我國低煤階煤煤層氣地質研究綜述

郭曉策

中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司

我國低煤階煤煤層氣地質研究綜述

郭曉策

中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司

低階煤是煤化作用早期階段形成的產物，通常指煤巖鏡質組反射率小于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的瓶頸問題提供一定的理論依據。基于此，文章就我國低煤階煤煤層氣地質進行研究分析。

低煤階；煤層氣；地質

1.低階煤產氣機理

理論上，一個區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。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，成巖作用結束生烴作用開始，煤中易揮發物質熱解，在煤中不斷產生氣孔，加之煤化作用，早期瀝青產生的量較少，孔隙被瀝青堵塞的并不明顯，因此導致孔隙率后段增大。除煤變質程度外，煤巖組分對低階煤孔隙度也有微弱影響。

2.2 流動特征

在總結前人研究成果基礎上，發現低階煤的吸附、解吸、擴散、滲流特性主要表現在以下方面：

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，且分子的芳構化程度低，煤固體表面對氣體分子的吸附能力相對較低，導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，解吸過程中當內生裂隙溝通中大孔會造成第1次解吸峰值出現，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象，吸附與解吸吻合性差，對甲烷的吸附和解吸表現出非可逆性，其原因為兩端開口的孔及口小內腔大的墨水瓶形狀的孔具有吸附滯后現象，而低階煤大、中孔分布豐富，孔隙形態以開放孔、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，含氣量構成由吸附氣量高于游離氣量轉換為游離氣量高于吸附氣量；在其他地質條件相似的條件下，由于吸附氣的轉換深度及游離氣的“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)臨界深度也表現出類似規律。

3.低煤階煤層氣成藏富集規律

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，構造因素是最為直接的控氣因素；成煤環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。

而含煤層氣系統作為一個能量動態平衡系統，成藏過程的實質是流體壓力系統逐漸調整的地質過程，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力場等宏觀和微觀耦合調控。煤層氣作為能量動態平衡系統中自生自儲的非常規天然氣儲層，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平衡的運移狀態，區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，富集區的位置及范圍也是處于動態變化中的，因此，需要用動態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、煤儲層的非均質性和頂底板巖性類型和范圍。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致成煤或生氣物質基礎的不同。2)不同類型的地質構造，會形成不同應力大小及應力場分布特征，這樣均會導致煤儲層和封蓋層的產狀、結構、物性、裂隙發育狀況的不同，從而影響含煤盆地中不同構造類型之間的轉換、地下水徑流條件的改變和煤層氣富集區位置的遷移等。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，但與現階段在該煤級領域進行的煤層氣勘探開發力度不甚匹配，煤層氣成礦選區準確度不高。所以，需要加強這方面技術的研究，從而更好地促進我國低煤階煤層氣的開發。

[1]宋巖，柳少波，馬行陟，李建武，琚宜文，李貴中，楊志遠.中高煤階煤層氣富集高產區形成模式與地質評價方法[J].地學前緣，2016，03：1-9.

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