煤層氣開(kāi)發(fā)關(guān)鍵地質(zhì)控制因素探討

＊宋百?gòu)?qiáng) 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(kāi)發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)控制因素，為進(jìn)一步提高煤炭資源的利用效率和經(jīng)濟(jì)效益提供科學(xué)依據(jù)。在當(dāng)前能源需求不斷增長(zhǎng)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(chǔ)量難以確定等因素的影響，煤層氣開(kāi)發(fā)面臨著諸多挑戰(zhàn)。因此，深入了解煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵地質(zhì)控制因素對(duì)于優(yōu)化開(kāi)采方案、降低風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。本文將從以下幾個(gè)方面展開(kāi)討論：首先介紹了煤層氣的基本概念及其特點(diǎn)；其次，分析了不同地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)及影響因素；最后，結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)關(guān)鍵地質(zhì)控制因素進(jìn)行了總結(jié)與評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)對(duì)煤層氣資源進(jìn)行了較為全面的研究，主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）煤層氣地質(zhì)特征研究。對(duì)煤層氣的地質(zhì)特征進(jìn)行了詳細(xì)研究，包括煤層氣的分布規(guī)律、煤層氣的成因機(jī)制、煤層氣的儲(chǔ)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(kāi)發(fā)技術(shù)研究。研究了煤層氣的開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境的影響，包括煤層氣開(kāi)采對(duì)地下水的影響、煤層氣開(kāi)采對(duì)地表環(huán)境的影響等，為煤層氣開(kāi)發(fā)提供了環(huán)境保護(hù)的依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)煤層氣資源研究的趨勢(shì)是綜合利用煤炭資源，提高煤層氣的開(kāi)發(fā)效率和產(chǎn)量，同時(shí)注重環(huán)境保護(hù)，實(shí)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(guó)的煤層氣儲(chǔ)量已經(jīng)達(dá)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(shí)也存在著大量的煤層氣資源。因此，研究煤層氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)控制因素對(duì)于提高開(kāi)采效率、降低成本以及保護(hù)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(wèn)題。

（2）煤層氣賦存形式。煤層氣是一種在煤層中儲(chǔ)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(guò)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(chǔ)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(chǔ)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(guò)程相對(duì)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(chǔ)存在煤層中。煤層氣的含量是指煤層中可開(kāi)采的氣體量，通常以體積分?jǐn)?shù)表示。

為了確定煤層氣的含量，通常需要進(jìn)行煤層氣勘探和評(píng)價(jià)工作。這包括采集煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，進(jìn)行地質(zhì)勘探和地球物理勘探，以及進(jìn)行數(shù)值模擬和統(tǒng)計(jì)分析等方法。通過(guò)這些工作，可以估計(jì)煤層氣的含量，并為煤層氣的開(kāi)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(chǔ)層特征

（1）煤層孔隙結(jié)構(gòu)。煤層孔隙是影響煤層氣開(kāi)采和儲(chǔ)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(chǔ)集區(qū)。一般來(lái)說(shuō)，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(duì)儲(chǔ)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(chǔ)足夠的氣體。此外，孔隙形狀也會(huì)影響到儲(chǔ)藏效果。圓形孔隙更容易被堵塞，而長(zhǎng)方形孔隙則更加容易儲(chǔ)存氣體。最后，還要考慮到煤層中的水含量對(duì)其庫(kù)容的影響。由于水的存在會(huì)降低煤層氣的密度，導(dǎo)致儲(chǔ)量減少。因此，要通過(guò)合理的采礦方式來(lái)避免水的進(jìn)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(yùn)動(dòng)引起的構(gòu)造變形也會(huì)對(duì)煤層滲透性產(chǎn)生重要影響。煤層滲透性的評(píng)價(jià)方法目前主要有兩種：一是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)評(píng)估煤層的滲透率；二是利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。在實(shí)際勘探中，為了更好地了解煤層的滲透性特點(diǎn)，還需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)地考察和數(shù)據(jù)采集。例如可以通過(guò)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(cè)量煤層的滲透率。

（3）煤層壓力。煤層氣的儲(chǔ)存在地下，其存儲(chǔ)狀態(tài)與周?chē)h(huán)境有關(guān)。其中，煤層的壓力是影響煤層氣儲(chǔ)存的重要因素之一。煤層氣體的儲(chǔ)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(wú)水巖體中的天然氣更容易儲(chǔ)存和釋放。煤層內(nèi)溫度的變化也會(huì)影響到煤層氣體的儲(chǔ)存情況。當(dāng)溫度升高時(shí)，煤層中天然氣的儲(chǔ)存量會(huì)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(chǔ)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(chǔ)存率。

3.煤層氣運(yùn)移特征

（1）煤層氣吸附解吸特性。在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，煤層氣的吸附和解吸是影響其開(kāi)采的關(guān)鍵性因素之一。在實(shí)際勘探中，常用的測(cè)試方法包括吸附實(shí)驗(yàn)法、滲透率測(cè)定法、孔隙度測(cè)定法等等。其中吸附實(shí)驗(yàn)法是最為常見(jiàn)的一種方法。該方法通過(guò)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(lái)判斷樣品對(duì)CO2的吸附能力。同時(shí)，還可以利用吸附實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)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(cè)定法也是一個(gè)重要的測(cè)試手段。

（2）煤層氣滲流規(guī)律。在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，煤層氣的流動(dòng)是至關(guān)重要的。因此，研究煤層氣的滲流規(guī)律對(duì)于提高開(kāi)采效率和降低開(kāi)采成本具有重要意義。本章將從以下幾個(gè)方面對(duì)煤層氣滲流規(guī)律進(jìn)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(lèi)氣體。這些氣體在不同溫度下會(huì)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?chē)橘|(zhì)之間的接觸界面。由于煤層氣和周?chē)橘|(zhì)之間存在著較大的密度差和滲透率差異，所以煤層氣會(huì)在接觸界面上產(chǎn)生壓力差。

圖2 煤層氣開(kāi)采滲流變化

煤層氣開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)重要的能源開(kāi)發(fā)工作，對(duì)于煤炭資源的綜合利用具有重要意義。在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)控制因素，并對(duì)國(guó)內(nèi)煤層氣資源研究、煤層氣評(píng)價(jià)工作、采礦方式以及C02含量變化進(jìn)行討論。

4.煤層氣評(píng)價(jià)工作

為了確定煤層氣的含量，煤層氣的評(píng)價(jià)工作一般包括以下幾個(gè)方面：（1）煤層氣含量測(cè)定。通過(guò)采集煤層樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，確定煤層氣的含量。在采樣前，需要對(duì)采樣點(diǎn)的位置和深度進(jìn)行詳細(xì)地勘查和定位。采樣時(shí)需要注意避免污染和破壞樣本，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。采樣后，將樣品送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。常用的測(cè)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(cè)量出煤層氣的含量。同時(shí)，還需要考慮其他因素的影響，如溫度、濕度等因素會(huì)對(duì)煤層氣濃度產(chǎn)生一定的影響。因此，在進(jìn)行試驗(yàn)之前要對(duì)這些因素進(jìn)行充分地準(zhǔn)備和調(diào)整。（2）煤層氣吸附解吸實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，模擬煤層氣的吸附解吸過(guò)程，確定煤層氣的吸附解吸規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)中，我們選取了不同類(lèi)型和大小的煤塊作為樣品，分別進(jìn)行吸附和解吸試驗(yàn)。同時(shí)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中采用了多種方法來(lái)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(guò)多次實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)煤層氣具有較強(qiáng)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(huì)隨之增加。而加入一些有機(jī)溶劑可以進(jìn)一步提高煤層氣的吸附性能。（3）煤層氣產(chǎn)能評(píng)價(jià)。通過(guò)煤層氣產(chǎn)能試采，確定煤層氣的產(chǎn)能。在進(jìn)行煤層氣產(chǎn)能評(píng)價(jià)時(shí)，需要考慮多個(gè)方面的因素，如地層結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)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(chǔ)量的主要因素之一。通過(guò)以上評(píng)價(jià)工作，可以確定煤層氣的含量和產(chǎn)能，為煤層氣的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。同時(shí)，還需要對(duì)煤層氣的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，以確保其符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。在進(jìn)行煤層氣產(chǎn)能評(píng)價(jià)的過(guò)程中，需要采用多種方法來(lái)獲取數(shù)據(jù)。常用的方法包括測(cè)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(jìn)入，煤層氣開(kāi)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(guò)抽采煤層氣的方式，將煤層氣抽出，避免水的進(jìn)入。在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，需要考慮多種因素的影響，如地層結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層厚度、含水量等因素。因此，合理選擇抽采方法對(duì)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(jìn)孔進(jìn)行抽采工作，同時(shí)對(duì)井口進(jìn)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(shí)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(guò)程中的壓力波動(dòng)。（2）煤層氣壓裂。通過(guò)壓裂技術(shù)，將煤層氣儲(chǔ)層中的裂縫擴(kuò)展，增加煤層氣的滲透性，避免水的進(jìn)入。在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，煤層氣壓裂是一項(xiàng)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(lái)擴(kuò)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(jìn)行裂縫擴(kuò)展。由于煤層中存在大量的裂縫，因此可以通過(guò)煤層氣壓裂的方式擴(kuò)大這些裂縫，使煤層氣更容易地流出。同時(shí)，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(wèn)題。（3）煤層氣注氣。通過(guò)注入氣體的方式，增加煤層氣儲(chǔ)層中的壓力，避免水的進(jìn)入。在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，注入氣體是一項(xiàng)重要的技術(shù)手段之一。其主要作用是對(duì)于井下液壓系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和保護(hù)。同時(shí)，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(diǎn)。其中，直接注入天然氣可以減少對(duì)井眼的壓力的影響，但需要考慮天然氣的質(zhì)量和價(jià)格等因素；通過(guò)合理的采礦方式，可以有效地避免水的進(jìn)入，提高煤層氣的開(kāi)發(fā)效率。