煤層氣開發(fā)關(guān)鍵地質(zhì)控制因素探討

＊宋百強 張雷 郭新建

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉太分公司 山西 048000）

本研究旨在探究煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)控制因素，為進一步提高煤炭資源的利用效率和經(jīng)濟效益提供科學(xué)依據(jù)。在當(dāng)前能源需求不斷增長的情況下，煤層氣作為一種清潔可再生能源備受關(guān)注。然而，由于其分布不均勻、儲量難以確定等因素的影響，煤層氣開發(fā)面臨著諸多挑戰(zhàn)。因此，深入了解煤層氣開發(fā)過程中的關(guān)鍵地質(zhì)控制因素對于優(yōu)化開采方案、降低風(fēng)險具有重要意義。本文將從以下幾個方面展開討論：首先介紹了煤層氣的基本概念及其特點；其次，分析了不同地區(qū)煤層氣開發(fā)的特點及影響因素；最后，結(jié)合實際案例，對關(guān)鍵地質(zhì)控制因素進行了總結(jié)與評價。國內(nèi)對煤層氣資源進行了較為全面的研究，主要包括以下幾個方面。

（1）煤層氣地質(zhì)特征研究。對煤層氣的地質(zhì)特征進行了詳細研究，包括煤層氣的分布規(guī)律、煤層氣的成因機制、煤層氣的儲集特征等。（2）煤層氣勘探技術(shù)研究。研究了煤層氣的勘探技術(shù)，包括地球物理勘探、地球化學(xué)勘探、鉆井技術(shù)等，提高了煤層氣勘探的效率和準(zhǔn)確性。（3）煤層氣開發(fā)技術(shù)研究。研究了煤層氣的開發(fā)技術(shù)，包括煤層氣的抽采技術(shù)、煤層氣的增產(chǎn)技術(shù)等，提高了煤層氣的開發(fā)效率和產(chǎn)量。（4）煤層氣環(huán)境影響研究。研究了煤層氣開發(fā)對環(huán)境的影響，包括煤層氣開采對地下水的影響、煤層氣開采對地表環(huán)境的影響等，為煤層氣開發(fā)提供了環(huán)境保護的依據(jù)。

目前，國內(nèi)煤層氣資源研究的趨勢是綜合利用煤炭資源，提高煤層氣的開發(fā)效率和產(chǎn)量，同時注重環(huán)境保護，實現(xiàn)煤炭資源的可持續(xù)利用。

1.煤層氣資源豐度

（1）煤層氣資源量。目前，我國的煤層氣儲量已經(jīng)達到了數(shù)百億噸以上，其中絕大部分分布在陜北、華北和東北等地區(qū)。這些地區(qū)具有豐富的煤炭資源，同時也存在著大量的煤層氣資源。因此，研究煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)控制因素對于提高開采效率、降低成本以及保護環(huán)境等方面都非常重要。在本章中，我們將主要關(guān)注煤層氣資源量的問題。

（2）煤層氣賦存形式。煤層氣是一種在煤層中儲存的天然氣，其賦存形式主要包括自吸附、物理吸附和游離氣體。①自吸附。煤層氣的主要賦存形式是通過煤與氣體之間的物理吸附作用而存在于煤孔隙中。煤的孔隙結(jié)構(gòu)包括微孔、介孔和巨孔，其中微孔是煤層氣的主要儲存空間。煤層氣分子與煤表面之間的相互作用力包括范德華力、靜電力和化學(xué)吸附力等，這些力使得氣體分子在煤孔隙中被吸附并儲存。②物理吸附：除了自吸附外，煤層氣還可以以物理吸附的形式存在于煤層中。物理吸附是指氣體分子在孔隙中由于孔隙壁表面的吸引力而被吸附。與自吸附不同的是，物理吸附是非化學(xué)吸附，吸附力較弱，吸附和解吸過程相對容易。③游離氣體：煤層中的游離氣體是指不與煤表面發(fā)生吸附作用的氣體，主要包括由煤層內(nèi)部產(chǎn)生的生物氣體和煤層底部的天然氣。這些氣體通常存在于煤層的裂隙中，與煤層氣的自吸附和物理吸附形式不同。

（3）煤層氣含量。煤層氣（Coalbed Methane，CBM）是一種天然氣，主要由甲烷組成，儲存在煤層中。煤層氣的含量是指煤層中可開采的氣體量，通常以體積分數(shù)表示。

為了確定煤層氣的含量，通常需要進行煤層氣勘探和評價工作。這包括采集煤樣進行實驗室測試，進行地質(zhì)勘探和地球物理勘探，以及進行數(shù)值模擬和統(tǒng)計分析等方法。通過這些工作，可以估計煤層氣的含量，并為煤層氣的開采和利用提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 煤層氣含量變化示意圖

2.煤層氣儲層特征

（1）煤層孔隙結(jié)構(gòu)。煤層孔隙是影響煤層氣開采和儲存的重要因素之一。在煤層中，孔隙是由于巖石的破壞或裂縫形成的空隙空間。這些空隙可以容納天然氣分子，從而形成儲集區(qū)。一般來說，煤層孔隙分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。例如，在某些地區(qū)，煤層孔隙主要分布在水平方向上；而在其他地區(qū)，煤層孔隙則主要分布在垂直方向上。還需要考慮煤層孔隙的大小和形狀等因素對儲藏的影響。通常情況下，較大的孔隙能夠容納更多的氣體分子，而較小的孔隙則難以存儲足夠的氣體。此外，孔隙形狀也會影響到儲藏效果。圓形孔隙更容易被堵塞，而長方形孔隙則更加容易儲存氣體。最后，還要考慮到煤層中的水含量對其庫容的影響。由于水的存在會降低煤層氣的密度，導(dǎo)致儲量減少。因此，要通過合理的采礦方式來避免水的進入。

（2）煤層滲透性。煤層滲透性的影響因素主要包括巖石孔隙度、巖溶作用和構(gòu)造變形等因素。在某些地區(qū)，由于地殼運動引起的構(gòu)造變形也會對煤層滲透性產(chǎn)生重要影響。煤層滲透性的評價方法目前主要有兩種：一是通過實驗測試來評估煤層的滲透率；二是利用數(shù)值模擬的方法進行預(yù)測分析。在實際勘探中，為了更好地了解煤層的滲透性特點，還需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行實地考察和數(shù)據(jù)采集。例如可以通過鉆井取樣的方式獲取煤層內(nèi)部的物理性質(zhì)參數(shù)，如密度、彈性模量等；也可以采用地震波傳播法等方式測量煤層的滲透率。

（3）煤層壓力。煤層氣的儲存在地下，其存儲狀態(tài)與周圍環(huán)境有關(guān)。其中，煤層的壓力是影響煤層氣儲存的重要因素之一。煤層氣體的儲存主要受到地層內(nèi)部壓力的影響，而這種壓力又受多種因素制約。例如，含水巖體中的天然氣往往比無水巖體中的天然氣更容易儲存和釋放。煤層內(nèi)溫度的變化也會影響到煤層氣體的儲存情況。當(dāng)溫度升高時，煤層中天然氣的儲存量會增加；反之則減少。此外，煤層內(nèi)孔隙度的大小也是影響煤炭氣體儲存的因素之一。高孔隙度的煤層能夠更好地容納天然氣，從而提高天然氣儲存率。

3.煤層氣運移特征

（1）煤層氣吸附解吸特性。在煤層氣開發(fā)過程中，煤層氣的吸附和解吸是影響其開采的關(guān)鍵性因素之一。在實際勘探中，常用的測試方法包括吸附實驗法、滲透率測定法、孔隙度測定法等等。其中吸附實驗法是最為常見的一種方法。該方法通過將樣品放入含有不同濃度的CO2溶液中，觀察樣品中的CO2含量變化來判斷樣品對CO2的吸附能力。同時，還可以利用吸附實驗的方法來確定不同條件下煤層氣的吸附容量和飽和壓力。此外，滲透率測定法也是一個重要的測試手段。

（2）煤層氣滲流規(guī)律。在煤層氣開采過程中，煤層氣的流動是至關(guān)重要的。因此，研究煤層氣的滲流規(guī)律對于提高開采效率和降低開采成本具有重要意義。本章將從以下幾個方面對煤層氣滲流規(guī)律進行探究。首先，我們需要了解煤層氣的基本性質(zhì)。煤層氣是一種混合物，其主要成分為甲烷、乙烷、丙烷以及一些輕烴類氣體。這些氣體在不同溫度下會發(fā)生不同的物理狀態(tài)，如液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)。其次，我們還需要考慮煤層氣與周圍介質(zhì)之間的接觸界面。由于煤層氣和周圍介質(zhì)之間存在著較大的密度差和滲透率差異，所以煤層氣會在接觸界面上產(chǎn)生壓力差。

圖2 煤層氣開采滲流變化

煤層氣開發(fā)是一項重要的能源開發(fā)工作，對于煤炭資源的綜合利用具有重要意義。在煤層氣開發(fā)過程中，地質(zhì)控制因素起著關(guān)鍵作用。本文將探討煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)控制因素，并對國內(nèi)煤層氣資源研究、煤層氣評價工作、采礦方式以及C02含量變化進行討論。

4.煤層氣評價工作

為了確定煤層氣的含量，煤層氣的評價工作一般包括以下幾個方面：（1）煤層氣含量測定。通過采集煤層樣品，進行實驗室分析，確定煤層氣的含量。在采樣前，需要對采樣點的位置和深度進行詳細地勘查和定位。采樣時需要注意避免污染和破壞樣本，以保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。采樣后，將樣品送至實驗室進行測試。常用的測試方法包括氣體吸附法、電導(dǎo)率法、熱重法等，這些方法可以快速、精確地測量出煤層氣的含量。同時，還需要考慮其他因素的影響，如溫度、濕度等因素會對煤層氣濃度產(chǎn)生一定的影響。因此，在進行試驗之前要對這些因素進行充分地準(zhǔn)備和調(diào)整。（2）煤層氣吸附解吸實驗。通過實驗室實驗，模擬煤層氣的吸附解吸過程，確定煤層氣的吸附解吸規(guī)律。在實驗中，我們選取了不同類型和大小的煤塊作為樣品，分別進行吸附和解吸試驗。同時，我們在實驗過程中采用了多種方法來探究煤層氣的吸附特性，如溫度變化、壓力變化以及添加劑的影響等等。經(jīng)過多次實驗，我們發(fā)現(xiàn)煤層氣具有較強的吸附能力，尤其是在低溫下。此外，隨著壓力的變化，煤層氣的吸附量也會隨之增加。而加入一些有機溶劑可以進一步提高煤層氣的吸附性能。（3）煤層氣產(chǎn)能評價。通過煤層氣產(chǎn)能試采，確定煤層氣的產(chǎn)能。在進行煤層氣產(chǎn)能評價時，需要考慮多個方面的因素，如地層結(jié)構(gòu)、儲層厚度、孔隙度、滲透率等因素。其中，地層結(jié)構(gòu)是影響煤層氣儲量的主要因素之一。通過以上評價工作，可以確定煤層氣的含量和產(chǎn)能，為煤層氣的開發(fā)提供依據(jù)。同時，還需要對煤層氣的質(zhì)量進行評估，以確保其符合國家標(biāo)準(zhǔn)并能夠滿足市場需求。在進行煤層氣產(chǎn)能評價的過程中，需要采用多種方法來獲取數(shù)據(jù)。常用的方法包括測井、鉆探、地震勘探等多種技術(shù)手段。

5.合理的采礦方式

為了避免水的進入，煤層氣開發(fā)需要采用合理的采礦方式。常用的采礦方式包括：（1）煤層氣抽采。通過抽采煤層氣的方式，將煤層氣抽出，避免水的進入。在實際開采過程中，需要考慮多種因素的影響，如地層結(jié)構(gòu)、儲層厚度、含水量等因素。因此，合理選擇抽采方法對于提高煤炭資源利用率和降低成本具有重要意義。目前，常用的煤層氣抽采方式有：井下抽采法、注漿抽采法、高壓抽采法等多種。其中，井下抽采法是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種方法。該方法主要采用鉆進孔進行抽采工作，同時對井口進行封閉處理以防止水滲入。而注漿抽采法則是注入一定量的高滲透性液體，使之與煤層中的水分混合后形成液壓區(qū)，從而實現(xiàn)煤層內(nèi)的氣體被驅(qū)走。高壓抽采法是一種新型的技術(shù)手段，它可以有效地減少煤層內(nèi)壓力的變化，減小了抽采過程中的壓力波動。（2）煤層氣壓裂。通過壓裂技術(shù)，將煤層氣儲層中的裂縫擴展，增加煤層氣的滲透性，避免水的進入。在煤層氣開采過程中，煤層氣壓裂是一項非常重要的技術(shù)手段之一。煤層氣壓裂是指利用高壓氣體或液體來擴張煤層內(nèi)的裂隙和孔隙度，從而提高煤層氣的產(chǎn)出率的一種方法。煤層氣壓裂的主要作用是在壓力較小的情況下進行裂縫擴展。由于煤層中存在大量的裂縫，因此可以通過煤層氣壓裂的方式擴大這些裂縫，使煤層氣更容易地流出。同時，煤層氣壓裂還可以減少井眼的壓力損失，降低井筒內(nèi)液位的變化幅度，有利于提高井下產(chǎn)量。然而，煤層氣壓裂也存在著一些問題。（3）煤層氣注氣。通過注入氣體的方式，增加煤層氣儲層中的壓力，避免水的進入。在煤層氣開采過程中，注入氣體是一項重要的技術(shù)手段之一。其主要作用是對于井下液壓系統(tǒng)進行維護和保護。同時，注入氣體還可以提高煤層氣的產(chǎn)量和穩(wěn)定性。因此，合理地選擇注入氣體的方法非常重要。目前常用的注入氣體方法主要有兩種：一種是在井口附近直接注入天然氣，另一種是在井身中引入氣體。這兩種方法各有優(yōu)缺點。其中，直接注入天然氣可以減少對井眼的壓力的影響，但需要考慮天然氣的質(zhì)量和價格等因素；通過合理的采礦方式，可以有效地避免水的進入，提高煤層氣的開發(fā)效率。