淺析煤層氣藏形成與封存的條件

王龍龍

摘要：本文主要論述了煤層氣藏的形成與封存條件，保存條件主要指蓋層的封蓋能力和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素，在地質(zhì)歷史中地質(zhì)作用主要是通過改變地層的溫壓條件而改變吸附與解吸和吸附與溶解之間的平衡，挖制地層中的煤層氣的賦存形式，從而影響氣藏的保存；氣藏具有運(yùn)移能力強(qiáng)，運(yùn)移方式和形態(tài)多樣。

關(guān)鍵詞：煤層氣藏，封蓋要求，保存條件

1.引言

煤層氣屬非常規(guī)油氣資源，深化對(duì)其成生機(jī)理及成藏機(jī)理的研究，加速其勘探和開發(fā)，對(duì)改變能源結(jié)構(gòu)失調(diào)，提高能源利用效率具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

世界主要產(chǎn)煤國(guó)煤炭和煤層氣資源量表

2.含煤巖系與煤層氣藏的關(guān)系

煤層氣泛指賦存于可燃有機(jī)巖中的氣體，所以它的形成與賦存跟煤系地層及煤層的發(fā)育程度呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)。一般情況下煤系地層越發(fā)育，有機(jī)質(zhì)豐度越高，則煤層氣資源越豐富。在我國(guó)這種相關(guān)關(guān)系也是很明顯的，地史上石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、三迭—侏羅紀(jì)在中國(guó)是主要的聚煤期，這與我國(guó)煤層氣主要賦存產(chǎn)出于這些地層層位是一致的，在我國(guó)主要產(chǎn)煤區(qū)也是重要的煤層氣開發(fā)利用區(qū)，這也更充分的證實(shí)煤層氣賦存產(chǎn)自于富含有機(jī)質(zhì)的可燃的有機(jī)巖。

3.煤層氣的成分及其賦存狀態(tài)

（1）煤層氣的主要成分為甲烷，此外還含少量其他氣體。甲烷含量可達(dá)90%以上，是主要可利用成分。

（2）賦存狀態(tài)：煤層氣是一種在煤層成巖、變質(zhì)過程中自生自儲(chǔ)的非常規(guī)氣藏，它主要以游離狀態(tài)、吸附狀態(tài)和溶解狀態(tài)賦存在煤層及煤層地下水內(nèi)。

游離狀態(tài)的煤層氣，以自由氣體分子存在于煤層裂隙中，并可自由運(yùn)動(dòng)；吸附狀態(tài)的煤層氣，受分子引力的作用吸附于煤層微粒的內(nèi)表面；溶解狀態(tài)的煤層氣，主要賦存在煤層所含裂隙孔隙水中。這三種狀態(tài)下的煤層氣，在一定的壓力和溫度下處于平衡狀態(tài)，當(dāng)壓力和溫度變化時(shí)，彼此可以相互轉(zhuǎn)化。

4.煤層氣的形成及封存條件

煤層氣的形成包含生儲(chǔ)、保存兩個(gè)主要條件。前者是煤層氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，后者是煤層氣能否被保存成藏的地質(zhì)要素。煤層氣生儲(chǔ)主要受煤層厚度和煤巖變質(zhì)程度影響，而氣藏的保存則蓋層性質(zhì)、厚度和地質(zhì)構(gòu)造起主要作用。

（1）煤層的厚度

通過前面的論述，已知煤層氣與煤層屬共生關(guān)系，與煤層的發(fā)育程度關(guān)系極為密切，因此煤層氣的形成首先要有有機(jī)質(zhì)的富集，其次是有機(jī)質(zhì)的堆積要具備一定規(guī)模。一般來(lái)說(shuō)只要有煤層就會(huì)有煤層氣存在，但要達(dá)到成為氣藏的規(guī)模，可以說(shuō)煤層厚度及賦存規(guī)模是不可或缺的必備條件，煤層越厚對(duì)煤層氣藏的形成越有利。從2008年起，中石化華東石油局開始探索新能源領(lǐng)域，進(jìn)入河?xùn)|煤田南部區(qū)塊（延川南區(qū)塊）開展以煤層氣為主的非常規(guī)油氣勘探開發(fā)。河?xùn)|煤田南部區(qū)塊（延川南區(qū)塊）煤層總厚度達(dá)16m，含氣量11-23.4m/t，含氣飽和度76.5-90.8%，具有高壓、高滲、高含氣量、高飽和度等特征，是煤層氣開發(fā)的理想?yún)^(qū)域。

（2） 煤變質(zhì)程度

煤層氣的生成與煤化作用的演化過程關(guān)系密切，也就是說(shuō)煤層的生氣量和儲(chǔ)氣能力是受煤的變質(zhì)程度控制的。其表現(xiàn)主要在以下三個(gè)方面：

1、煤變質(zhì)程度較低時(shí)，有機(jī)質(zhì)（R0）<0.5%，尚處于生物化學(xué)生氣階段，處于此階段的煤層透氣性能良好，致使煤層氣容易逸散含氣量不高。例如，低變質(zhì)的褐煤，就很難形成有價(jià)值的煤層氣藏。

2、有機(jī)質(zhì)成熟度（R0）為0.8～2.5%是煤系有機(jī)質(zhì)主生氣期，期間煤化作用將發(fā)生第二～第四次躍變，煤中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)從以形成烴為主轉(zhuǎn)而為以裂化反應(yīng)為主，已經(jīng)形成的瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)而裂化為小分子氣態(tài)烴，生成大量非芳香組分的揮發(fā)分，后期則表現(xiàn)為以甲烷形式釋放大量氫為特征。這個(gè)時(shí)期對(duì)應(yīng)的煤化程度為煙煤-無(wú)煙煤-超無(wú)煙煤。

3、煤變質(zhì)程度過成熟，有機(jī)質(zhì)（R0）>6.5%，煤層已失去儲(chǔ)氣能力，不能形成煤層氣藏。對(duì)于超高變質(zhì)的超無(wú)煙煤，孔隙度很低，儲(chǔ)氣能力十分有限，不能形成煤層氣藏。

煤層中形成煤層氣首先決定于煤化作用程度和煤的顯微組分。一般煤化程度增高，產(chǎn)生的煤氣愈多。據(jù)原蘇聯(lián)學(xué)者研究，形成1t褐煤可產(chǎn)生68m3煤層氣；形成1t肥煤可產(chǎn)生230m3煤層氣；當(dāng)煤化程度達(dá)到無(wú)煙煤時(shí)，煤層氣產(chǎn)出量超過400m3?？梢娒簩託獾漠a(chǎn)出與煤層的煤化程度關(guān)系是相當(dāng)密切的。詳見下表：

（3）煤層埋藏深度

對(duì)煤層的煤化作用及地球物化特征起決定作用的主要因素是壓力和溫度，一方面溫度增高，可以改變煤化進(jìn)程，從而影響煤層氣的生成速率，另一方面壓力變化，可促使煤的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變煤層氣的賦存空間。

煤層的埋藏深度是壓力、地溫的主要來(lái)源，隨著埋藏深度的增加，壓力、地溫將不斷增大，受其長(zhǎng)期作用，煤層的煤化作用隨之加強(qiáng)，煤層結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)生變化，煤層產(chǎn)生的大量氣體充實(shí)游離于煤層中次生和原生的孔隙和裂隙中，并在地壓作用下吸附在煤層基粒的表面。一般情況下壓力、地溫增高，煤層的生儲(chǔ)條件會(huì)趨好，具體表現(xiàn)為煤層生儲(chǔ)氣量隨著埋藏深度的增加而有規(guī)律的增長(zhǎng)。反之，受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，當(dāng)煤層埋深減小，承壓也將發(fā)生變化，從而影響煤層氣藏的保存。

下面是湖南省紅衛(wèi)煤礦四層煤（無(wú)煙煤）在不同深度瓦斯含量的一組檢測(cè)值：

可見煤層的埋藏深度對(duì)煤層中煤層氣的生儲(chǔ)量影響是比較大的。

（4）儲(chǔ)集層及封蓋條件

煤層氣是自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣，煤層氣主要以吸附的方式儲(chǔ)集于基質(zhì)空隙的煤粒內(nèi)表面上，因此，煤層中煤層氣的豐度取決于煤層的孔隙率及孔隙的性質(zhì)和孔隙的發(fā)育特征。煤層在成巖、煤化過程中和受地質(zhì)應(yīng)力作用下本身具有由基質(zhì)空隙和節(jié)理空隙組成的雙孔隙系統(tǒng)，正是這樣為煤層氣的吸附儲(chǔ)藏提供了條件。

對(duì)于煤層氣藏，氣體主要以吸附態(tài)存在于煤層內(nèi)，氣藏壓力沒有明顯的取向性，因而它對(duì)蓋層的要求不如天然氣藏那樣嚴(yán)格。但良好的封蓋條件本來(lái)就是煤層得以保存的基本條件，因此合適的地層組合和圈閉構(gòu)造對(duì)煤層氣藏的形成仍然是一個(gè)重要條件，一個(gè)完整的圈閉構(gòu)造下保存下來(lái)的煤層將使吸附在煤層中的烴類氣體以吸附狀態(tài)較長(zhǎng)時(shí)間地保存在煤層中，減少其彌散流失。大量事實(shí)證明，煤層頂、底板巖石的透氣性和厚度對(duì)煤層氣的保存和逸散起著重要的作用。如我國(guó)遼寧撫順煤礦，煤系形成于新生代，其上部含煤組含有數(shù)十米至100m以上的厚煤層，煤層頂板為厚50～190m的褐色、暗褐色致密油頁(yè)巖，其上為300～600m的鈣質(zhì)頁(yè)巖，上覆巖層透氣性較差，盡管煤的煤化程度不高，由于封閉條件好，煤層氣只能沿煤層翹起端向上自煤層揭露帶逸散，據(jù)測(cè)開采1t煤煤層氣的排出量達(dá)21.4m2。與上述情況相反，在我國(guó)北京京西煤田，盡管煤化程度已達(dá)到無(wú)煙煤，但由于煤層頂部多為透氣性好的砂巖，且煤系遭受剝蝕，經(jīng)長(zhǎng)期逸散，使得煤層氣含量變小，礦井瓦斯涌出量低，煤層氣僅殘存于向斜核部的煤層內(nèi)。endprint

（5）地質(zhì)構(gòu)造條件

地質(zhì)構(gòu)造因素對(duì)煤層氣的生儲(chǔ)也起著重要的作用。含煤盆地所處的大地構(gòu)造位置及其構(gòu)造演化往往決定了煤層的發(fā)育賦存特征，因此，也就對(duì)煤層氣的形成和保存起著非常重要的主導(dǎo)作用。

一方面構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在很大程度上是影響地溫地壓變化的主導(dǎo)因素，在地殼抬升并遭受剝蝕時(shí)，往往目標(biāo)層的溫度壓力會(huì)逐漸降低，這時(shí)候煤層內(nèi)氣體的動(dòng)態(tài)平衡將被打破，煤層基粒對(duì)氣體的吸附能力降低會(huì)使飽和氣體向未飽和的氣體過度，或使飽和氣體達(dá)到過飽和而出現(xiàn)游離；相反，在地殼下降接受沉積時(shí)，目標(biāo)層在壓力溫度的升高的影響下，煤層內(nèi)氣體的動(dòng)態(tài)平衡同樣會(huì)被打破，這時(shí)主要的表現(xiàn)形式是煤層基粒對(duì)氣體的吸附能力會(huì)逐漸加強(qiáng)，使游離氣向吸附氣轉(zhuǎn)化，一般來(lái)說(shuō)這種情況下對(duì)煤層氣豐度的提升是有利于的。

另一方面構(gòu)造運(yùn)動(dòng)又在不斷的對(duì)地殼的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行著改造，一般來(lái)說(shuō)陸殼內(nèi)部盆地的穩(wěn)定性大，由于穩(wěn)定地塊的保護(hù)，使得煤系的形成和形變往往未受到造山運(yùn)動(dòng)的破壞，在這種背景下對(duì)于煤層及煤層氣的生成和保存是有利的。在未遭受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞的地區(qū)及未遭受剝蝕的背斜軸部、上隆的地壘塊段或被反向斷層切割的斷層下盤，由于煤層氣被構(gòu)造圈閉，有利于煤層氣聚集，因而煤層中瓦斯含量會(huì)增高。而強(qiáng)烈的造山運(yùn)動(dòng)，往往伴隨著地層的褶皺隆起，或使含氣構(gòu)造上覆蓋層被改造破壞，或致煤層圍巖產(chǎn)生大量構(gòu)造裂隙，導(dǎo)致煤層氣的賦存空間遭受破壞，使得煤層氣逸散。

結(jié)束語(yǔ)

煤層氣的形成和封存條件是多種地質(zhì)因素共同作用的結(jié)果，在討論其生成與賦存條件時(shí)，必須綜合考慮各種地質(zhì)因素的影響，以及在整個(gè)地質(zhì)發(fā)展過程中不同的因素在不同地史階段所起作用的大小，只有在充分分析研究這些地質(zhì)要素的基礎(chǔ)上，我們才能對(duì)煤層中煤層氣的富集程度作出較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，繼而為合理開發(fā)利用這部分資源提供切實(shí)可行的方案。

參考文獻(xiàn)

[1]陳榮書.袁炳存《天然氣地質(zhì)學(xué)》武漢地質(zhì)學(xué)院出版社.1986-10

[2] 袁榮.周興熙：化學(xué)動(dòng)力學(xué)與南華北盆地煤層氣資源

[3] 王少昌.試論華北地區(qū)上古生界煤成氣淺層氣藏形成的地質(zhì)條件

[4]“六五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目；煤成氣開發(fā)研究成果報(bào)告；地質(zhì)礦產(chǎn)部石油地質(zhì)研究所.1985-11

[5]李增學(xué).魏久傳.劉瑩.《煤地質(zhì)學(xué)》地質(zhì)出版社：2005-01endprint