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准噶尔盆地南缘阜康地区煤系气原位赋存特征研究

煤系气；吸附气；游离气；阜康；相态转换

准噶尔盆地阜康凹陷及其周缘是盆内油气富集区之一，侏罗系既是重要的储集层也是主要的烃源层，发育以煤成气为主要气源的多层系常规和非常规含气系统，具有丰富的油气资源，全盆地有近1/3～1/2的油气资源集中分布于该层系中，是准噶尔盆地最主要的勘探目的层之一。煤系气主要由煤层气、页岩气和致密砂岩气组成，煤层气、页岩气均主要以吸附气、游离气和极少量的溶解气三种形式赋存，致密砂岩气主要以游离气和极少量溶解气形式赋存，溶解气含量极小，通常认为原位含气量是吸附气与游离气含量之和。深部的吸附气和游离气赋存状态的动态转化对于煤系气的“共探合采”具有重要的现实意义。

       按照Gibbs吸附理论，实验测试得到的吸附量是一个过剩概念，过剩吸附量为吸附空间内超过游离相密度的那部分气量，而绝对吸附量为吸附空间内的所有气体含量，即煤系储层中的实际吸附量(Feng et al.,2020)。全部有效储集空间内既包括游离气赋存空间，又包括吸附气赋存空间，因此在计算游离气含量时应考虑吸附气的存在会占据并降低游离气的储集空间，需要对游离气储集空间进行体积校正，扣除吸附相体积内重复计算的游离气含量，可以得到真实的游离气含量。本研究以准噶尔盆地南缘阜康地区D3井、D2井及D6井为例，统计了三口钻井的相关地质信息，研究表明阜康地区中下侏罗统地层埋深约4500~7000m，地层发育超压系统，压力梯度为1.79~2.07MPa/km，平均1.79MPa/km，地温梯度为2.13~2.24℃/100m，平均为2.19℃/100m，通过对煤岩和泥页岩进行甲烷等温吸附实验，煤岩兰氏体积为14.23~17.36cm³/g，平均16.0cm³/g，兰氏压力2.97~3.65MPa，平均3.13MPa；泥页岩兰氏体积为7.85~10.24cm³/g，平均8.23cm³/g，兰氏压力为1.64~2.03MPa，平均1.85MPa。煤岩孔隙度为3.87~7.54%，平均5.22%；泥页岩孔隙度为2.65~6.96%，平均3.95%；致密砂岩孔隙度为4.77~9.23%，平均6.24%。煤岩视密度为1.28~1.41g/cm³，平均1.35g/cm³；泥页岩视密度为2.71~3.05g/cm³，平均2.94g/cm³；泥页岩视密度为2.39~2.54g/cm³，平均2.45g/cm³。甲烷吸附相密度选用范德华方程常数0.373g/cm³(Tian et al.,2020)，游离气量通常直接利用煤系储层总孔隙度和不同温压条件下游离气密度（ρ_gas）进行计算，游离气密度（ρ_gas）是根据(Setzmannb & WagnerC,1991)提出的状态方程（EOS）计算得到，这些结果可以在美国国家标准与技术研究所的网站查询。

       由图1阜康地区北部煤系气原位赋存能力与埋藏深度的关系可知，吸附气量不随含水饱和度的增加而变化，游离气量随含水饱和度的增加下降明显，其中煤层游离气量随含水饱和度由10%增加到40%，最大游离气量由14.40cm³/g降低到9.60cm³/g，煤层气相态转化深度由 1400m降低到2000m；泥页岩最大游离气量由5.00cm³/g降低到3.33cm³/g，煤层气相态转化深度由2000m降低到3200m；致密砂岩最大游离气量由9.48cm³/g降低到6.32cm³/g；煤系气最大游离气量由28.88cm³/g降低到19.25cm³/g，煤系气相态转化深度由1200m降低到1600m，这主要是因为致密砂岩气几乎均为游离气，累计的相态转化深度带较煤层气和页岩气相态转换带较浅。

       吸附气赋存在浅部区域对储层压力响应敏感，而在深部区域对储层温度响应敏感；游离气赋存则对储层压力响应明显，而对温度响应非常微弱。因此，浅部区域（埋深＜1200m）的低温条件有利于吸附气赋存，但低的储层压力条件不利于游离气储集，故形成吸附气优势带；在埋深1200~3200m区域，较高地层温度对吸附气赋存的负效应和较高储层压力对游离气赋存的正效应均开始不断显现，随之形成了由吸附气为主逐渐转换为游离气为主的优势赋存相态转换带；至深部区域（埋深＞3200m），储层高温条件对吸附气赋存的负效应显著，而该区域的高储层压力条件对游离气赋存有利，形成游离气优势赋存带。

       吸附气与游离气赋存的优势深度带及其二者之间转换规律对煤系气勘探开发具有启示意义。对于浅部煤系储层，勘探过程中应注重寻找适合吸附气赋存的低地温和高储层压力条件，开发过程中需合理制定降压解吸方案，以最大程度动用吸附气含量。对于深部煤系储层，勘探过程中应注重寻找适合游离气赋存的完好圈闭保存条件和超压储层，开发过程中采用有效的储层改造技术引导大量游离气扩散、渗流至井筒，这也是形成煤系气井初期高产的关键。