煤层中近于垂直层面的天然裂隙。
4构造煤：是指煤层中分布的软弱分层，是煤层在构造应力作用下发生破碎或强烈的韧、塑性变形及流变迁移的产物。
5煤层气吸附平衡：当吸附和解吸两种作用速度相等（单位时间内被固体颗粒表面吸留的气体分子数等于离开表面的分子数）时，颗粒表面上的气体分子数目就维持在某一定量，称为吸附平衡。
6煤层气藏：是指在地层压力（水压和气压）作用下保有一定数量气体的同一含煤地层的煤岩体，具有独立的构造形态；是在煤层演化作用过程中形成的，在后期构造运动中未被完全破坏，呈层状产出。
7煤层气地质储量：是指在原始状态下，赋存于已发现的具有明确计算边界的煤层气藏中的煤层气总量。
8煤成气：是煤层和煤系中分散有机质在热演化过程中生成的气态烃，经运移到煤系中或煤系以外的储层中聚集的煤型气。
9瓦斯突出煤体：构造严重破坏并具有发生瓦斯突出的瓦斯能（即含有大量瓦斯）介质条件的煤体称为瓦斯突出煤体。
10坚固性系数：用于表示岩石抗冲击能力的大小或破坏时破碎功的大小。
11瓦斯放散初速度△P：是指煤在0.1MPa压力吸附瓦斯的条件下，向一固定体积的真空空间放散时，某一时间段内所散放的瓦斯量。
12原生结构煤：指煤原生构造未受构造变动，保留原生沉积结构和构造特征，每层原生层理完整、清晰，仅有少量内、外生裂隙发育，煤体呈块状的煤；原生结构煤的煤岩成分、结构、构造与内生裂隙清晰可辨。
13煤与瓦斯突出：采煤生产过程中，在一瞬间（几秒钟）采煤工作面或巷道某处突然被破坏，迅速放出大量瓦斯，同时抛出大量的煤、岩碎块和煤粉，这种现象称为煤与瓦斯突出。
14吸附等温线：按照气体解吸特性描述的煤的响应性曲线称为吸附等温线二填空题1煤层气形成阶段：原生生物气生成阶段、热降解气生成阶段、热裂解气生成阶段和次生生物气生成阶段。
煤层气储层的地球物理测井评价方法
四、煤层气储层的测井评价方法
4.4.1、利用与煤层气相关的测井响应，如密 度、声波时差、电阻率，以及其它相关因 素，如有效埋深等，与煤心分析的含气量 建立统计相关关系，这种关系也可以利用 人工神经网络获得，这两种方法都要求有 足够的样本[12][13]；
四、煤层气储层的测井评价方法
4.4.2、利用近似分析得到的结果，如灰分含 量，根据吸附和解吸机制直接建立与煤层 含气量之间的对应关系[8]，
二、煤层气与煤层气储层的特征
2.1、煤层气的生成与煤级关系及存在状态
二、煤层气与煤层气储层的特征
• 在成岩作用早期，天 然气主要通过生物活 动析出； • 后生作用是在温度压 力增大条件下发生， 是碳氢化合物形成阶 段； • 变生作用几乎将干酪 根全部转化成碳，甲 烷或干气与非烃类气 CO2、N2形成。
三、影响煤层气储层特性的因素
四、煤层气储层的测井评价方法
4.1、煤层的识别与划分 煤层的密度、电阻率和声波速度等参数与 围岩有明显差异。因此利用常规测井方法， 包括电阻率测井、密度测井、中子测井、 自然伽马测井和声波速度测井，通常可以 成功的识别和划分出煤层。 煤的密度、电阻率和声波速度以及水分如 下图所示。
三、影响煤层气储层特性的因素
焦作某区山西组煤甲 烷含量与上覆地层有 效厚度关系图
三、影响煤层气储层特性的因素
3.2. 煤层含气量与煤级的关系 煤级又称煤阶，表示煤化作用程度的等级，也用以表示煤 变质程度。1926年，怀特(D．White)首次以干燥无灰基的 碳含量表示。煤级有时也借助煤化过程中变化明显而且有 一定规律性的物理、化学性质，即煤级参数或煤化(程度) 参数表征。在煤化过程中，芳香环缩合程度加大，增长为 更大的结构单元，导致镜质组反射率值增高；而非芳香馏 分则逐渐减少，导致挥发分降低。由于镜质组反射率和挥 发分都与镜质组结构单元的芳构化程度有关，因而镜质组 反射率的增高和挥发分的降低，在变化程度上几乎是同步 的。因此，碳含量、挥发分含量和镜质组反射率常常作为 煤级参数。总体上，含气量随煤级的增高而增大。低煤阶 的煤含气量一般为2.5cm3／g，高煤阶的煤含气量可达 31cm3/ g。
测井资料解释(煤田测井解释)
对比泥质砂岩体积模型和煤的体积模型： 泥质砂岩的岩石骨架相当于碳分， 泥质相当于灰分， 而孔隙水则相当于水分。
煤的声波测井、密度测井及中子测井解释公式与泥质砂岩的测井解释公式具有相 同的形式：
t 1 Vatc Vata t f b 1 Vac Vaa f N 1 Vac Vaa f
上式中Va’=V0/V为灰分的相对体积含量;Δtc、Δta、Δtf分别为碳、灰、水的声波时差； δc、δa、δf分别为碳、灰、水的体积密度；Φc、Φa、Φf分别为碳、灰、水的含氢指 数；为水分的相对体积含量。
煤层的井径曲线受钻井工艺和钻井液性能影响，煤层会发生垮塌，使井径扩大。 煤层的声反射系数比其它地层都小，声波井周成像是记录声波在井壁处反射波的 能量，由于煤层反射系数小，声波透过地层的能量多，而反射的能量少，因此图像 颜色深。
煤储层孔渗特征
1. 煤储层孔隙结构 属裂缝—孔隙型结构，煤基质被天然裂缝（割理）网分隔成许多方块，每个方块 由煤粒和微孔隙组成。基质是储气空间，甲烷被吸附在微孔的表面，渗透率很低， 一般为（10-2～10-6）×10-3μm2。在浓度差的作用下，甲烷透过基质扩散到裂缝中， 裂缝在煤的总孔隙体积中占次要地位，储气功能很低，可有少量游离气储存其中， 但裂缝的渗透率高，是甲烷渗流的主要通道。 煤中的天然裂缝(割理)是煤化作用和构造应力影响的结果。成大致相互垂直的两 组，主要的、延伸较大的一组叫面割理，次要的、与面割理大致垂直的一组叫端割 理。割理是煤中流体运移的主要通道，并且有方向性，因而它是控制煤层气方向渗 透的主要因素，割理间距是煤储层模拟中的一个重要参数。
煤层气地质学--方勇
不同类型的地质构造，在其形成过程中构造应力场特征及其内部应
力分布状况的不同，均会导致煤储层和封盖层的产状、结构、物性、裂
隙发育状况及地下水径流条件等出现差异并进而影响到煤储层的含气特 性。
煤层气有关的构造可归纳为向斜构造、背斜构造、褶皱—逆冲推覆
构造和伸展构造四个大类。
四、影响煤储层含气性的地质因素
发份含量和含水量减少，发热量和固定碳含量增加，同时也
生成了以甲烷为主的气体。 煤化作用要经历两个过程，即生物成因过程和热成因过 程。
二、煤储层及煤层气的物质组成 2.2 煤层气的化学组成
煤层气的化学组分有烃类气体（甲烷及其同系物）、非烃类气体 （二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢以及稀有气体氦、氩等）。 其中，甲烷、二氧化碳、氮气是煤层气的主要成分，尤以甲烷含量最高， 二氧化碳和氮气含量较低，一氧化碳和稀有气体含量甚微。
一般较为发育，渗透率为1.5~2.5×10－3μm２，普遍含水，对煤层气
的保存十分不利。一方面煤层气通过煤储层顶底板灰岩中的孔隙和裂 隙发生运移，另一方面它又被灰岩中地下水径流带走。
砂岩类型
砂岩顶底板，总体上不利于煤层气的保存，但因其成分、结构 的不同及成岩后生作用的差异，对于煤储层的封盖能力变化极大。
二、煤储层及煤层气的物质组成
2.4煤储层的物质组成
煤储层系由煤基质块（被裂隙切割的最小基质单元）、 气、水（油）三相物质组成的三维地质体。
煤基 质块
煤 储 层
煤岩 和矿物质 游离气（气态） 吸附气（准液态） 吸收气（固溶体） 水溶态（溶解气）
裂隙、大孔隙中的自由水， 显微裂隙、微孔隙和芳香层缺陷内的束缚水 与煤中矿物质结合的化学水
4.3构造类型
浅谈我国煤层气的基本储层特点与开发对策
浅谈我国煤层气的基本储层特点与开发对策摘要：全球埋深浅于2000米的煤层气资源约为240万亿立方米，是常规天然气探明储量的两倍多，世界主要产煤国都十分重视开发煤层气。
美国、英国、德国、俄罗斯等国煤层气的开发利用起步较早。
中国煤层气资源丰富，可采资源量约10万亿立方米，累计探明煤层气地质储量1023亿立方米，可采储量约470亿立方米。
全国95%的煤层气资源分布在晋陕内蒙古、新疆、冀豫皖和云贵川渝等四个含气区。
了解我国煤层气的基本储层特点，有助于对煤层气的开发利用。
关键词：煤层气储层特点开发对策煤层气俗称瓦斯，是指与煤炭共伴生、赋存于煤层及围岩中、以甲烷为主要成分的混合气体，是一种新型的清洁能源和优质的化工原料。
煤层气的化学组成有烃类气体，例如甲烷及其同系物、非烃类气体，例如二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢以及稀有气体。
其中，甲烷、二氧化碳、氮气是煤层气的主要化学成分，尤其是甲烷的含量最高。
煤层气的热值是普通煤的2-5倍，与天然气的热值相当，1立方米的纯煤层气的热值相当于1.13千克的汽油，1.21千克标准煤。
可以与天然气混输混用，而且燃烧后很清洁，几乎不产生任何的废气，是上好的工业、化工、发电、居民生活燃料。
煤层气也可用作民用燃料、工业燃料、发电燃料、汽车燃料和重要的化工原料。
用途很广泛。
没标准立方煤层气大约相当于9.5度电、3立方米水煤气、1升的柴油、接近0.8千克的液化石油气，1.2升的汽油。
中国煤层气资源丰富，居世界第三。
每年在采煤的同时排放的煤层气在130亿立方米以上，合理抽放的量应可达到35亿立方米左右，除去现已利用部分，每年仍有30亿立方米左右的剩余量，加上地面钻井开采的煤层气50亿立方米，可利用的总量达80亿立方米，约折合标煤1000万吨。
如用于发电，每年可发电近300亿千瓦时。
在国际能源局势趋紧的情况下，作为一种优质高效清洁能源，煤层气的大规模开发利用前景诱人。
煤层气的开发利用还具有一举多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应；有效减排温室气体，产生良好的环保效应；作为一种高效、洁净能源，产生巨大的经济效益。
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(CH 4 )daf
100 (M ar 100
Aar )
(CH 4 )ar
(CH 4 )d
100 M ar 100
(CH 4 ) ar
(CH 4 ) ad
100 M ar 100 M ad
CH4—煤层含气量，cm3/g；
A、M—煤样灰分含量（%）和水分含量（%）；
ar、ad、d、daf—分别为原位基（收到基）、空气
北 芦岭井田模拟测井
Q 0.389d 0.305r 2.788rr 0.244
90~100 620~655
2260
自然伽玛 API
0
高岭石：7.85 蒙脱石：4.45 伊利石：86.68 绿泥石：94.86
0 纯水为0
0
4Hale Waihona Puke APIAPI二、数据预处理
1、深度校正
d
d 2
(d2
d)
h h
d1
h
d
d2
钻探
d/ 1 h/
d/ d/
2
测井
2、 煤层含气量基准换算
(CH 4 )ar
地震波形分类预测煤层裂隙
如果兰色类型的波形与煤层气富集有关，那么可以圈定 其范围，作为煤层气勘探的选区依据，其他颜色也如此
顶板砂岩
顶板泥岩
13-1煤层 11-2煤层
8煤层
顶板岩性解释Inline 252
第二节 测井响应解释煤层气含量
一、理论基础
煤层含气量随镜质组、惰质组含量及煤厚的增加而增加， 随煤体结构破碎程度的加大而增大，随变质程度和埋深的加深而 增加。煤岩组成直接影响到煤层（视）电阻率的高低，煤层体积 密度、力学性质与煤体结构相关，可直接从密度（伽玛伽玛）和 声波时差测井曲线上得到反映 。
干燥基、干燥基和干燥无灰基。
3、参数归一化处理 X X X min X max X min
X X Xb X max X min
X－煤层原始数据 Xmax、Xmin测井曲线剔除风化、氧化带后
物性响应的最大值、最小值 实测煤层含气量最大值、最小值 相应煤层埋深最大值、最小值；
Xb－标志层原始物性响应平均值；－预处理后的数据。
电性
·纯煤的自然伽玛值很低
自然伽玛测井
·粘土矿物的存在引起较高的读数，因为粘土矿物吸附天然放射性元素 ·其它灰成分，如细砂，通常对煤的自然伽玛读数无影响
密度测井(伽玛 伽玛测井)
·由于煤基质密度低，所以密度测井显示低密度值(高的视孔隙度) ·灰成分，如细粒石英，能引起密度值增高 ·与密度测井相关联的光电效应(Pe)曲线，在纯煤中为 0.17%-0.20%，灰成分会使其
潘三矿东四下山采区13煤层气含量平面分布图
32000
31500
31000
30500
30000 78000
78500
79000
79500
0.9 to 1.1 1.9 to 2.1 2.9 to 3.1 3.9 to 4.1 4.9 to 5.1 5.9 to 6.1 6.9 to 7.1
80000
子导电。 影响因素：煤级、水、矿物质、煤岩成分、层理方向、
风氧化程度
声波测井
中子测井 自然伽玛 能谱测井 中子伽玛 能谱测井
·在煤中显示高孔隙度(高传播时间) ·粘土矿物对煤的这些测井值无大影响，因为纯粘土与煤的孔隙度范围相同 ·其它灰成分，如细粒石英，可能降低煤的视孔隙度 ·在煤中常常显示高的视孔隙度，因为它常把煤中氢作为孔隙度的指示而显示 ·粘土矿物对煤的视孔隙度无大影响，因为粘土与煤的视孔隙度范围相同 ·其它灰成分，如细粒石英，可能降低煤的视孔隙度 ·在纯煤中显示低值 ·根据粘土中钾、钍、铀的贡献，粘土会增加仪器读数 ·其它灰成分，如细粒的砂，一般对应于低计数率 ·对煤的元素组成以高精度响应，通常足以识别煤中的碳和氢 ·灰成分（包括粘土矿物）具有指示更多元素的效应，增加的典型元素有硅、钙、铁、
第八章 煤储层的地球物理特征
第一节 煤层气测井方法 第二节 测井响应解释煤层气含量 第三节 测井响应评价煤体结构 第四节 煤储层渗透率预测
第一节 煤层气测井方法
一、测井属性
测井方法
表 8-1 煤在各种测井方法中的响应（Scholes，1993） 煤层的响应
电阻率测井
·纯煤的电阻率一般较高 ·煤中粘土(灰成分*)常常引起电阻率读数低，因为与粘土经常伴生的结合水增加了导
铝和钾
注：*灰成分指煤中能形成灰分的矿物成分
二、地震属性
地震属性分析技术
地震属性包括振幅、相位、速度、时间、AVO、 波阻抗、衰减系数和频率等.
地震反演煤体结构图
测井—地震 多属性定量 分析识别煤 层宏观结构
13-1煤层
构造煤
夹矸
C异常区
B异常区 A异常区
AVO技术探测煤层吸附气
AVO技术是利用CDP道集上地震反射波振幅随炮检距 的变化特征预测目的层段岩性和所含流体性质的技术
在成煤物质、沉积环境、煤变质程度、水分和矿物杂质含量相 似的煤层中，煤体结构愈破碎，煤层体积密度、杨氏模量愈低， 孔隙率愈大，甲烷含量愈高，煤层电阻率愈大，自然伽玛减弱， 而声波时差则相应增大。
纯煤、矿物质、水分和甲烷的物理性质
物质名称
有 褐煤的纯煤
机 质
烟煤的纯煤
无烟煤的纯煤
粘
无
土
机
矿
质
物
黄铁矿
4、逐步回归分析
表 4 数字测井与模拟测井拟合的煤层含气量回归方程
地
点
测井响应类型
回归方程
采 样自 变 相 关 总数 量 系 数
桃园 CQ-4 孔数字测井 Q 1.943d 1.921R 4.574 0.119t 1.219 6 4 0.9999
淮 芦岭 CQ-5 孔数字测井 Q 0.193d 1.050R 3.068 2.630t 2.610
极度增高(灰成分矿物的光电效应至少是煤的 10 倍)
煤传导电流的能力，通常以电阻率表示。 褐煤：电阻率10～100Ω·m，导电性好，属离子导电 低中煤级烟煤：电阻率4000-5000Ω·m，为不良导体 高煤级烟煤：电阻率为1000～10Ω·m 无烟煤：电阻率为10～0.0001Ω·m，导电性好，属电
水份
甲烷气体
电阻率 Ω•m
40~4000 100~5000 0.001~100
n×103
10-8~10-4 10-8~ n×102
104~109
物理性质
密度 g/cm3
1.10~1.25
声波时差 μm/s
1.25~1.35 400~560
1.35~1.50
2.00~2.60 180~250
5.05 1.00~1.22 0.0007168