低煤階煤煤層氣地質(zhì)研究綜述

楊忠亮

摘 要：我國(guó)低煤階煤層氣具有廣闊的勘探和開(kāi)發(fā)前景，但是低煤階煤層氣井產(chǎn)氣量目前僅占煤層氣產(chǎn)量的5%左右，主要原因是對(duì)低煤階煤層氣地質(zhì)條件的研究不夠深入。本文從煤層氣成因、儲(chǔ)層特征以及成藏條件等方面分析了低煤階煤煤層氣地質(zhì)研究現(xiàn)狀，以期更好地促進(jìn)低煤階煤煤層氣開(kāi)采工作的開(kāi)展。

關(guān)鍵詞：低煤階;煤層氣;儲(chǔ)層;含氣量

中圖分類號(hào)：P618.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）20-0081-03

Summary of Geological Study on Low Coal Rank Coal Seam Gas

YANG Zhongliang

（Exploration Institute of Guangdong Coal Geology Bureauu， China National Adminisration of Coal Geology，Guangzhou Guangdong 510440）

Abstract： China's low-rank coalbed methane has broad prospects for exploration and development， but the gas production of low-rank coalbed methane wells currently accounts for only about 5% of coalbed methane production. The main reason is that the research on low-rank coalbed methane geological conditions is not deep enough. This paper analyzed the current status of low coal rank coalbed methane geological research from the aspects of coalbed methane genesis， reservoir characteristics and reservoir forming conditions， in order to better promote the development of low coal rank coalbed methane mining.

Keywords： low coal rank;coalbed methane;reservoir;gas content

低煤階主要指的是長(zhǎng)焰煤及褐煤，鏡質(zhì)組最大反射率（[RO，max]）介于0.20%～0.65%。我國(guó)低階煤主要分布在吐哈盆地（吐魯番盆地和哈密盆地的統(tǒng)稱）、準(zhǔn)格爾盆地、二連盆地以及海拉爾盆地等[1]。雖然這些區(qū)域的煤層氣含量不高，但是煤層賦存厚度大，透氣性較高，煤層氣總量巨大。我國(guó)低煤階煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量約占煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量的40%，勘探和開(kāi)發(fā)前景廣闊[2]，但是低煤階煤層氣井產(chǎn)氣量?jī)H占煤層氣產(chǎn)量的5%左右，主要原因是對(duì)低煤階煤層氣地質(zhì)條件的研究不夠深入。因此，本文綜述了現(xiàn)階段低煤階煤層氣的地質(zhì)研究情況，并提出有益建議，以期早日實(shí)現(xiàn)低煤階煤層氣地質(zhì)研究的突破。

1 低煤階煤層氣成因

煤層氣成因可以具體歸結(jié)為生物成因、熱成因、混合成因以及運(yùn)移熱成因等。低煤階煤層氣的熱成因占比較低，具體來(lái)說(shuō)，低煤階煤層氣的成因可以歸結(jié)為以下幾類[3-5]。

1.1 生物成因

生物成因?yàn)槊簩託獬梢虻闹鲗?dǎo)因素，近些年對(duì)生物成因的研究取得顯著成果。生物成因主要發(fā)生的條件為：煤層埋深小于500m、溫度低于56℃（最佳溫度介于36～42℃）、環(huán)境還原性強(qiáng)、pH值介于6.8～7.8、含鹽度在400mg/L。生物成因區(qū)域煤巖體早期的熱演化程度普遍不高，煤體的[RO，max]一般小于0.50%，煤體還處于成巖階段早期，煤體中孔隙基本被水體占據(jù)，吸附氣體含量低，熱作用仍未發(fā)生，上覆未覆蓋厚度大、密閉性強(qiáng)的巖體，煤層氣的主要成因是生物成因作用，總體來(lái)看，煤層的煤層氣含量較低。例如，吐哈盆地、海拉爾盆地等的煤層氣含量較低，在0.5～3.2m3/t。

1.2 次生生物成因

在準(zhǔn)格爾盆地南部、柴達(dá)木盆地等區(qū)域，次生生物成因在煤層氣的形成過(guò)程中發(fā)揮主導(dǎo)作用，熱成因僅起輔助作用。這些區(qū)域的[RO，max]介于0.50%～0.65%，仍處于熱解產(chǎn)氣階段早期，部分煤分子鏈斷裂，地質(zhì)構(gòu)造作用造成早期熱損失嚴(yán)重，熱成因煤層氣量占比低，僅起到輔助作用。在地質(zhì)構(gòu)造作用下，煤體向上抬升，處于風(fēng)化帶，這個(gè)位置滿足次生物成因條件，在甲烷菌作用下，大量的次生氣產(chǎn)生，煤層氣出現(xiàn)聚集。

1.3 混合成因

混合成因是低煤階煤層氣的成因之一。例如，東北的撫順煤田早期處于煤、油共生階段，埋深較淺的處于高勢(shì)的氣藏被破壞后，深部的烴源巖產(chǎn)生的常規(guī)氣通過(guò)運(yùn)動(dòng)聚集至地勢(shì)低的低煤階煤體中，成為該地區(qū)低煤階煤層氣的主要成因。重碳同位素相仿是判斷該地區(qū)低煤階煤層氣與油氣受混合成因影響的重要依據(jù)。

2 低煤階煤層氣儲(chǔ)層特征

2.1 儲(chǔ)層孔隙

現(xiàn)階段，煤層氣儲(chǔ)層的孔隙發(fā)育特征研究已經(jīng)較為細(xì)化。蔚遠(yuǎn)江研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)格爾盆地低煤階煤層氣儲(chǔ)層控制分布在宏觀上表現(xiàn)為網(wǎng)狀交叉，連通性和交叉性較好，是煤層氣良好的運(yùn)移通道，在孔隙微觀方面，低煤階煤層氣儲(chǔ)層裂隙主要表現(xiàn)為寬度小于5μm，長(zhǎng)度小于300μm，連通性差，不連續(xù)裂隙，其次是寬度小于5μm，長(zhǎng)度在1～300μm的裂隙[6]。

低煤階煤層氣儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙較為發(fā)育，以生物孔隙為主，孔隙變化較為明顯。對(duì)于褐煤來(lái)說(shuō)，孔隙度分布范圍為5.3%～32%，平均在14.76%;對(duì)于長(zhǎng)焰煤來(lái)說(shuō)，隙度分布范圍為0.8%～27.5%，平均在8.4%。當(dāng)[RO，max]小于0.65%時(shí)，孔隙度會(huì)伴隨著[RO，max]增加呈現(xiàn)出先降低后增高趨勢(shì);當(dāng)[RO，max]在0.5%附近時(shí)，儲(chǔ)層中孔隙度最低，具體變化如圖1所示[7]。除了儲(chǔ)層本身變質(zhì)程度外，儲(chǔ)層中的各個(gè)組分含量也對(duì)孔隙度發(fā)育有輕微影響。

低煤階煤層氣儲(chǔ)層孔隙可以細(xì)分為氣孔、碎屑顆粒間孔隙以及植物組織孔隙等，而對(duì)于孔隙分布特性，傳統(tǒng)的研究認(rèn)為低煤階煤層氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)以大孔（1 000μm以上）及中孔（100～1 000μm）為主，以微孔（10μm以下）及過(guò)度孔（10～100μm）為輔。

2.2 流動(dòng)特性

低煤階煤層氣儲(chǔ)層對(duì)煤層氣的吸附、解析、滲流以及擴(kuò)散等特性主要表現(xiàn)為六個(gè)方面。一是低煤階煤層氣儲(chǔ)層的吸附孔量少、吸附能力低、煤分子本身芳化程度低，導(dǎo)致儲(chǔ)層對(duì)氣體（CH4、N2、CO2等）吸附平衡時(shí)間短、吸附氣體的含量量小，如圖2所示。

二是儲(chǔ)層的解吸效率和解析速度等均較大，解吸后剩余的殘余氣體量少。主要原因是低煤階煤層氣儲(chǔ)層具有較高的孔隙度、滲透率和含氣飽和度，解吸時(shí)的游離煤層氣具有較高的滲流速度，導(dǎo)致吸附的煤層氣進(jìn)一步解吸。同時(shí)，儲(chǔ)層孔隙的壓差傳遞效率高、封閉性差，導(dǎo)致微觀孔隙表面吸附的煤層氣具有很高的解吸速度和解吸量。

三是儲(chǔ)層煤層氣解吸時(shí)具有雙峰特性，主要跟儲(chǔ)層孔隙類型有關(guān)。低煤階煤層氣儲(chǔ)層孔隙類型以大孔、中孔為主，在解吸煤層氣中，儲(chǔ)層內(nèi)生裂隙將中孔與大孔連通，會(huì)造成解吸出現(xiàn)第一次峰值;當(dāng)外生裂隙與內(nèi)生的大、中孔隙連通后，解吸再次快速升高，出現(xiàn)第二次峰值。

四是儲(chǔ)層存在的吸附滯后現(xiàn)象明顯，解吸與吸附間的吻合性差異明顯，對(duì)甲烷的吸附和解吸呈現(xiàn)不可逆性。主要原因是儲(chǔ)層內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)以大、中孔為主，孔隙形狀以細(xì)頸瓶孔、開(kāi)放孔為主，孔隙的兩端開(kāi)口小，內(nèi)腔大，加劇了孔隙吸附滯后現(xiàn)象。

五是相對(duì)于高煤階煤層氣儲(chǔ)層，低煤層儲(chǔ)層具有擴(kuò)散系數(shù)高、擴(kuò)散量低等特點(diǎn)，主要原因是低煤階煤層氣儲(chǔ)層小孔、過(guò)度孔隙不發(fā)育，孔隙的比表面積小，吸附的煤層氣量低，從而造成擴(kuò)散量低，而且儲(chǔ)層的大、中孔隙發(fā)育度高，具有較好的連通性，利于煤層氣擴(kuò)展，從而造成擴(kuò)散率和擴(kuò)散系數(shù)均較高。

六是低煤階煤層氣儲(chǔ)層的煤層氣運(yùn)移通道以基質(zhì)孔隙為主，運(yùn)移形態(tài)表現(xiàn)為低速非線性，總體的滲透率較低。例如，在調(diào)兵山和阜新等低煤階煤層氣儲(chǔ)層中，煤層氣井試井時(shí)，儲(chǔ)層滲透率分布大多位于2×10-5～6×10-4μm2，滲透率受儲(chǔ)層埋深影響明顯，埋深越大，滲透率越低。

2.3 含氣特性

儲(chǔ)層的含氣類型主要為儲(chǔ)層中宏觀裂隙、滲流孔以及微觀裂隙中的游離煤層氣，吸附孔內(nèi)部的吸附氣體以及溶解在儲(chǔ)層水中的煤層氣等。低煤階煤層氣儲(chǔ)層具有高滲透性、低吸附等特點(diǎn)，導(dǎo)致儲(chǔ)層中的煤層氣含量一般較低。例如，寧縣煤層氣井煤層氣儲(chǔ)層實(shí)測(cè)含氣量在1.97m3/t以下，準(zhǔn)東地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層的含氣量在1m3/t以下。但是，某些地區(qū)儲(chǔ)層具有較好的生物氣補(bǔ)充條件和儲(chǔ)層儲(chǔ)氣條件，因此具有較高的煤層氣含量。例如，淮南市低煤階煤層氣儲(chǔ)層的煤層氣含量在2～10m3/t，局部區(qū)域煤層氣含量接近15m3/t。由此可以看出，儲(chǔ)層的氣源補(bǔ)給條件和保存條件是影響低煤階煤層氣含量的關(guān)鍵因素。

3 低煤階煤層氣成藏分析

隨著低煤階煤層勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，低煤階煤層氣成藏研究日益增加，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，煤層氣生成條件和儲(chǔ)層存儲(chǔ)特性是煤層氣是否富集成藏的關(guān)鍵影響因素。研究表明，煤層氣儲(chǔ)層的賦存特性與地質(zhì)構(gòu)造、沉積特征以及水文環(huán)境等有關(guān)。

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造包括構(gòu)造分異、構(gòu)造演化以及煤層變形等，它們都會(huì)造成煤層氣儲(chǔ)層和周邊圍巖性質(zhì)發(fā)生明顯變化，打破儲(chǔ)層原有的平衡狀態(tài)，使得煤層氣富藏區(qū)遷移。因而，在對(duì)煤層氣成藏進(jìn)行分析時(shí)，人們應(yīng)重點(diǎn)剖析地質(zhì)構(gòu)造升降期間的煤層氣賦存特性、儲(chǔ)層特性等變化。

3.2 沉積體系

沉陷相及沉積體系控制著煤層氣儲(chǔ)層厚度、頂?shù)装鍘r性，影響儲(chǔ)層儲(chǔ)氣特性和煤層氣成藏位置。從頂?shù)装鍋?lái)看，泥巖儲(chǔ)層的煤層氣含量一般高于砂巖儲(chǔ)層，主要原因是泥巖封內(nèi)裂隙不發(fā)育，封閉效果好。

3.3 地下水

地下水對(duì)煤層成藏的位置調(diào)整和改造具有重要影響，還影響煤層氣存儲(chǔ)條件。當(dāng)水動(dòng)力條件較為活躍、水礦化程度低時(shí)，地下水使得大量甲烷菌繁殖發(fā)育，利于生物成氣，同時(shí)在水動(dòng)力條件下，水中有機(jī)物對(duì)甲烷進(jìn)行吸附并攜帶甲烷遷移，在巖性圈封閉或者存在水力封堵的條件下，煤層氣儲(chǔ)層的含氣量高;反之，當(dāng)水動(dòng)力條件差、水體礦化程度高時(shí)，儲(chǔ)層的煤層氣含量較低，如吐哈盆地沙爾湖地區(qū)。另外，當(dāng)煤層的含水量較小時(shí)，采用排水降壓方式進(jìn)行煤層氣開(kāi)采，難以使得煤層氣儲(chǔ)層的壓力降低至解吸壓力之下，造成煤層氣開(kāi)采困難。

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