我國低煤階煤煤層氣地質(zhì)研究綜述

郭曉策

中石油煤層氣有限責(zé)任公司韓城分公司

我國低煤階煤煤層氣地質(zhì)研究綜述

郭曉策

中石油煤層氣有限責(zé)任公司韓城分公司

低階煤是煤化作用早期階段形成的產(chǎn)物，通常指煤巖鏡質(zhì)組反射率小于0.65%的煤，主要包括褐煤和長焰煤。我國以低煤階煤為主的沉積盆地分布廣泛，主要分布在西部地區(qū)的早中侏羅世含煤盆地，如準噶爾盆地、吐哈盆地等。對低煤階煤層氣藏的成因類型和成藏模式進行研究，這將為解決我國低煤階煤層氣開發(fā)的瓶頸問題提供一定的理論依據(jù)。基于此，文章就我國低煤階煤煤層氣地質(zhì)進行研究分析。

低煤階；煤層氣；地質(zhì)

1.低階煤產(chǎn)氣機理

理論上，一個區(qū)塊只要具有一定煤層厚度和煤層氣含量條件，即有可能采取一定措施從地面采出煤層氣。對于低階煤，由于煤層氣含量低，首要問題是氣體在儲層壓力降低時，能否還有氣體解吸脫離出煤基質(zhì)。即只有在低階煤的解吸氣體能力足夠大時，才仍可能有部分氣體從低含氣量煤層中解吸出來。煤層氣吸附屬于物理吸附，固體對氣體的物理吸附中，吸附-解吸過程可逆，吸附能力強，則解吸能力弱。

2.低階煤儲層特性分析

2.1 孔裂隙特征

低階煤基質(zhì)孔隙度較大，以原生生物孔隙為主，孔隙度變化范圍較大，褐煤孔隙度為5.31%～31.91%，平均為14.76%；長焰煤孔隙度為0.79%～27.46%，平均為8.41%。在Ro，max＜0.65%情況下，孔隙率隨著Ro，max增大先減小后增大，當Ro，max為0.50%左右時，孔隙率最小，原因為Ro，max＜0.5%時，成巖作用造成沉積物不斷脫水與壓實，因而孔隙率減少。Ro，max＞0.5%時，成巖作用結(jié)束生烴作用開始，煤中易揮發(fā)物質(zhì)熱解，在煤中不斷產(chǎn)生氣孔，加之煤化作用，早期瀝青產(chǎn)生的量較少，孔隙被瀝青堵塞的并不明顯，因此導(dǎo)致孔隙率后段增大。除煤變質(zhì)程度外，煤巖組分對低階煤孔隙度也有微弱影響。

2.2 流動特征

在總結(jié)前人研究成果基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)低階煤的吸附、解吸、擴散、滲流特性主要表現(xiàn)在以下方面：

1)吸附時間短且集中，無論何種氣體(CO2、CH4、N2)，低階煤吸附平衡時間最短，其原因為低階煤中吸附孔含量較小，且分子的芳構(gòu)化程度低，煤固體表面對氣體分子的吸附能力相對較低，導(dǎo)致低階煤的吸附氣含量少，吸附時間短。

2)相對解吸速率大，解吸效率較高，解吸過程的殘余量較少，其原因一方面為低階煤具有高的孔隙度、較高的含氣飽和度及良好的滲透率，游離氣的滲流速度較好，將促進吸附氣的解吸，另一方面為微孔具有封閉性弱、壓差傳遞效率高的特點，因此微孔表面吸附的氣體解吸量與解吸速率很高。

3)解吸具有雙峰的特征，這取決于孔隙類型，低階煤普遍以中孔和大孔為主，解吸過程中當內(nèi)生裂隙溝通中大孔會造成第1次解吸峰值出現(xiàn)，當與外生裂隙連通時會造成解吸量的再次升高。4)存在明顯吸附滯后現(xiàn)象，吸附與解吸吻合性差，對甲烷的吸附和解吸表現(xiàn)出非可逆性，其原因為兩端開口的孔及口小內(nèi)腔大的墨水瓶形狀的孔具有吸附滯后現(xiàn)象，而低階煤大、中孔分布豐富，孔隙形態(tài)以開放孔、細頸瓶孔為主。

2.3 含氣性

低煤階儲層以吸附氣和游離氣為主，含有部分溶解氣，含氣量隨埋深增加呈現(xiàn)快速增加—緩慢增加—不增加—緩慢減小的變化特征，含氣量臨界深度受流體壓力影響較小，受溫度影響較為顯著；游離氣與水溶氣含量均隨之增加，在原位煤層氣含量中比例也隨之增多，但溶解氣量在任何深度下的貢獻都十分微弱，含氣量構(gòu)成由吸附氣量高于游離氣量轉(zhuǎn)換為游離氣量高于吸附氣量；在其他地質(zhì)條件相似的條件下，由于吸附氣的轉(zhuǎn)換深度及游離氣的“停滯深度”均隨含水飽和度的增大而變淺，導(dǎo)致吸附氣量與游離氣量之間“等量點”深度隨含水飽和度的增大而逐漸向淺部遷移；在特定埋深下，若地應(yīng)力場與地溫場相似，總含氣量(吸附氣量與游離氣量總和)臨界深度也表現(xiàn)出類似規(guī)律。

3.低煤階煤層氣成藏富集規(guī)律

一般認為，在低煤階煤層氣成藏主控因素中，同中高煤階一樣，構(gòu)造因素是最為直接的控氣因素；成煤環(huán)境主要影響煤儲集層的生氣潛力、儲集性能及滲透性；水文地質(zhì)條件對低煤階煤層氣的生成(包括二次生烴)、運移、富集均具有一定的控制作用；三者有利匹配則有利于低煤階煤層氣的成藏和勘探開發(fā)。

而含煤層氣系統(tǒng)作為一個能量動態(tài)平衡系統(tǒng)，成藏過程的實質(zhì)是流體壓力系統(tǒng)逐漸調(diào)整的地質(zhì)過程，這個過程涉及到熱力場、儲層彈性能量場、表面勢能場以及地應(yīng)力場等宏觀和微觀耦合調(diào)控。煤層氣作為能量動態(tài)平衡系統(tǒng)中自生自儲的非常規(guī)天然氣儲層，因濃度差而擴散，因壓力差而滲透，因此，煤儲層中任何一處煤層氣始終處于動態(tài)平衡的運移狀態(tài)，區(qū)別在于擴散和滲透能力及范圍的大小。

低煤階煤層氣的成藏富集影響因素是多方面的，富集區(qū)的位置及范圍也是處于動態(tài)變化中的，因此，需要用動態(tài)的觀點來探討我國低煤階煤層氣勘探思路和成藏模式，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)成煤沉積體系、沉積相以及沉積類型控制著煤層厚度和分布特征、煤儲層的非均質(zhì)性和頂?shù)装鍘r性類型和范圍。因此，同一沉積體系中不同的沉積相和沉積類型、不同準層序組類型及其組合、物源隨時間的變遷等條件都會導(dǎo)致成煤或生氣物質(zhì)基礎(chǔ)的不同。2)不同類型的地質(zhì)構(gòu)造，會形成不同應(yīng)力大小及應(yīng)力場分布特征，這樣均會導(dǎo)致煤儲層和封蓋層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、物性、裂隙發(fā)育狀況的不同，從而影響含煤盆地中不同構(gòu)造類型之間的轉(zhuǎn)換、地下水徑流條件的改變和煤層氣富集區(qū)位置的遷移等。3)生物成因作為低煤階煤層氣藏的重要補給來源，不管是CO2的還原作用還是醋酸、甲醇等的發(fā)酵作用，水動力條件對其生氣能力及儲存能力影響很大，而在此過程中，生物成因煤層氣的生氣和富集條件都會隨著季節(jié)和溫度的變化而變化。

綜上，我國低煤階煤層氣資源巨大，但與現(xiàn)階段在該煤級領(lǐng)域進行的煤層氣勘探開發(fā)力度不甚匹配，煤層氣成礦選區(qū)準確度不高。所以，需要加強這方面技術(shù)的研究，從而更好地促進我國低煤階煤層氣的開發(fā)。

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[2]王剛，楊曙光，張娜，舒坤.新疆低煤階煤層氣的特殊地質(zhì)條件及研究方向[J].中國煤層氣，2016，04：7-10.