低煤階煤煤層氣地質研究綜述

楊忠亮

摘 要：我國低煤階煤層氣具有廣闊的勘探和開發前景，但是低煤階煤層氣井產氣量目前僅占煤層氣產量的5%左右，主要原因是對低煤階煤層氣地質條件的研究不夠深入。本文從煤層氣成因、儲層特征以及成藏條件等方面分析了低煤階煤煤層氣地質研究現狀，以期更好地促進低煤階煤煤層氣開采工作的開展。

關鍵詞：低煤階;煤層氣;儲層;含氣量

中圖分類號：P618.11 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）20-0081-03

Summary of Geological Study on Low Coal Rank Coal Seam Gas

YANG Zhongliang

（Exploration Institute of Guangdong Coal Geology Bureauu， China National Adminisration of Coal Geology，Guangzhou Guangdong 510440）

Abstract： China's low-rank coalbed methane has broad prospects for exploration and development， but the gas production of low-rank coalbed methane wells currently accounts for only about 5% of coalbed methane production. The main reason is that the research on low-rank coalbed methane geological conditions is not deep enough. This paper analyzed the current status of low coal rank coalbed methane geological research from the aspects of coalbed methane genesis， reservoir characteristics and reservoir forming conditions， in order to better promote the development of low coal rank coalbed methane mining.

Keywords： low coal rank;coalbed methane;reservoir;gas content

低煤階主要指的是長焰煤及褐煤，鏡質組最大反射率（[RO，max]）介于0.20%～0.65%。我國低階煤主要分布在吐哈盆地（吐魯番盆地和哈密盆地的統稱）、準格爾盆地、二連盆地以及海拉爾盆地等[1]。雖然這些區域的煤層氣含量不高，但是煤層賦存厚度大，透氣性較高，煤層氣總量巨大。我國低煤階煤層氣地質儲量約占煤層氣地質儲量的40%，勘探和開發前景廣闊[2]，但是低煤階煤層氣井產氣量僅占煤層氣產量的5%左右，主要原因是對低煤階煤層氣地質條件的研究不夠深入。因此，本文綜述了現階段低煤階煤層氣的地質研究情況，并提出有益建議，以期早日實現低煤階煤層氣地質研究的突破。

1 低煤階煤層氣成因

煤層氣成因可以具體歸結為生物成因、熱成因、混合成因以及運移熱成因等。低煤階煤層氣的熱成因占比較低，具體來說，低煤階煤層氣的成因可以歸結為以下幾類[3-5]。

1.1 生物成因

生物成因為煤層氣成因的主導因素，近些年對生物成因的研究取得顯著成果。生物成因主要發生的條件為：煤層埋深小于500m、溫度低于56℃（最佳溫度介于36～42℃）、環境還原性強、pH值介于6.8～7.8、含鹽度在400mg/L。生物成因區域煤巖體早期的熱演化程度普遍不高，煤體的[RO，max]一般小于0.50%，煤體還處于成巖階段早期，煤體中孔隙基本被水體占據，吸附氣體含量低，熱作用仍未發生，上覆未覆蓋厚度大、密閉性強的巖體，煤層氣的主要成因是生物成因作用，總體來看，煤層的煤層氣含量較低。例如，吐哈盆地、海拉爾盆地等的煤層氣含量較低，在0.5～3.2m3/t。

1.2 次生生物成因

在準格爾盆地南部、柴達木盆地等區域，次生生物成因在煤層氣的形成過程中發揮主導作用，熱成因僅起輔助作用。這些區域的[RO，max]介于0.50%～0.65%，仍處于熱解產氣階段早期，部分煤分子鏈斷裂，地質構造作用造成早期熱損失嚴重，熱成因煤層氣量占比低，僅起到輔助作用。在地質構造作用下，煤體向上抬升，處于風化帶，這個位置滿足次生物成因條件，在甲烷菌作用下，大量的次生氣產生，煤層氣出現聚集。

1.3 混合成因

混合成因是低煤階煤層氣的成因之一。例如，東北的撫順煤田早期處于煤、油共生階段，埋深較淺的處于高勢的氣藏被破壞后，深部的烴源巖產生的常規氣通過運動聚集至地勢低的低煤階煤體中，成為該地區低煤階煤層氣的主要成因。重碳同位素相仿是判斷該地區低煤階煤層氣與油氣受混合成因影響的重要依據。

2 低煤階煤層氣儲層特征

2.1 儲層孔隙

現階段，煤層氣儲層的孔隙發育特征研究已經較為細化。蔚遠江研究發現，準格爾盆地低煤階煤層氣儲層控制分布在宏觀上表現為網狀交叉，連通性和交叉性較好，是煤層氣良好的運移通道，在孔隙微觀方面，低煤階煤層氣儲層裂隙主要表現為寬度小于5μm，長度小于300μm，連通性差，不連續裂隙，其次是寬度小于5μm，長度在1～300μm的裂隙[6]。

低煤階煤層氣儲層基質孔隙較為發育，以生物孔隙為主，孔隙變化較為明顯。對于褐煤來說，孔隙度分布范圍為5.3%～32%，平均在14.76%;對于長焰煤來說，隙度分布范圍為0.8%～27.5%，平均在8.4%。當[RO，max]小于0.65%時，孔隙度會伴隨著[RO，max]增加呈現出先降低后增高趨勢;當[RO，max]在0.5%附近時，儲層中孔隙度最低，具體變化如圖1所示[7]。除了儲層本身變質程度外，儲層中的各個組分含量也對孔隙度發育有輕微影響。

低煤階煤層氣儲層孔隙可以細分為氣孔、碎屑顆粒間孔隙以及植物組織孔隙等，而對于孔隙分布特性，傳統的研究認為低煤階煤層氣儲層孔隙結構以大孔（1 000μm以上）及中孔（100～1 000μm）為主，以微孔（10μm以下）及過度孔（10～100μm）為輔。

2.2 流動特性

低煤階煤層氣儲層對煤層氣的吸附、解析、滲流以及擴散等特性主要表現為六個方面。一是低煤階煤層氣儲層的吸附孔量少、吸附能力低、煤分子本身芳化程度低，導致儲層對氣體（CH4、N2、CO2等）吸附平衡時間短、吸附氣體的含量量小，如圖2所示。

二是儲層的解吸效率和解析速度等均較大，解吸后剩余的殘余氣體量少。主要原因是低煤階煤層氣儲層具有較高的孔隙度、滲透率和含氣飽和度，解吸時的游離煤層氣具有較高的滲流速度，導致吸附的煤層氣進一步解吸。同時，儲層孔隙的壓差傳遞效率高、封閉性差，導致微觀孔隙表面吸附的煤層氣具有很高的解吸速度和解吸量。

三是儲層煤層氣解吸時具有雙峰特性，主要跟儲層孔隙類型有關。低煤階煤層氣儲層孔隙類型以大孔、中孔為主，在解吸煤層氣中，儲層內生裂隙將中孔與大孔連通，會造成解吸出現第一次峰值;當外生裂隙與內生的大、中孔隙連通后，解吸再次快速升高，出現第二次峰值。

四是儲層存在的吸附滯后現象明顯，解吸與吸附間的吻合性差異明顯，對甲烷的吸附和解吸呈現不可逆性。主要原因是儲層內的孔隙結構以大、中孔為主，孔隙形狀以細頸瓶孔、開放孔為主，孔隙的兩端開口小，內腔大，加劇了孔隙吸附滯后現象。

五是相對于高煤階煤層氣儲層，低煤層儲層具有擴散系數高、擴散量低等特點，主要原因是低煤階煤層氣儲層小孔、過度孔隙不發育，孔隙的比表面積小，吸附的煤層氣量低，從而造成擴散量低，而且儲層的大、中孔隙發育度高，具有較好的連通性，利于煤層氣擴展，從而造成擴散率和擴散系數均較高。

六是低煤階煤層氣儲層的煤層氣運移通道以基質孔隙為主，運移形態表現為低速非線性，總體的滲透率較低。例如，在調兵山和阜新等低煤階煤層氣儲層中，煤層氣井試井時，儲層滲透率分布大多位于2×10-5～6×10-4μm2，滲透率受儲層埋深影響明顯，埋深越大，滲透率越低。

2.3 含氣特性

儲層的含氣類型主要為儲層中宏觀裂隙、滲流孔以及微觀裂隙中的游離煤層氣，吸附孔內部的吸附氣體以及溶解在儲層水中的煤層氣等。低煤階煤層氣儲層具有高滲透性、低吸附等特點，導致儲層中的煤層氣含量一般較低。例如，寧縣煤層氣井煤層氣儲層實測含氣量在1.97m3/t以下，準東地區煤層氣儲層的含氣量在1m3/t以下。但是，某些地區儲層具有較好的生物氣補充條件和儲層儲氣條件，因此具有較高的煤層氣含量。例如，淮南市低煤階煤層氣儲層的煤層氣含量在2～10m3/t，局部區域煤層氣含量接近15m3/t。由此可以看出，儲層的氣源補給條件和保存條件是影響低煤階煤層氣含量的關鍵因素。

3 低煤階煤層氣成藏分析

隨著低煤階煤層勘探開發的不斷深入，低煤階煤層氣成藏研究日益增加，人們逐漸發現，煤層氣生成條件和儲層存儲特性是煤層氣是否富集成藏的關鍵影響因素。研究表明，煤層氣儲層的賦存特性與地質構造、沉積特征以及水文環境等有關。

3.1 地質構造

地質構造包括構造分異、構造演化以及煤層變形等，它們都會造成煤層氣儲層和周邊圍巖性質發生明顯變化，打破儲層原有的平衡狀態，使得煤層氣富藏區遷移。因而，在對煤層氣成藏進行分析時，人們應重點剖析地質構造升降期間的煤層氣賦存特性、儲層特性等變化。

3.2 沉積體系

沉陷相及沉積體系控制著煤層氣儲層厚度、頂底板巖性，影響儲層儲氣特性和煤層氣成藏位置。從頂底板來看，泥巖儲層的煤層氣含量一般高于砂巖儲層，主要原因是泥巖封內裂隙不發育，封閉效果好。

3.3 地下水

地下水對煤層成藏的位置調整和改造具有重要影響，還影響煤層氣存儲條件。當水動力條件較為活躍、水礦化程度低時，地下水使得大量甲烷菌繁殖發育，利于生物成氣，同時在水動力條件下，水中有機物對甲烷進行吸附并攜帶甲烷遷移，在巖性圈封閉或者存在水力封堵的條件下，煤層氣儲層的含氣量高;反之，當水動力條件差、水體礦化程度高時，儲層的煤層氣含量較低，如吐哈盆地沙爾湖地區。另外，當煤層的含水量較小時，采用排水降壓方式進行煤層氣開采，難以使得煤層氣儲層的壓力降低至解吸壓力之下，造成煤層氣開采困難。

參考文獻：

[1]皇甫玉慧，康永尚，鄧澤，等.低煤階煤層氣成藏模式和勘探方向[J].石油學報，2019（7）：786-797.

[2]王鏡惠.中低煤階煤層氣儲層孔隙結構分段分形特征[J].石油化工高等學校學報，2019（4）：1-7.

[3]張士釗.試述我國低煤階煤層氣地質特征及最新進展[J].化學工程與裝備，2019（5）：238-239.

[4]孫粉錦，田文廣，陳振宏，等.中國低煤階煤層氣多元成藏特征及勘探方向[J].天然氣工業，2018（6）：10-18.

[5]喬康.低煤階煤儲層敏感性分析及對煤層氣排采的影響[J].煤礦安全，2018（5）：14-16.

[6]蔚遠江.準噶爾盆地低煤級煤儲層及煤層氣成藏初步研究[D].北京：中國地質大學，2003.

[7]王博洋，秦勇，申建，等.我國低煤階煤煤層氣地質研究綜述[J].煤炭科學技術，2017（1）：170-179.