煤層是煤層氣的氣源巖，又是煤層氣的儲(chǔ)集巖。作為源巖，要求煤層具有一定的厚度和成熟度，煤層厚度大，可保證煤層氣的生成量。熱演化程度是有機(jī)質(zhì)向煤層轉(zhuǎn)化的必要條件，陸生高等植物沉積埋藏后，在泥炭化和煤化作用過(guò)程中都有氣體生成，但各階段生氣量和氣體組分有較大差別。
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我國(guó)煤層氣富集地質(zhì)條件與成藏特征研究

　　1 引言

　　煤層氣是在煤化作用過(guò)程中形成并賦存在煤層中的以甲烷為主的混合氣 ，既包括煤巖中顆?；|(zhì)表面吸附氣、割理和裂隙游離氣和煤層水中溶解氣，也包括在開(kāi)采中煤層內(nèi)常規(guī)薄儲(chǔ)集層中聚集的天然氣[3]。煤層氣與常規(guī)天然氣最根本的區(qū)別在于其源于儲(chǔ)層又儲(chǔ)于煤層，可謂“自生自?xún)?chǔ)”，氣體以吸附形式賦存于煤孔隙介質(zhì);后者源于常規(guī)烴源巖，大多經(jīng)過(guò)運(yùn)移聚集在儲(chǔ)集巖中，可謂“他生他儲(chǔ)”，氣體主要以游離氣方式存在。

　　我國(guó)地質(zhì)歷史上聚煤期有14個(gè)，主要聚煤期有7個(gè)，分別為早石炭世、石炭―二疊紀(jì)、晚二疊世、晚三疊世、早―中侏羅世、白堊紀(jì)、古近紀(jì)和新近紀(jì)。煤炭資源分布不均導(dǎo)致我國(guó)煤層氣資源地區(qū)差異顯著。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國(guó)的煤層氣資源量和技術(shù)可采資源量分布基本一致，主要集中在中部和西部地區(qū)，東部和華南地區(qū)分布較少。中部的晉陜蒙含氣區(qū)煤層技術(shù)可采資源量最大，占全國(guó)技術(shù)可采資源量的47.88%;西部的北疆含氣區(qū)次之，占26.98%;華南含氣區(qū)最小 。

　　2 煤層氣富集的地質(zhì)條件

　　煤層氣屬于自?xún)?chǔ)型天然氣，煤層既是生氣層又是儲(chǔ)集體，因此煤層氣的分布受構(gòu)造、沉積等條件控制。儲(chǔ)集條件、構(gòu)造條件和保存條件等因素相互聯(lián)系和制約，共同影響儲(chǔ)層性質(zhì)、氣體吸附量和含氣飽和度。

　　2.1 儲(chǔ)集條件

　　煤層是煤層氣的氣源巖，又是煤層氣的儲(chǔ)集巖。作為源巖，要求煤層具有一定的厚度和成熟度，煤層厚度大，可保證煤層氣的生成量。熱演化程度是有機(jī)質(zhì)向煤層轉(zhuǎn)化的必要條件，陸生高等植物沉積埋藏后，在泥炭化和煤化作用過(guò)程中都有氣體生成，但各階段生氣量和氣體組分有較大差別。煤化作用的低―中變質(zhì)階段(R=0.5%～2.0%)，干酪根經(jīng)過(guò)熱降解生成重?zé)N、輕烴及甲烷等揮發(fā)物;貧煤和無(wú)煙煤階段(R>2.0%)，干酪根演化過(guò)成熟，有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱降解和熱裂解作用，主要產(chǎn)生甲烷;若演化程度太低(R<0.45%)，生物氣生成量少且不易保存，很難形成煤層氣藏。形成煤層氣藏的煤層主要是低―高煤階煤層，最常見(jiàn)的為中―高煤階煤層。煤層儲(chǔ)集空間和滲透率是氣體賦存的關(guān)鍵，煤儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間由煤基質(zhì)孔隙和天然裂隙系統(tǒng)兩部分組成?；|(zhì)孔隙是煤層氣儲(chǔ)存的主要空間，天然裂隙系統(tǒng)則是煤層氣滲流運(yùn)移的主要通道。基質(zhì)滲透率小，天然裂隙系統(tǒng)是煤層滲透率的決定因素。同時(shí)原地應(yīng)力和煤層埋藏深度也影響滲透率[7-8]。

　　2.2 構(gòu)造條件

　　構(gòu)造條件對(duì)煤層甲烷含量的控制是間接的，應(yīng)力狀態(tài)、構(gòu)造形態(tài)、邊界條件和構(gòu)造演化等因素對(duì)煤層甲烷含量有重要影響。構(gòu)造活動(dòng)活躍，引起煤層升降及破碎變形，改變煤層溫、壓條件，打破原有平衡，容易導(dǎo)致氣體散失而不易保存，相反穩(wěn)定沉積地區(qū)煤層氣含量多、分布穩(wěn)定，如沁水盆地三疊紀(jì)沉積穩(wěn)定，既有利于煤系區(qū)域整體變質(zhì)和煤層氣的大量生成，又保證了煤層氣的穩(wěn)定保存。斷層性質(zhì)和規(guī)模影響煤層含氣量，正斷層常形成煤層氣運(yùn)移逸散通道，造成斷層附近煤層氣含氣量降低，如位于鄂爾多斯盆地東緣南部王家?guī)X井田與趙家灣井田在煤層埋深和煤級(jí)相近的條件下，由于前者斷層極為發(fā)育，其煤層含氣量?jī)H是后者的1/6，逆斷層常形成側(cè)向封堵有利于煤層氣富集。褶皺對(duì)煤層氣的封存與聚集具有明顯的控制作用[10]，一般向斜軸部煤層甲烷含量高而背斜軸部含量低。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)也是影響煤層氣含量的另一重要因素，應(yīng)力釋放，割理容易產(chǎn)生并處于開(kāi)啟狀態(tài)從而利于煤層氣的運(yùn)移和儲(chǔ)存。

　　2.3 保存條件

　　良好的封蓋層和及有利的水文地質(zhì)條件等是煤層氣富集的重要因素[11]。

　　(1)蓋層

　　蓋層對(duì)煤儲(chǔ)層氣體的封閉作用有三種機(jī)制：毛細(xì)管封閉、壓力封閉和烴濃度封閉。毛細(xì)管封閉和壓力封閉可以阻止氣體運(yùn)移，烴濃度封閉主要是阻止氣體的擴(kuò)散。蓋層毛細(xì)管封閉能力的大小取決于排驅(qū)壓力，壓力封閉能力受控于滲透率，而烴濃度封閉能力與擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系密切。不同巖性的封閉能力有很大的差別，屏蔽層的代表巖性為鹽巖、泥巖、致密泥灰?guī)r和灰?guī)r;半屏蔽層的代表巖性為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖;透氣層的代表巖性為粉砂巖、砂巖和裂隙灰?guī)r。區(qū)域性蓋層穩(wěn)定分布且厚度大于5m，有利于阻止煤層氣的運(yùn)移和散失。沁水盆地晉試1井主力煤層氣含量高達(dá)30m3/t，這與上覆一套連續(xù)分布、厚達(dá)50余米的泥巖蓋層有直接關(guān)系。

　　(2)水文地質(zhì)條件

　　水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣藏的封閉作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是有利的承壓水條件可以有效的抑制煤儲(chǔ)層淺部風(fēng)化帶向深部的延伸;二是在水動(dòng)力不活躍的條件下承壓水充填在煤系周?chē)規(guī)r或砂巖中，對(duì)煤層氣藏形成封閉，有效的阻止煤層氣的散失。

　　3 煤層氣的成藏特征

　　3.1 煤層氣的生成機(jī)理

　　傳統(tǒng)的煤層氣成因類(lèi)型包括：熱成因、生物成因、混合成因等，生物成因煤層氣主要形成于煤化作用早期階段即泥炭沼澤或低煤級(jí)煤(褐煤)階段。大量生物氣生成所需要的條件是：缺氧、低溫、低硫酸鹽、高PH值、淺埋深、適當(dāng)?shù)目紫犊臻g、含有大量有機(jī)質(zhì)的迅速沉積環(huán)境。生物氣生成通過(guò)兩個(gè)途徑，一是還原二氧化碳，二是甲基類(lèi)發(fā)酵(醋酸發(fā)酵)。熱成因煤層氣主要形成于煤層由低煤階向高媒階演化的過(guò)程中，隨埋深增加，溫度和壓力也增大，煤層中熱解揮發(fā)以甲烷為主熱解烴類(lèi)。

　　3.2 煤層氣的賦存機(jī)理 　　煤層中煤層氣賦存量關(guān)系到煤層氣在煤層中的流動(dòng)規(guī)律。煤層氣以溶解氣、游離氣和吸附氣三種方式賦存于煤層的孔隙、裂隙系統(tǒng)中。割理的孔隙度一般都較小且被水充滿(mǎn)，其中溶解氣、游離氣較少，主要作為煤層氣滲流運(yùn)移的通道。煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在于煤的基質(zhì)微孔中，吸附氣含量占90%～95%以上。游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)處于此消彼長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。

　　3.3 煤層氣的運(yùn)移機(jī)理

　　煤層氣藏是一種壓力圈閉氣藏，其運(yùn)移指煤儲(chǔ)層內(nèi)氣體的解吸擴(kuò)散滲流過(guò)程，其結(jié)果是煤層氣的相對(duì)富集和貧化。煤層氣的開(kāi)發(fā)實(shí)際上也經(jīng)歷了解吸、擴(kuò)散、滲流三個(gè)階段，首先煤基質(zhì)內(nèi)表面上吸附的煤層氣因孔隙壓力降低而解吸，擴(kuò)散至裂隙中轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x氣，然后由于裂隙和井孔之間的壓力梯度及濃度梯度產(chǎn)生煤層氣滲流，最終由煤層氣井產(chǎn)出。

　　4 我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　我國(guó)煤層氣的開(kāi)發(fā)利用起步較晚，始于20世紀(jì)50年代，20世紀(jì)70年代末至90年代初為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)試驗(yàn)初期和煤層氣井下抽放利用階段，自20世紀(jì)90年代初到現(xiàn)在，我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)進(jìn)入引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)煤層氣勘探開(kāi)采試驗(yàn)全面展開(kāi)階段，尤其是中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司成立后，中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)入了規(guī)劃管理、有序發(fā)展、基礎(chǔ)研究和開(kāi)發(fā)并舉的階段 。

　　我國(guó)當(dāng)前不合理的能源結(jié)構(gòu)嚴(yán)重制約著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，以煤為主的消費(fèi)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，此背景下我國(guó)煤層氣的開(kāi)采利用具有很大的前景。同其他國(guó)家一樣，我國(guó)煤層氣工業(yè)將以井下抽放和地面排采并行的方式生產(chǎn)，一方面改進(jìn)井下抽放技術(shù)提高效率，另一方面大力開(kāi)展地面排采試驗(yàn)。劉洪林等利用翁氏旋回法、龔珀茲法和歷史趨勢(shì)預(yù)測(cè)法等三種方法進(jìn)行了中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)(表1)。

　　總體看來(lái)，三種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果均顯示未來(lái)50年煤層氣產(chǎn)量將保持高速增長(zhǎng)。根據(jù)我國(guó)煤層氣發(fā)展速度及政策導(dǎo)向，預(yù)測(cè)我國(guó)煤層氣產(chǎn)量將經(jīng)過(guò)緩慢、快速和穩(wěn)定三個(gè)階段的增長(zhǎng)期。

　　5 總結(jié)

　　(1)煤層條件、構(gòu)造背景和保存條件控制煤層氣富集程度。煤層既是源巖又是儲(chǔ)層，構(gòu)造背景是煤層氣藏形成的必要條件，保存條件是現(xiàn)今煤層氣藏存在的前提。

　　(2)煤層氣成因類(lèi)型包括生物成因、熱成因、混合成因等，煤層氣以游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)動(dòng)態(tài)平衡方式賦存于儲(chǔ)集空間內(nèi)，其運(yùn)移機(jī)理包括解吸、擴(kuò)散、滲流三個(gè)階段。

　　加大投入與扶持力度，有利于實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤層氣的可持續(xù)發(fā)展，這也符合當(dāng)前能源發(fā)展的需求。