游离气

煤层气地质学术语

处于游离状态的煤层气,它服从一般气体状态方程,可自由运移。煤层中游离气量取决于储气孔隙和裂隙空间的大小以及温度、压力、气体压缩率等因素。在一定温度与压力条件下,孔(裂)隙内的游离气量与吸附气体量处于动态平衡状态。游离气在煤岩基块内可因浓度差发生扩散,到宽度超过气体分子自由程的裂隙中,气体可因压力差而发生渗透。为开采煤层气,必须先令吸附气解吸,成为游离气,经扩散与渗透进入煤层气井中。

研究现状

煤系地层生成的烃类气体除一小部分被煤岩本身吸附形成煤层气以外，其大部分运移出来，或溶于水形成水溶气，或游离于储层储集空间之中形成常规气藏。相对于后者，煤层气和水溶气统称为非常规气藏。本书中的游离气指后者，即游离于储层储集空间之中的、由煤系地层生成的天然气。

除组成差异之外，游离气与油型气最大的区别在于其母质和其初次运移，而在二次运移、聚集以及成藏后生演化等方面差别不大。因此有关游离气的早期研究集中在其生成方面，并且常常和煤成油联系在一起。

游离气的二次运移主要有分子扩散、渗流和脉冲式混相涌流等三种方式。其运移方向、距离、时间、通道等的定性研究常采用烃类组成、同位素组成、生物标志物、自生矿物包裹体及自生矿物转化程度等方法。定量研究常根据综合考虑应力场、温度场和压力场三场耦合的成藏动力场各类模型计算求得。

游离气成藏对盖层的要求较高，特别是盖层的封盖能力(可用排替压力和孑L喉结构分布来表征)。而且成藏后的生物化学作用、热化学作用和断裂活动等地质作用可能会对气藏起到破坏作用。天然气藏形成与保存是一个动态过程。地壳中天然气扩散作用十分普遍，它是天然气运移和散失的重要机理。它贯穿于天然气生成、运移、聚集和保存的整个过程。由于天然气自身固有的特点，天然气的扩散和渗滤作用极为活跃。郝石生等(1988，1991，1993，1994)通过对天然气藏形成过程中天然气向气藏的充注和通过盖层散失的关系及其对于成藏过程的影响的系统研究，提出了天然气的运聚动平衡原理。他们认为在气藏形成过程中存在着两个同时发生的过程，一个是气源岩中生成的天然气通过初次运移和二次运移进入圈闭；另一个是聚集在圈闭中的天然气因扩散等原因不断通过盖层散失。当来自气源岩(包括油裂解气)的天然气补充量大于通过盖层的散失量时，圈闭中的天然气就不断富集；反之，圈闭中的天然气就不断减少甚至枯竭。天然气成藏过程一直处于这种“聚”和“散”动态过程中，所发现的天然气藏只是这种“聚”和“散”的动态过程的一种暂时的中间结果。天然气运聚过程中这种“聚”和“散”之间的动态关系，制约着天然气的赋存状态和富集程度。

游离气理论的出现和发展，已使其成为我国天然气勘探的重要领域。在鄂尔多斯盆地已经发现了大型气田，在渤海湾盆地的苏桥、乌马营、文留地区、孤北以及高古4井均已发现以古生界煤系地层为烃源岩的游离气藏。沁水与这些地区的地质背景有一定相似，亦应具备形成游离气田(藏)的基本条件，具有煤系地层游离气的良好勘探前景。

总的看来，国内外游离气地质研究有如下发展趋势：①十分重视煤系有机质的来源和显微组成，并将其与生烃潜力、产气量紧密联系起来。②分析化验不断采用先进技术，如天然气中微量生物标志物的富集与分析、单体烃同位素分析、含氮化合物分析等。③采用系统动态的观点，将游离气的生运聚散作为一个动态演化的系统，对该系统的研究不断由定性、半定量向定量化方向发展。④模拟实验更为符合实际，不仅模拟不同显微成分的生烃演化规律，而且对煤系地层烃类排出、二次运移直至聚集的过程都进行了实验探索，获得了多项参数。⑤对煤层本身的储集性能和封盖能力有了进一步的认识。

游离气及其含量的影响因素

游离气是指储存在煤层孔隙或裂隙中能自由运移的天然气。这部分气体服从一般气体方程，其量的大小取决于孔隙体积、温度、气体压力和气体压缩系数。

早在1961年，VanKrevelen就明确提出煤中存在大孑L隙系统、微孔隙系统和超微孔隙系统，并认为大孔隙系统主要由裂隙组成。煤层的储集空间包括基质孔隙(内生裂隙和外生裂隙)两部分。

基质孔隙

基质孔隙是有机质成煤时，未被矿物质及其他物质充填的植物细胞，多发育于丝质和木质丝炭中。由于微孔隙赋存于煤的颗粒之间，因而是煤层吸附气的主要储集空间。

基质孔隙的发育程度与煤的变质程度和煤岩显微组分密切相关，归纳起来有三个方面的关系：

(1)孔隙直径与变质程度的关系

随着变质程度的提高，小孔隙和微孔隙的比例逐渐增加，相应地中孔隙和大孔隙的比例逐渐减小，即低变质阶段的煤以中一大孔隙为主，随着煤向高变质程度的演化，小一微孔隙逐渐占据主要地位。

(2)总孔隙度与变质程度的关系

朱之培等(1984)、李明潮等(1990)系统研究了总孔隙度与变质程度的关系，发现由长焰煤演变到焦煤和瘦煤阶段，总孔隙度由0．084m3/t减小到0．045m3/t；而演化至无烟煤阶段，总孔隙度又重新上升，达到0．088m3/t。

(3)不同显微组分总孔隙度发育特征

研究发现，在高挥发性烟煤阶段，丝质组孔隙性最好，镜质组也有较好的孔隙性，而稳定组分孔隙最不发育。如乌鲁木齐矿区43—45号煤层，光亮煤基本不含丝质组，其孔隙度较小，仅为2．22%，而暗淡煤中丝质组含量高达66%，孔隙度可达7．14%。因而，处于这一演化阶段的煤层具有较高的吸附气含量。

就总孔隙度发育程度而言，煤中各显微组分孔隙度具有丝质组>镜质组>壳质组的特点。丝质组中大孔、中孔、小孔较发育，孔隙直径一般为(50～500)X 10。10m；镜质组以小孔和微孔隙为主，孔隙直径为(20～200)×10-10m；稳定组中很少见到孔隙。

裂隙

煤的裂隙是指在成煤作用过程中，煤受到自然界各种应力的影响所形成的裂开现象。按照成因不同，可以分为内生裂隙和外生裂隙两种类型。

(1)内生裂隙

内生裂隙是煤化作用过程中，煤中的凝胶化物质受到温度、压力等因素的影响，体积均匀收缩产生内张力而形成的一种裂隙。也有学者认为，内生裂隙是煤层在封闭状态下，由于生成的气体导致较高的内压力而产生的裂隙(秦建中等，2000)。内生裂隙的发育程度随变质程度的不同而呈现规律性的变化(图9—5)。一般情况下，中变质烟煤的内生裂隙最发育，如焦煤的内生裂隙最多，5cm有30一40条，有时高达50。60条，而气煤只有10—15条，无烟煤一般少于10条；处于同一变质阶段的煤，镜质组的内生裂隙最发育，壳质组的内生裂隙次之，丝质组的最差。

(2)外生裂隙

外生裂隙是煤层形成之后，在构造应力场的作用下形成的裂隙。按应力的性质可以划分为剪裂隙、张裂隙、张扭裂隙和压扭裂隙。

剪裂隙沿最大切应力方向出现，并具有延伸远，走向稳定的特点，常随主应力的闭合而转向，煤层的剪裂隙一般是闭合的，在煤层中常形成剪切带，分别由微细密集的羽状张裂隙或羽状剪裂隙组成，前者多发育在性脆质硬的煤中，后者多发育在性较软的煤中。

张裂隙是受拉张作用产生的、具垂直张应力方向的裂隙，延伸不远，尖灭快。在空间上分布不均匀。

张扭裂隙通常是由剪裂隙在张应力作用下，产生明显张开扩展延伸而成。

压扭裂隙在煤层中不甚发育。

外生裂隙与内生裂隙相比，具有延伸较远、连通性好的特点，是煤层渗透率的主要贡献者(Mekee等，1986)。所以，外生裂隙通常是游离气的运移通道，它的存在对煤层气的开发较为有利。

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