我國煤層氣富集地質(zhì)條件與成藏特征研究論文

　　煤層是煤層氣的氣源巖，又是煤層氣的儲集巖。作為源巖，要求煤層具有一定的厚度和成熟度，煤層厚度大，可保證煤層氣的生成量。熱演化程度是有機(jī)質(zhì)向煤層轉(zhuǎn)化的必要條件，陸生高等植物沉積埋藏后，在泥炭化和煤化作用過程中都有氣體生成，但各階段生氣量和氣體組分有較大差別。
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我國煤層氣富集地質(zhì)條件與成藏特征研究

　　1 引言

　　煤層氣是在煤化作用過程中形成并賦存在煤層中的以甲烷為主的混合氣 ，既包括煤巖中顆粒基質(zhì)表面吸附氣、割理和裂隙游離氣和煤層水中溶解氣，也包括在開采中煤層內(nèi)常規(guī)薄儲集層中聚集的天然氣[3]。煤層氣與常規(guī)天然氣最根本的區(qū)別在于其源于儲層又儲于煤層，可謂“自生自儲”，氣體以吸附形式賦存于煤孔隙介質(zhì);后者源于常規(guī)烴源巖，大多經(jīng)過運(yùn)移聚集在儲集巖中，可謂“他生他儲”，氣體主要以游離氣方式存在。

　　我國地質(zhì)歷史上聚煤期有14個(gè)，主要聚煤期有7個(gè)，分別為早石炭世、石炭―二疊紀(jì)、晚二疊世、晚三疊世、早―中侏羅世、白堊紀(jì)、古近紀(jì)和新近紀(jì)。煤炭資源分布不均導(dǎo)致我國煤層氣資源地區(qū)差異顯著。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國的煤層氣資源量和技術(shù)可采資源量分布基本一致，主要集中在中部和西部地區(qū)，東部和華南地區(qū)分布較少。中部的晉陜蒙含氣區(qū)煤層技術(shù)可采資源量最大，占全國技術(shù)可采資源量的47.88%;西部的北疆含氣區(qū)次之，占26.98%;華南含氣區(qū)最小 。

　　2 煤層氣富集的地質(zhì)條件

　　煤層氣屬于自儲型天然氣，煤層既是生氣層又是儲集體，因此煤層氣的分布受構(gòu)造、沉積等條件控制。儲集條件、構(gòu)造條件和保存條件等因素相互聯(lián)系和制約，共同影響儲層性質(zhì)、氣體吸附量和含氣飽和度。

　　2.1 儲集條件

　　煤層是煤層氣的氣源巖，又是煤層氣的儲集巖。作為源巖，要求煤層具有一定的厚度和成熟度，煤層厚度大，可保證煤層氣的生成量。熱演化程度是有機(jī)質(zhì)向煤層轉(zhuǎn)化的必要條件，陸生高等植物沉積埋藏后，在泥炭化和煤化作用過程中都有氣體生成，但各階段生氣量和氣體組分有較大差別。煤化作用的低―中變質(zhì)階段(R=0.5%～2.0%)，干酪根經(jīng)過熱降解生成重?zé)N、輕烴及甲烷等揮發(fā)物;貧煤和無煙煤階段(R>2.0%)，干酪根演化過成熟，有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱降解和熱裂解作用，主要產(chǎn)生甲烷;若演化程度太低(R<0.45%)，生物氣生成量少且不易保存，很難形成煤層氣藏。形成煤層氣藏的煤層主要是低―高煤階煤層，最常見的為中―高煤階煤層。煤層儲集空間和滲透率是氣體賦存的關(guān)鍵，煤儲層儲集空間由煤基質(zhì)孔隙和天然裂隙系統(tǒng)兩部分組成?；|(zhì)孔隙是煤層氣儲存的主要空間，天然裂隙系統(tǒng)則是煤層氣滲流運(yùn)移的主要通道?；|(zhì)滲透率小，天然裂隙系統(tǒng)是煤層滲透率的決定因素。同時(shí)原地應(yīng)力和煤層埋藏深度也影響滲透率[7-8]。

　　2.2 構(gòu)造條件

　　構(gòu)造條件對煤層甲烷含量的控制是間接的，應(yīng)力狀態(tài)、構(gòu)造形態(tài)、邊界條件和構(gòu)造演化等因素對煤層甲烷含量有重要影響。構(gòu)造活動活躍，引起煤層升降及破碎變形，改變煤層溫、壓條件，打破原有平衡，容易導(dǎo)致氣體散失而不易保存，相反穩(wěn)定沉積地區(qū)煤層氣含量多、分布穩(wěn)定，如沁水盆地三疊紀(jì)沉積穩(wěn)定，既有利于煤系區(qū)域整體變質(zhì)和煤層氣的大量生成，又保證了煤層氣的穩(wěn)定保存。斷層性質(zhì)和規(guī)模影響煤層含氣量，正斷層常形成煤層氣運(yùn)移逸散通道，造成斷層附近煤層氣含氣量降低，如位于鄂爾多斯盆地東緣南部王家?guī)X井田與趙家灣井田在煤層埋深和煤級相近的條件下，由于前者斷層極為發(fā)育，其煤層含氣量僅是后者的1/6，逆斷層常形成側(cè)向封堵有利于煤層氣富集。褶皺對煤層氣的封存與聚集具有明顯的控制作用[10]，一般向斜軸部煤層甲烷含量高而背斜軸部含量低。構(gòu)造應(yīng)力場狀態(tài)也是影響煤層氣含量的另一重要因素，應(yīng)力釋放，割理容易產(chǎn)生并處于開啟狀態(tài)從而利于煤層氣的運(yùn)移和儲存。

　　2.3 保存條件

　　良好的封蓋層和及有利的水文地質(zhì)條件等是煤層氣富集的重要因素[11]。

　　(1)蓋層

　　蓋層對煤儲層氣體的封閉作用有三種機(jī)制：毛細(xì)管封閉、壓力封閉和烴濃度封閉。毛細(xì)管封閉和壓力封閉可以阻止氣體運(yùn)移，烴濃度封閉主要是阻止氣體的擴(kuò)散。蓋層毛細(xì)管封閉能力的大小取決于排驅(qū)壓力，壓力封閉能力受控于滲透率，而烴濃度封閉能力與擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系密切。不同巖性的封閉能力有很大的差別，屏蔽層的代表巖性為鹽巖、泥巖、致密泥灰?guī)r和灰?guī)r;半屏蔽層的代表巖性為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖;透氣層的代表巖性為粉砂巖、砂巖和裂隙灰?guī)r。區(qū)域性蓋層穩(wěn)定分布且厚度大于5m，有利于阻止煤層氣的運(yùn)移和散失。沁水盆地晉試1井主力煤層氣含量高達(dá)30m3/t，這與上覆一套連續(xù)分布、厚達(dá)50余米的泥巖蓋層有直接關(guān)系。

　　(2)水文地質(zhì)條件

　　水文地質(zhì)條件對煤層氣藏的封閉作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是有利的承壓水條件可以有效的抑制煤儲層淺部風(fēng)化帶向深部的延伸;二是在水動力不活躍的條件下承壓水充填在煤系周圍灰?guī)r或砂巖中，對煤層氣藏形成封閉，有效的阻止煤層氣的散失。

　　3 煤層氣的成藏特征

　　3.1 煤層氣的生成機(jī)理

　　傳統(tǒng)的煤層氣成因類型包括：熱成因、生物成因、混合成因等，生物成因煤層氣主要形成于煤化作用早期階段即泥炭沼澤或低煤級煤(褐煤)階段。大量生物氣生成所需要的條件是：缺氧、低溫、低硫酸鹽、高PH值、淺埋深、適當(dāng)?shù)目紫犊臻g、含有大量有機(jī)質(zhì)的迅速沉積環(huán)境。生物氣生成通過兩個(gè)途徑，一是還原二氧化碳，二是甲基類發(fā)酵(醋酸發(fā)酵)。熱成因煤層氣主要形成于煤層由低煤階向高媒階演化的過程中，隨埋深增加，溫度和壓力也增大，煤層中熱解揮發(fā)以甲烷為主熱解烴類。

　　3.2 煤層氣的賦存機(jī)理 　　煤層中煤層氣賦存量關(guān)系到煤層氣在煤層中的流動規(guī)律。煤層氣以溶解氣、游離氣和吸附氣三種方式賦存于煤層的孔隙、裂隙系統(tǒng)中。割理的孔隙度一般都較小且被水充滿，其中溶解氣、游離氣較少，主要作為煤層氣滲流運(yùn)移的通道。煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在于煤的基質(zhì)微孔中，吸附氣含量占90%～95%以上。游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)處于此消彼長、動態(tài)平衡過程。

　　3.3 煤層氣的運(yùn)移機(jī)理

　　煤層氣藏是一種壓力圈閉氣藏，其運(yùn)移指煤儲層內(nèi)氣體的解吸擴(kuò)散滲流過程，其結(jié)果是煤層氣的相對富集和貧化。煤層氣的開發(fā)實(shí)際上也經(jīng)歷了解吸、擴(kuò)散、滲流三個(gè)階段，首先煤基質(zhì)內(nèi)表面上吸附的煤層氣因孔隙壓力降低而解吸，擴(kuò)散至裂隙中轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x氣，然后由于裂隙和井孔之間的壓力梯度及濃度梯度產(chǎn)生煤層氣滲流，最終由煤層氣井產(chǎn)出。

　　4 我國煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　我國煤層氣的開發(fā)利用起步較晚，始于20世紀(jì)50年代，20世紀(jì)70年代末至90年代初為煤層氣勘探開發(fā)試驗(yàn)初期和煤層氣井下抽放利用階段，自20世紀(jì)90年代初到現(xiàn)在，我國煤層氣開發(fā)進(jìn)入引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)煤層氣勘探開采試驗(yàn)全面展開階段，尤其是中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司成立后，中國煤層氣勘探開發(fā)進(jìn)入了規(guī)劃管理、有序發(fā)展、基礎(chǔ)研究和開發(fā)并舉的階段 。

　　我國當(dāng)前不合理的能源結(jié)構(gòu)嚴(yán)重制約著我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，以煤為主的消費(fèi)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，此背景下我國煤層氣的開采利用具有很大的前景。同其他國家一樣，我國煤層氣工業(yè)將以井下抽放和地面排采并行的方式生產(chǎn)，一方面改進(jìn)井下抽放技術(shù)提高效率，另一方面大力開展地面排采試驗(yàn)。劉洪林等利用翁氏旋回法、龔珀茲法和歷史趨勢預(yù)測法等三種方法進(jìn)行了中長期預(yù)測(表1)。

　　總體看來，三種方法的預(yù)測結(jié)果均顯示未來50年煤層氣產(chǎn)量將保持高速增長。根據(jù)我國煤層氣發(fā)展速度及政策導(dǎo)向，預(yù)測我國煤層氣產(chǎn)量將經(jīng)過緩慢、快速和穩(wěn)定三個(gè)階段的增長期。

　　5 總結(jié)

　　(1)煤層條件、構(gòu)造背景和保存條件控制煤層氣富集程度。煤層既是源巖又是儲層，構(gòu)造背景是煤層氣藏形成的必要條件，保存條件是現(xiàn)今煤層氣藏存在的前提。

　　(2)煤層氣成因類型包括生物成因、熱成因、混合成因等，煤層氣以游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)動態(tài)平衡方式賦存于儲集空間內(nèi)，其運(yùn)移機(jī)理包括解吸、擴(kuò)散、滲流三個(gè)階段。

　　加大投入與扶持力度，有利于實(shí)現(xiàn)我國煤層氣的可持續(xù)發(fā)展，這也符合當(dāng)前能源發(fā)展的需求。