煤層氣成藏機理、開采技術及研究方向

呂 瑞，陳培元，田佳麗

（1.西南石油大學資源與環境學院，四川成都 610500；2.中國石油西南油氣田塔里木油氣工程分公司，新疆庫爾勒 841000）

煤層氣是一種吸附在煤層中的天然可燃氣體，其資源總量與常規天然氣相當。煤層氣作為一種新型能源，具有潔凈、方便、高效等特點，其開發利用可以在一定程度上彌補常規天然氣資源量的不足；同時由于煤層氣俗稱“瓦斯”，一直以來，瓦斯事故給煤礦企業帶來了巨大的經濟損失，加大煤層氣的開采可以有效的降低煤礦瓦斯的災害程度；另外對煤層氣的開采可以有效的減少溫室氣體的排放，降低溫室效應[1-5]。目前，美國、澳大利亞、英國等國的煤層氣發展比較迅速，美國作為世界上最大的煤層氣產量國，無論在理論和技術上都優于其他國家。我國也具有豐富的煤層氣資源，開發潛力巨大。但是我國煤層氣開發利用較晚，尤其在相關政策、理論支持、關鍵技術以及配套設施方面都存在著一定的缺陷，這些嚴重制約著我國煤層氣的開采和利用。

1 成藏機理

煤層氣作為非常規天然氣藏的一種主要類型，與常規天然氣藏相比，在成藏特征方面既有相似性，同時又存在著明顯的區別。煤層氣的氣體來源主要是來自生物氣與熱成熟氣，與常規天然氣最大的差別在于常規天然氣可以是原油裂解氣；煤層氣是貯存于煤層及其鄰近圍巖之中的一種自生自儲式非常規天然氣，儲集層具有低孔低滲的特征。主要以吸附狀態、游離狀態和溶解狀態三種形式賦存在煤層中，其中以吸附狀態為主，可以使煤層中的烴類氣體較長時間的以得以保存，減少氣體的散失。另外，煤層氣的分布具有其獨特的特點，通常情況下只要有煤層存在的地方就有煤層氣的分布。

煤層氣的成藏機理主要包含煤層氣的生成、儲集與賦存以及煤層氣的運聚成藏三個過程。就煤層氣的生成機理而言，傳統的煤層氣成因主要包含熱成因、生物成因與混合成因三種類型[6]，孫贊東（2011）認為煤層氣的成因機制主要有生物成因和熱成因兩種。就干酪根類型而言，煤層主要表現為III型干酪根，具低氫高氧含量，以含多環芳烴及含氧官能團為主，飽和烴很少，對生油不利，但可成為有力的生氣來源，在演化過程中生成的烴類主要為CH4。生物成因和熱成因煤層氣的主要形成過程（見圖1）。生物成因的煤層氣主要形成在煤化作用的早期階段，缺氧、低溫、低硫酸鹽、高pH值、淺埋深、較大的孔隙度以及重組有機質的快速沉積是大量生物成因氣生成所需的主要條件[7]。通常情況下生物成因煤層氣持續形成時間長，可以在有機質埋藏后的幾萬年之內一直形成。生物成因氣又可以劃分為原生與次生兩種類型，其中原生生物成因氣，生成在相對低溫且埋藏較淺時，通常Ro＜0.3%，原生的生物成因氣可以呈吸附或者游離狀態保存在煤層中，或者可以溶解在分子水中，成為煤結構的一部分。次生的生物成因氣可以形成各種中低煤中（Ro＜1.7%）。從區域上來看，在盆地的邊緣地帶有利于次生生物成因氣的形成。由于生物成因氣一般形成在較淺的煤層環境中，通常在經歷了埋藏和煤化作用后在地殼抬升的作用下出露地表遭受不同程度的剝蝕，與大氣降水進行交換，從而使攜帶有細菌的水進入到煤層中。近年來隨著美國Powder River盆地最先發現和開采次生生物成因煤層氣，各個國家對次生生物成因的煤層氣的研究逐漸增多。在目前已開采和發現的煤層氣藏中熱成因的煤層氣所占的比例要大于生物成因的煤層氣。熱成因煤層氣主要形成于煤層由低煤階向高煤階演化的過程中，這個時期隨著埋深增加，溫度和壓力隨之增加，煤層中富氫富氧的揮發性物質脫出釋放，煤變得富碳，同時煤層中熱解揮發出以甲烷為主的熱解烴類。隨著溫度和成熟度的不斷增加，前期形成的長鏈烴類和液態烴類發生熱裂解，形成CH4，從而使得CH4的總量增加。熱成因的煤層氣會在煤埋藏過程中持續形成，直到盆地抬升導致煤層出露地表，地層溫度下降到一定程度時停止。

煤巖是由植物一體轉變成的有機巖石，由于植物原始細胞結構的差異及保存完整程度的差異，使得煤基巖塊中空隙類型、大小和結構也不盡相同。通常認為煤層中孔隙包含基質孔隙和裂縫孔隙兩種類型，由于裂縫通常較小，常小于煤層總孔隙體積的5%，因而總孔隙度主要由基質孔隙提供。盡管煤層的基質孔隙直徑較小，但連通性較好，且煤的比表面積較大，對氣體具有較強的吸附能力。通常煤層氣主要以吸附、游離和溶解三種形式賦存在煤層中，其中以吸附方式為主，大量的氣體被吸附在煤層的孔隙中，而吸附的氣體量要遠遠大于煤層本身的孔隙體積。根據氣體的分子直徑，低于2 nm的微孔和亞微孔對氣體的吸附能力最強，超過50 nm的大孔中主要賦存著游離氣[7]。研究發現，氣體在煤中的吸附包括物理吸附混合在煤的內表面、混合吸收在分子結構中以及混合吸收在孔隙中三種機制（White等，2005），且煤層吸附氣體過程為等溫過程，可以利用Langmuir等溫吸附方程等進行模擬和研究。

煤層氣主要通過吸附作用將天然氣聚集起來，為典型的吸附成藏機理，煤的儲氣能力與煤的變質程度、溫度和壓力有關。因此，天然氣存在方式、成藏特征與常規圈閉氣藏有較大差別。由于煤層氣主要以吸附作用為主，游離氣和溶解氣比例很小。因此，可以不需要通常的圈閉存在。煤層氣聚集于常規圈閉氣的低勢區聚集不同，其不受高氣勢面構成的三維封閉的低氣勢而形成的圈閉的控制，只要有較好的蓋層條件，能夠維持相當的地層壓力，無論在儲層的構造高部位還是低部位，都可以形成氣藏[8]。

2 煤層氣含氣量影響因素

煤層氣含量的大小受多種因素的共同控制，總的來看主要體現在以下幾個方面：煤層厚度、煤變質程度、地質構造條件、頂底封閉條件以及水文地質條件。

2.1 煤層厚度

從生氣源的角度分析，煤層越厚生氣量越大。煤形成以后至今，經過漫長的歷史時期，在其它地質條件相同條件下，一般煤層氣儲層厚度越大，煤層氣儲層含氣量越高，反之則越低[9]。

2.2 煤變質程度

煤的生氣量和儲氣能力都受變質程度的影響，煤的變質程度主要控制著煤層甲烷的生成、孔隙性以及其吸附能力。當煤的變質程度太低時，即Ro＜0.5%時，該階段主要為泥炭至褐煤階段，總的來看，該階段生氣量小，同時由于褐煤埋藏較淺，透氣性較好，生成的氣體不利于保存；當煤的變質程度太高時，即超無煙煤階段，煤層基本上失去了儲氣能力，已不屬于儲集層的范疇，也就不能形成煤層氣藏[10-11]。

2.3 地質構造條件

地質構造對煤層氣含量的控制是多方面的,而且是復雜的。首先在地質構造過程中產生的斷裂運動所引起的垂直方向和水平方向發生不均勻的沉降與抬升，形成沉積盆地，在此基礎上接受沉積，形成沼澤、湖泊等煤層發育的沉積環境；其次由于構造作用，在構造應力作用下所形成的斷裂對煤層氣的含量也會產生影響，一般而言,壓性構造對煤層甲烷具有聚煤作用,而張性構造對煤層甲烷具有逸散作用；另外在構造運動時期，可能會伴隨著巖漿活動，巖漿活動可以使早期未變質的煤層或者處于低變質程度的煤層，在區域深成變質作用和巖漿熱變質作用的疊加的基礎上，提高變質程度[12-13]。

2.4 頂底封閉條件

氣藏之上必須具有一定封閉能力的巖層存在，這樣才可以阻擋和減緩油氣的滲濾、擴散，最終烴濃度封閉和物性封閉三種方式。超壓封閉只有當蓋層具有異常高壓時才出現，但從實際情況來看，在成藏過程中煤儲層常出現超壓現象，因此，這種情況幾乎不存在；烴濃度封閉要求蓋層中氣態烴的濃度大于被封蓋地層中氣態烴的濃度,這種封閉主要是對以擴散方式向上運移的油氣起作用，但就煤層氣而言，首先煤層既是生氣源巖又是儲氣巖,其烴濃度均大于圍巖，同時煤層氣主要是以吸附方式賦存在煤層的基質孔隙中，因而濃度封閉也不具實際意義。物性封閉是指依靠蓋層巖石的毛管壓力封堵油氣，又稱毛管力封閉（Bern，1975）。煤層頂底板巖層對煤層氣的封閉能力，主要決定于毛細管力。毛細管力的大小取決于毛細管半徑的大小及其分布，而毛細管發育狀況主要受蓋層巖性、粒度、致密程度等因素的影響。從對煤層氣的封蓋能力方面考慮,根據巖性和孔隙結構特征,一般將我國煤層頂底板常見的巖石類型及其組合,劃分為油頁巖、泥巖、砂巖互層、灰巖和砂巖5種類型[14]。

2.5 水文地質條件

水文地質條件對煤層氣賦存、運移影響很大，對煤層氣的開采至關重要。葉建平（2001）認為水文地質控氣作用主要表現為水力運移逸散作用、水力封閉作用和水力封堵作用三種形式：其中，第一種作用導致煤層氣的散失，后兩種作用則有利于煤層氣保存[15]。

3 開采技術

煤層氣藏同常規天然氣藏不同，是一種壓力圈閉氣藏，其運移是指煤儲層內煤層氣的解吸擴散滲流過程，運移的最終結果導致煤層氣的相對富集和貧化。煤層氣的吸附與流動特性在很大程度上取決于煤儲層本身的性質，由于煤儲層本身具有較強的不均一性，表現為垂向上厚度的突變和橫向上小范圍內的相變。這種不均一性對于煤層氣藏的勘探選區和井網部署帶來了顯著的影響，因此針對煤層氣藏的特點選取取合理的開采技術，對于煤層氣藏的開發和利用具有重要的意義。

3.1 多分支水平井技術

該技術首先在地表向地下沿垂直煤層的方向打一定向孔，穿透煤層，然后沿平行于煤層的方向向四周布置分支孔，此方式增大了與煤層氣空間的表面積，打通了煤層氣的移動路徑，能提高煤層氣的產量，更有效的開采煤層氣。多水平分支井技術最大限度的溝通了煤層裂隙和割理系統，大大降低了煤層裂隙內流體的流動阻力，提高煤層排水降壓速度和煤層氣解吸運移速度，進而增加煤層氣產量，提高采出程度，縮短采氣時間，極大地提高煤層氣開發經濟效益。多分支水平井技術將鉆井、完井和增產一體化，成為開發煤層氣的主要手段之一，然而該技術并非適合所有的煤儲層。研究發現該項技術主要適用于煤層厚度薄，但比較穩定，煤層結構完整，煤巖具有一定強度的地質條件。

3.2 欠平衡鉆井技術

在鉆進過程中,利用自然條件和人工方法在可控條件下使鉆井流體的壓力低于要鉆地層的壓力,在井筒內形成負壓。一來增加了煤層氣的產量,提高了煤層氣的開采效率；二來避免對儲層的損害,并且能夠提高機械鉆速，延長鉆頭壽命，降低鉆井費用。

3.3 壓裂技術

壓裂技術是煤層氣開發過程中的關鍵技術，也是目前比較完善的煤層氣開發技術。其本質在于對產層進行壓裂改造，改善生產層的產能，使井眼周圍出現很多眼神膠原的具有高導流能力的裂縫，在進行排水降壓時井孔周圍出現大面積的壓力下降，增大解吸面積，最終提高產量。目前國外針對不同的儲層開展了一系列的壓裂技術研究，其中主要有交聯凝膠壓裂、加砂水力壓裂、不加砂水力壓裂和氮氣泡沫壓裂，這些技術在不同的煤層氣藏得到了應用，效果良好。我國也嘗試借鑒了美國開采煤層氣的成功經驗,試圖采用水力壓裂技術來提高煤儲層的滲透性，然而在一些煤層由于煤本身具有易碎、質軟的特點，使得效果不太理想。

3.4 洞穴完井技術

洞穴完井技術是針對低煤階、高滲、厚煤層鉆井易坍塌和煤層污染問題而提出的一種解決方法，主要是在煤層段裸眼下篩管完井或洞穴完井方式，以增加煤層裸露面積，提高單井產量。該技術在國外很多煤層氣藏得到了實際應用，但是由于其對煤層氣的儲層條件有嚴格的要求，主要適用于儲層壓力高、滲透率高、地應力較小的地區，而我國煤層主要屬低滲儲層，因此該項技術目前還處于試驗期。

3.5 混合氣體驅替技術

氣體驅替煤層氣的概念來源于減少溫室氣體排放的CO2煤層封存技術。該技術也是近年來發展起來的具有溫室氣體減排和提高煤層氣采收率雙贏效果的新興技術，相關研究得到了很多發達國家的重視。發達國家的研究都是著眼于高滲透不開采煤層，以提高煤層氣采收率同時封存CO2為目的。但是純CO2作為驅替氣體有以下缺點：（1）降低滲透率，CO2置換CH4后，煤將發生體積膨脹，引起滲透率降低；（2）CO2提純技術不成熟，成本高、產能小，大規模純CO2氣源難以保證；（3）CO2會給其上下周邊煤層的開采帶來困難，只適用于不可開采煤層。因此，建議采用富混合氣體驅替煤層氣技術，以提高煤層氣產采收率。方志明，李小春等通過理論分析、數值模擬和現場試驗研究分析了實施混合氣體驅替煤層氣技術的可行性[16]。

4 研究方向

隨著不同國家對煤層氣研究的不斷發展，在煤層氣的成藏機理和開采技術方面取得了很大的進展。然而在次生生物成因的煤層氣、在超臨狀態下煤層氣的吸附規律以及針對低滲透煤層氣藏開采技術方面的研究還存在著一系列問題亟需解決。筆者認為煤層氣在以下幾個方面將會成為未來的發展趨勢。

（1）成藏機理：一直以來，關于成藏機理的研究主要側重于生物成因、熱成因和混合成因。隨著次生生物成因煤層氣的提出，逐漸成為了煤層氣領域研究的熱點。就我國的含煤盆地而言，中低階煤所占的比例較大，因此加大我國含煤盆地中次生生物成因煤層氣的研究力度將會成為今后研究的重點；另外煤層氣在煤層中主要以吸附方式賦存，并且常處于超臨界狀態，在該狀態下吸附具有哪些規律，又具體受到哪些因素的影響也需要進一步的認識。

（2）開采技術：國外很多國家的煤層氣開采技術起步較早，理論和技術都相對成熟，并且針對不同類型的煤層氣藏制定了相應的開采技術。而我國起步相對較晚，同時煤層氣藏與國外相比具有特殊性，主要體現在低滲透性方面，國外的很多技術在我國都不能得到很好的應用，因此加強對中國致密煤層中流體的滲流規律和滲流機理的研究，建立適合我國低滲透煤層氣藏開采的配套技術也將成為今后研究的重點。

（3）提高采收率：對煤層氣藏而言，如何提高煤層氣的采收率是煤層氣開采的關鍵問題。目前的主要生產方式是依靠排水降壓，從而達到解吸的目的，從而提高采收率。然而由于該技術自身的局限性，不僅生產周期長，而且采收率也不高，即便是在幾十年后，采收率也不會高于50%。因此，尋找有效的方法提高煤層氣的采收率將會成為今后一段時間內各個國家研究的主要方向之一。

［1］李林海.煤層氣開發與利用分析［J］.華北國土資源，2009，（4）：34-35.

［2］傅學海，秦勇，韋重韜，等.煤層氣地質學［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2007.

［3］劉洪林，劉洪建，李貴中，等.中國煤層氣開發利用前景及其未來戰略地位［J］.中國礦業，2004，13（9）：13-14.

［4］胡向志，王志榮.淺談煤層氣的綜合開發利用［J］.中州煤炭，2009，（12）：39-40.

［5］於俊杰，朱玲，周波，等.中國煤層氣開發利用現狀及發展建議［J］.潔凈煤技術，2009，（3）：5-8.

［6］Rightmire C T，Eddy G E，Kirr J N.Coal bed methane resources of the United States［R］.AAPG Studies in Geology Series#17，Ⅶ- Ⅷ，1-14.AAPG，Tulsa，Oklahoma，USA，1984.

［7］James Huddlestone.Gas sorption and transport in coals:theory，laboratory procedure and analytical techniques，Raven ridge resources.Colorado：incorporated Grand Junction，1995.

［8］薛會，等.天然氣機理類型及其分布［J］.地球科學與環境學報，2006，28（2）：53－57.

［9］沈麗惠，齊俊啟，等.煤層氣生成及含氣量控制因素［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2010，27（1）：81-84.

［10］方愛民，侯泉林，雷家錦，等.煤的變質作用對煤層氣賦存和富集的控制—以沁水盆地為例［J］.高校地質學報，2003，9（3）：378-383.

［11］趙俊樓，張香玲，張立華，等.煤巷錨網索支護礦壓顯現規律數值模擬研究［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2009，26（4）：80-82.

［12］胡中亞，孫嬌鵬，等.構造運動對煤儲層控氣性影響［J］.科技創新導報，2009，（22）：123.

［13］桑樹勛，范炳恒，等.煤層氣的封存與富集條件［J］.石油與天然氣地質，1999，20（2）：104-107.

［14］唐鵬程，郭平，等.煤層氣成藏機理研究［J］.中國礦業，2009，18（2）：94-97.

［15］葉建平，武強，王子和.水文地質條件對煤層氣賦存的控制作用［J］.煤炭學報，2001，26（5）：63-67.

［16］方志明，李小春，等.混合氣體驅替煤層氣技術的可行性研究［J］.巖土力學，2010，31（10）：3223-3229.