煤系气储层纳米级微孔超压环境的形成机制研究

Coal measures gas reservoir refers to coal, shale and sandstone in the coal bearing formation, which is characterized by the prevalence of microporous. For the existence of fluid, these microporous got abnormally high capillary pressure,which cause a different understanding of coal measures gas occurrence conditions.The study of microporous overpressure environment is not only an important supplement to coal measures gas geological theory, which has important significance of coal measures gas resources, but also the exploration of more significance, which may cause updating of CBM exploration concept. This project take the Permo Carbonniferous coal measures gas reservoirs as the research object, where the exploration of coalbed methane has been concentrated in Shanxi Province, and use the methods of site investigation, laboratory study and theoretical analysis to research. Firstly, identify each coal measures gas reservoirs porosity development and controlling factors; secondly, reveal the formation conditions of microporous overpressure environment, explore the formation mechanism, and clear the conditions of exploring shallow shale and tight sandstone gas; finally, evaluating coal measures gas resources based on microporous overpressure environment.

煤系气储层是指含煤岩系中的煤、泥页岩和致密砂岩，这类岩层以纳米级微孔普遍存在为特征。在这些微孔中由于流体的存在产生的异常高毛管压力，造成了对煤系气赋存环境条件的认识与以往明显不同。对这种微孔超压环境的研究，不仅是煤系气地质理论的重要补充，具有重要的煤系气资源意义；更加有开发意义，可能会引起煤层气开发理念的更新。本项目以煤层气开发比较集中的山西省境域内的石炭二叠系煤系气储层为研究对象，采用现场调研、实验室实验和理论分析相结合的研究方法展开研究。首先，查明煤系气各类储层孔隙发育特征及其控制因素；其次，揭示微孔超压环境的形成条件，探讨其形成机制，明确浅层泥页岩和致密砂岩气的可开发条件；最后建立基于微孔超压环境的煤系气资源评价方法。

对于煤层和煤系页岩层而言，在其形成演化过程中不断有部分固体有机质转化为气体和水，在煤系气储层孔隙内必然会出现气水两相界面，由此产生毛管压力，孔隙内游离气体承受的压力不仅包括储层压力，而且包括毛管压力。这种孔隙压力环境在地质历史时期的演化规律将直接影响到含气量的演化历史、影响到现今的煤系气的赋存乃至运移产出。以煤系气储层孔裂隙特征和孔隙压力环境的研究为前提，结合“四史演化”，揭示了煤系气储层孔隙压力环境的演化机制。死孔隙压力由于生烃作用处于超压状态，而连通孔隙压力在生烃作用期间表现为超压，后期由于地层抬升导致煤系气散失，孔隙压力下降，但毛管压力的作用导致其仍然处于超压状态。利用理想气体状态方程、兰氏方程和亨利定律，结合拉普拉斯方程，推导出了基于微孔超压环境下游离气、吸附气和溶解气的计算公式，建立了微孔超压环境下的含气量计算方法，并对宿南向斜下石盒子组SN-01区块的煤系气资源量进行了计算评价，进一步提高了资源量计算的可靠性。对基于微孔超压环境的煤系气运移产出机制进行了重新梳理，查明了超压环境对饱和单相水流阶段和不饱和单相水流阶段影响较大，远高于储层的孔隙压力迫使煤层气和煤系页岩气在解吸后先溶解于水中，直至水中溶解气达到饱和才有气泡出现，气泡在压差的驱动下低速非线性渗流运移至割理/裂缝，同时将孔隙内的水驱赶至割理/裂缝，在这一过程中孔隙压力逐渐降低，孔隙内的超压环境逐渐得以解除，气水两相流阶段流体的运移不再受到超压环境的影响。基于微孔超压理论的煤系气运移产出机理对煤系气开发工程具有很多启示。首先，煤系气井排采的第一阶段时间要尽量长些，尽量把有可能多的水排出，形成大范围的压降漏斗。其次，是对气液两相流阶段割理/裂缝中的速敏和段塞流控制，不仅可以通过压裂液来控制水锁、速敏、段塞流，也可以通过优化排采强度来控制。煤系气储层纳米级微孔超压环境的形成机制研究，是煤系气地质理论的重要补充，具有重要的煤系气资源意义，更具有开发意义，可能会引起煤系气勘探开发理念的更新。