煤層氣富集成藏地質特征與潛力研究

李金珊，楊敏芳，李仲學

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

煤層氣主要為甲烷成分(CH4)，以吸附或游離態為主要方式賦存煤層中，煤層氣以煤層為儲集層，氣源由煤層自身生成，主要以吸附狀態存在，不像常規油氣遵循重力分異原理。目前，世界上已有29個國家全面開展了煤層氣研究，進行煤層氣勘探開發活動。美國是世界上煤層氣商業化開發最成功的國家，迄今為止煤層氣產量位居全球第一。加拿大根據本國煤層地質構造特征，開展了分支水平井、連續油管壓裂等技術研究，并取得了突出進展。澳大利亞的煤層氣勘探開發以井下定向井開發為主，煤層氣產量已經成為天然氣產量的重要組成部分。美國成功研究開發出一套適合進行煤層氣商業開發煤層氣勘探工藝技術，煤層氣的采收率為30%～60%，最高可達80%，研制了煤層氣產出“排水—降壓—解吸—擴散—滲流”過程開發模式，以圣胡安和黑勇士盆地為基地形成煤層氣產業化，建立了煤層氣成藏與開發的系統理論，形成了以沉積、構造、煤化作用、含氣性及滲透率為考察主體的煤層氣評價模式。中國有豐富的煤層氣資源，煤層氣儲量居世界第三位，開發前景十分廣闊。根據油氣資源評價結果，中國深埋2000m以淺的煤層氣資源量約35×1012m3，中國煤層氣開發剛處與小規模商業化階段。

1 煤層氣富集成藏地質特征

1.1 煤層氣富集成藏規律

在煤層氣富集成藏的研究中，煤層氣富集成藏特指煤層的甲烷富集成藏[1]。影響煤層中氣體吸附的因素很多，如溫度、壓力、煤化性質、煤巖組分[2-4]。煤層氣富集成藏地質特征的研究，以煤層氣的含氣性為富集成藏主要指標，另外還有一定的區域規律性和差異可比性。國外專家Harris和Gayer認為，構造條件、煤層埋深、煤層厚度、含氣量、煤階、滲透率、煤層氣壓力、解吸壓力和水文地質條件是影響煤層氣富集成藏的主要因素[5]。煤層氣可分為早期生物成因氣、熱成因氣和次生生物成因氣。按照成因類型和成氣階段，美國的Scott、澳大利亞的Smith、波蘭的Kotarb等人提出了次生生物成因氣理論[6-9]。

1.2 煤層氣富集程度判別

煤層氣富集成藏程度的主要判別指標是煤層含氣性。含氣性主要包括煤層甲烷含量、含氣濃度、含氣飽和度、含氣豐度等指標。煤層甲烷含量，指單位體積或單位質量煤體中所含有的甲烷體積；煤層含氣濃度，是指煤層氣組分中甲烷成分所占的體積分數；煤層含氣豐度，是指在單位面積范圍內煤層氣的含氣資源量；煤層含氣飽和度，是指煤層實際含氣量與理論含氣量的比值。通常情況下，煤層氣含量相對大的可判定為煤層氣富集成藏區域。

1.3 煤層氣富集成藏形成

煤層氣的富集成藏是在成煤過程中與煤同時生成的，受控于其儲集條件。煤層氣具有吸附性物理性質，煤層不同變質程度，對甲烷具有不同的吸附性能，吸附性能又受到外部溫度、壓力條件的影響。煤層氣富集成藏的形成主要包括儲集和保存兩個方面的條件，儲集條件主要受煤層厚度和煤層變質程度的影響，保存條件主要受到蓋層和地質構造作用的影響。煤層氣的封蓋和運移也是煤層氣的富集成藏條件。

2 煤層氣富集成藏潛力評價

2.1 煤層地質形成及特征

在煤層氣項目評價，首先要進行煤層地質綜合分析，是煤層氣資源量和儲量評估的基礎。因為，煤層氣是非常規天然氣形成機理、開采方式與常規天然氣有較大的差別。

1)含煤盆地構造背景。具有穩定區域構造背景的含煤盆地有利于煤層氣開發，尤其是盆地內構造相對活動的區域，含煤盆地內斷層等構造影響煤層氣的產量，穩定的含煤盆地構造背景是煤層氣存儲的保證。

2)煤巖顯微組分。在光學顯微鏡下能識別出來的組成煤的基本成分稱為顯微組分。煤巖有機顯微組分通常分為鏡質組、殼質組和惰質組。鏡質組含量是影響煤層氣含量重要因素之一，因此顯微組定量分析是煤層氣勘探中煤層評價的一項重要內容。顯微煤巖組分鏡質組含量低，生氣母質條件較差；煤巖變質程度低，為低煤階，熱成因氣量少[10]。煤巖模擬實驗等研究表明，煤化作用過程鏡質組明顯。土耳其宗古爾達克盆地石炭系煤巖以鏡質組為主，鏡質組含量十分明顯(圖1)。

圖1 土耳其宗古爾達克盆地石炭系煤巖顯微組分布圖

3)煤巖沉積環境。成煤環境控制了煤的類型、煤質、煤層連續性、煤層厚度及煤層頂、地板巖性等，是煤層氣地質研究的重要組成部分。沉積環境與煤巖灰分關系密切，灰分影響著煤巖的吸附能力。煤層氣是以吸著態、游離態和溶解態三種形式賦存，其中吸著態包括吸附態、吸收態和凝聚態，吸附態是其最主要的賦存狀態，煤層氣的儲集主要受到其吸附能力的控制[11]。

2.2 煤層氣潛力評價指標

在煤層氣項目開發煤層氣潛力評價的主要指標有：煤層厚度、煤層孔隙度、煤層滲透率、煤級、煤層含氣量等參數[12]。

1)煤層厚度。煤層厚度是煤層氣生成與富集的物質基礎，體現了構造、沉積及程巖對泥炭的影響，是煤層氣富集成藏潛力評價重要參數。煤層厚度的估算基于取心和測井，測井是估算煤層厚度的首選工具。在美國尤因塔盆地的這些區域，一口鉆井通常會鉆遇4～6個煤層，煤層儲量占煤層氣總儲量的10%～13%。煤層越厚對氣藏越有利，單井煤層氣總厚度均大于10m；薄煤層(總厚度小于5m)分布區一般沒有商業開采價值，煤層單層厚度大于0.6m可以與上下煤層分層壓裂開采。美國黑勇士盆地Pottsvillee組Pratt、MaryLee等煤層凈厚度為3.05～6.10m，附近尤因塔盆地的砂巖儲層儲量可占煤層氣總儲量的10%～15%，如圖2所示，測井曲線與射孔段數據表明，尤因塔盆地的砂巖儲層煤層深度，具備可開發潛力。

圖2 美國尤因塔盆地Telonis19-151井測井曲線與射孔段

2)煤層孔隙度。煤層孔隙度主要分為基質孔隙和裂縫孔隙，基質孔隙是煤層氣的賦存空間，裂隙孔隙對煤層氣運移和產出具有決定作用，對結構特征的正確認識是煤層氣開發的關鍵。裂縫孔隙是大孔的主體，是在成煤及變質過程中，煤受到自然界各種應力作用所致。煤層孔隙半徑4～8nm之間，甲烷分子半徑0.26nm，通過巖心測得平均孔隙度一般小于10%，90%的煤層氣吸附在微孔面。

3)煤層滲透率。煤層滲透率是表征煤層中煤層氣和煤層水滲透性的重要參數，是決定煤層氣潛力和能否開發的重要指標。煤層天然裂隙系統發育，滲透率大于2×10-3μm2。流體流動和壓力傳遞主要依賴于割理和裂縫。煤層滲透率除受自身裂縫孔隙發育程度影響外，還受外部有效應力、克林伯格效應及基質收縮影響。煤層滲透率高會提高煤層氣的出采程度。例如，美國粉河盆地含氣量0.45～2.15m3/t，滲透率10～1000μm2，采收率為80%。

4)煤層含氣量。是確定煤層氣資源量、儲量及儲量豐度的重要參數，與煤層氣分布面積、厚度、儲層壓力、煤層物性、吸附等溫線等一起綜合分析煤層氣潛力的條件、預測產氣能力的主要指標。煤層含氣量由吸附含氣量、游離氣含氣量和水溶氣含氣量3部分組成，以吸附含氣量為主。在實際應用中，可以認為埋藏溫度壓力條件下，煤層的吸附量即為煤層含氣量。測定煤在各種壓力下所含的氣量，即可確定等溫吸附曲線。煤層氣組分對煤層含量影響很大，天然狀態下，煤層氣體以CH4、CO2、N2為主，在某些情況下會存在SO2、H2S。煤層氣含量是煤層氣潛力評價的重要指標，可分為貧氣、含氣、富氣區域，商業開發的下限氣含量指標約為4.25 m3/t。

5)煤級。當泥炭被掩埋并隨著溫度和壓力的增加而轉變成煤時，其物理和化學性質會發生變化，反映了煤的變質過程與煤層含氣量、滲透率、孔隙度及煤巖機械性能有關，是煤層氣潛力研究的重要內容，前蘇聯學者B.A.烏斯別斯基通過人工熱演化實驗表明，從長焰煤煤化為無煙煤時至少生成了100m3以上的甲烷，從長焰煤到無煙煤則至少生成了210m3的甲烷[13]。鏡質組是最合適的煤級指標，國際一般采用鏡質組最大反射率來確定煤級。煤化作用是煤形成過程中溫度和壓力作用引起，煤化程度不同，煤級也存在一定差異[14-15]。煤級低含氣量少、難以形成商業開發，中煤級裂縫發育、含氣量高有利于開發。

3 結論

通過對煤層氣富集成藏的地質特征資料的研究和實踐，揭示了煤層氣富集成藏的地質特征，對煤層氣的潛力評價提出了標準參數，通過理論分析研究得出以下結論。

1)采用理論分析方法研究相關的煤層氣富集成藏的理論，從煤層氣富集成藏的規律、富集程度判別指標、富集成藏形成三個方面，通過文獻資料分析綜述煤層氣的富集成藏的地質特征。

2)通過對煤層地質形成及特征的研究，煤層氣與常規天然氣有很大的差別，在含煤盆地構造背景、煤巖顯微組分、煤巖沉積環境等方面有明顯的地質特征。

3)在判別煤層氣潛力評價重要參數，主要選取煤層厚度、煤層孔隙度、煤層滲透率、煤級、煤層含氣量等作為煤層氣主要評價參數。經研究表明：煤層厚度單井煤層氣總厚度均大于10m，單層厚度大于0.6m；煤層孔隙度半徑約為4～8nm；煤層滲透率大于2×10-3μm2；煤級為中煤級裂縫發育；煤層含氣量約為4.25m3/t，可定義為煤層氣潛力評價標準。

[1] 李志強.重慶瀝鼻峽背斜煤層氣富集成藏規律及有利區帶預測研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[2] 王猛，朱炎銘，李伍，等．沁水盆地鄭莊區塊構造演化與煤層氣成藏[J]．中國礦業大學學報，2012，41(3)：425-431．

[3] 劉世奇，桑樹勛，李夢溪，等．沁水盆地南部煤層氣井網排采壓降漏斗的控制因素[J]．中國礦業大學學報，2012，41(6)：943-950．

[4] 張松航，唐書恒，萬毅，等．晉城無煙煤煤中CH4和CO2運移規律研究[J]．中國礦業大學學報，2012，41(5):770-775.

[5] Gayer R and Harris L.Coalbed Methane and Coal Geology[M].London：Geological Society，1996:1-38.

[6] Scott A R.Composition and origin of coalbed gases from selected basins in the United States[R].In：proceedings of the 1993 International Coalbed Methane，1993：207-222.

[7] Scott A R，Kaiser W R，Ayers Jr W B.Thermogenic and Secondary Biogenic Gases，San Juan Basin，Colorado and New Mexico-Implications for Coalbed Gas Producibility [J].AAPG bulletin，1994，78(8)：1186-1209.

[8] Koatarba M J.Compostion and origin of coalbed gases in the Upper Silesian and Lublin basins.Poland [J].Organic Geochemistry，2001,32(1):163-180.

[9] Smith J W and Pallasser R J.Microbial origin of Australian coalbed methane [J].AAPG Bulletin，1996,80(6)：891-897.

[10] 楊敏芳.潮水盆地煤層氣儲層特征及勘探潛力[M]..天然氣工業，2013，33(2).12-16.

[11] 楊永國,秦勇,姜波.煤層氣項目經濟評價理論與方法研究[M].徐州：中國礦業大學出版社.2001.

[12] 楊福忠,祝厚勤，等.澳大利亞煤層氣地質特征及勘探技術——以博文和蘇拉特盆地為例[M].北京：石油工業出版社，2013.

[13] 鄭得文.煤層氣資源儲量評估方法與理論研究[D].杭州：浙江大學，2007.

[14] 劉會虎，桑樹勛，李仰民，等．沁南煤層氣田開發區塊內煤層氣生產接替研究[J]．中國礦業大學學報，2011，40(3)：410-416．

[15] 劉新福，綦耀光，胡愛梅，等．煤層氣井氣水兩相流入動態關系研究[J]．中國礦業大學學報，2011，40(4)：561-565．