我国煤层气富集地质条件与成藏特征研究论文

2017-03-17

我国煤层气富集地质条件与成藏特征研究

1 引言

煤层气是在煤化作用过程中形成并赋存在煤层中的以甲烷为主的混合气，既包括煤岩中颗粒基质表面吸附气、割理和裂隙游离气和煤层水中溶解气，也包括在开采中煤层内常规薄储集层中聚集的天然气[3]。煤层气与常规天然气最根本的区别在于其源于储层又储于煤层，可谓“自生自储”，气体以吸附形式赋存于煤孔隙介质;后者源于常规烃源岩，大多经过运移聚集在储集岩中，可谓“他生他储”，气体主要以游离气方式存在。

我国地质历史上聚煤期有14个，主要聚煤期有7个，分别为早石炭世、石炭―二叠纪、晚二叠世、晚三叠世、早―中侏罗世、白垩纪、古近纪和新近纪。煤炭资源分布不均导致我国煤层气资源地区差异显著。统计结果显示，我国的煤层气资源量和技术可采资源量分布基本一致，主要集中在中部和西部地区，东部和华南地区分布较少。中部的晋陕蒙含气区煤层技术可采资源量最大，占全国技术可采资源量的47.88%;西部的北疆含气区次之，占26.98%;华南含气区最小。

2 煤层气富集的地质条件

煤层气属于自储型天然气，煤层既是生气层又是储集体，因此煤层气的分布受构造、沉积等条件控制。储集条件、构造条件和保存条件等因素相互联系和制约，共同影响储层性质、气体吸附量和含气饱和度。

2.1 储集条件

煤层是煤层气的气源岩，又是煤层气的储集岩。作为源岩，要求煤层具有一定的厚度和成熟度，煤层厚度大，可保证煤层气的生成量。热演化程度是有机质向煤层转化的必要条件，陆生高等植物沉积埋藏后，在泥炭化和煤化作用过程中都有气体生成，但各阶段生气量和气体组分有较大差别。煤化作用的低―中变质阶段(R=0.5%～2.0%)，干酪根经过热降解生成重烃、轻烃及甲烷等挥发物;贫煤和无烟煤阶段(R>2.0%)，干酪根演化过成熟，有机质发生热降解和热裂解作用，主要产生甲烷;若演化程度太低(R<0.45%)，生物气生成量少且不易保存，很难形成煤层气藏。形成煤层气藏的煤层主要是低―高煤阶煤层，最常见的为中―高煤阶煤层。煤层储集空间和渗透率是气体赋存的关键，煤储层储集空间由煤基质孔隙和天然裂隙系统两部分组成。基质孔隙是煤层气储存的主要空间，天然裂隙系统则是煤层气渗流运移的主要通道。基质渗透率小，天然裂隙系统是煤层渗透率的决定因素。同时原地应力和煤层埋藏深度也影响渗透率[7-8]。

2.2 构造条件

构造条件对煤层甲烷含量的控制是间接的，应力状态、构造形态、边界条件和构造演化等因素对煤层甲烷含量有重要影响。构造活动活跃，引起煤层升降及破碎变形，改变煤层温、压条件，打破原有平衡，容易导致气体散失而不易保存，相反稳定沉积地区煤层气含量多、分布稳定，如沁水盆地三叠纪沉积稳定，既有利于煤系区域整体变质和煤层气的大量生成，又保证了煤层气的稳定保存。断层性质和规模影响煤层含气量，正断层常形成煤层气运移逸散通道，造成断层附近煤层气含气量降低，如位于鄂尔多斯盆地东缘南部王家岭井田与赵家湾井田在煤层埋深和煤级相近的条件下，由于前者断层极为发育，其煤层含气量仅是后者的1/6，逆断层常形成侧向封堵有利于煤层气富集。褶皱对煤层气的封存与聚集具有明显的控制作用[10]，一般向斜轴部煤层甲烷含量高而背斜轴部含量低。构造应力场状态也是影响煤层气含量的另一重要因素，应力释放，割理容易产生并处于开启状态从而利于煤层气的运移和储存。

2.3 保存条件

良好的封盖层和及有利的水文地质条件等是煤层气富集的重要因素[11]。

(1)盖层

盖层对煤储层气体的封闭作用有三种机制：毛细管封闭、压力封闭和烃浓度封闭。毛细管封闭和压力封闭可以阻止气体运移，烃浓度封闭主要是阻止气体的扩散。盖层毛细管封闭能力的大小取决于排驱压力，压力封闭能力受控于渗透率，而烃浓度封闭能力与扩散系数关系密切。不同岩性的封闭能力有很大的差别，屏蔽层的代表岩性为盐岩、泥岩、致密泥灰岩和灰岩;半屏蔽层的代表岩性为砂质泥岩、泥质粉砂岩;透气层的代表岩性为粉砂岩、砂岩和裂隙灰岩。区域性盖层稳定分布且厚度大于5m，有利于阻止煤层气的运移和散失。沁水盆地晋试1井主力煤层气含量高达30m3/t，这与上覆一套连续分布、厚达50余米的泥岩盖层有直接关系。

(2)水文地质条件

水文地质条件对煤层气藏的封闭作用主要表现在两个方面，一是有利的承压水条件可以有效的抑制煤储层浅部风化带向深部的延伸;二是在水动力不活跃的条件下承压水充填在煤系周围灰岩或砂岩中，对煤层气藏形成封闭，有效的阻止煤层气的散失。

3 煤层气的成藏特征

3.1 煤层气的生成机理

传统的煤层气成因类型包括：热成因、生物成因、混合成因等，生物成因煤层气主要形成于煤化作用早期阶段即泥炭沼泽或低煤级煤(褐煤)阶段。大量生物气生成所需要的条件是：缺氧、低温、低硫酸盐、高PH值、浅埋深、适当的孔隙空间、含有大量有机质的迅速沉积环境。生物气生成通过两个途径，一是还原二氧化碳，二是甲基类发酵(醋酸发酵)。热成因煤层气主要形成于煤层由低煤阶向高媒阶演化的过程中，随埋深增加，温度和压力也增大，煤层中热解挥发以甲烷为主热解烃类。

3.2 煤层气的赋存机理煤层中煤层气赋存量关系到煤层气在煤层中的流动规律。煤层气以溶解气、游离气和吸附气三种方式赋存于煤层的孔隙、裂隙系统中。割理的孔隙度一般都较小且被水充满，其中溶解气、游离气较少，主要作为煤层气渗流运移的通道。煤层气主要以吸附状态存在于煤的基质微孔中，吸附气含量占90%～95%以上。游离态、吸附态、溶解态处于此消彼长、动态平衡过程。

3.3 煤层气的运移机理

煤层气藏是一种压力圈闭气藏，其运移指煤储层内气体的解吸扩散渗流过程，其结果是煤层气的相对富集和贫化。煤层气的开发实际上也经历了解吸、扩散、渗流三个阶段，首先煤基质内表面上吸附的煤层气因孔隙压力降低而解吸，扩散至裂隙中转变为游离气，然后由于裂隙和井孔之间的压力梯度及浓度梯度产生煤层气渗流，最终由煤层气井产出。

4 我国煤层气开发现状及发展趋势

我国煤层气的开发利用起步较晚，始于20世纪50年代，20世纪70年代末至90年代初为煤层气勘探开发试验初期和煤层气井下抽放利用阶段，自20世纪90年代初到现在，我国煤层气开发进入引进国外先进技术煤层气勘探开采试验全面展开阶段，尤其是中联煤层气有限责任公司成立后，中国煤层气勘探开发进入了规划管理、有序发展、基础研究和开发并举的阶段。

我国当前不合理的能源结构严重制约着我国经济的可持续发展，以煤为主的消费结构严重污染大气环境，此背景下我国煤层气的开采利用具有很大的前景。同其他国家一样，我国煤层气工业将以井下抽放和地面排采并行的方式生产，一方面改进井下抽放技术提高效率，另一方面大力开展地面排采试验。刘洪林等利用翁氏旋回法、龚珀兹法和历史趋势预测法等三种方法进行了中长期预测(表1)。

总体看来，三种方法的预测结果均显示未来50年煤层气产量将保持高速增长。根据我国煤层气发展速度及政策导向，预测我国煤层气产量将经过缓慢、快速和稳定三个阶段的增长期。

5 总结

(1)煤层条件、构造背景和保存条件控制煤层气富集程度。煤层既是源岩又是储层，构造背景是煤层气藏形成的必要条件，保存条件是现今煤层气藏存在的前提。

(2)煤层气成因类型包括生物成因、热成因、混合成因等，煤层气以游离态、吸附态、溶解态动态平衡方式赋存于储集空间内，其运移机理包括解吸、扩散、渗流三个阶段。

加大投入与扶持力度，有利于实现我国煤层气的可持续发展，这也符合当前能源发展的需求。

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