煤层气基础知识

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1、1.1. 煤层气的定义和基本特征从矿产资源的角度讲，煤层气是以甲烷为主要成分（含量85%）,是在煤 化作用过程中形成的，储集在煤层气及其临近岩层之中的，可以利用开发技术将 其从煤层中采出并加以利用的非常规天然气。对煤层气而言，煤层既是气源岩，又是。煤层具有一系列独特的物理、化学 性质和特殊的岩石力学性质，因而使煤层气在贮气机理、孔渗性能、气井的产气 机理和产量动态等方面与常规天然气有明显的区别（详见表 1.1），表现出鲜明 的特征。表1.1 煤层气藏与常规天然气藏基本特征的对比特征煤层气常规天然气气藏类型层状的沉积岩局部圈闭气源自生外源储基层岩性有机质高度富集的可燃有积岩，易受 入井液、水泥等

2、的伤害几乎是100%的无机质岩石，不易 受伤害双重空隙结构煤基质块中的孔隙是主要的孔隙，占 总空隙体积德绝大部分；裂隙系统是 天然气裂隙，占总空隙体积的次要部 分，它们基本上等间距分布，并使煤 具有不连续性主要发育于石灰岩、白云岩，页岩 及致密砂岩中。天然裂隙（包括节 理、裂隙、溶道、洞穴等）将粒间 孔隙分割成一个个方块，裂隙是随 机分布的气体的贮存气体的绝大部分贝吸附在煤的表面 上，孔隙空间中很少或没有游离气气体以游离态贮集在岩石的孔隙空 间中流动机理在基质中的流动是由浓度梯度引起的 扩散，然后由于压力梯度的作用在裂 隙中引起渗滤流动是由压力梯度引起的层流，并 服从达西定律；在近井地带可出现

3、 紊流气产出机理解吸-扩散-渗流在气体自身的压力梯度作用下流动气井生产状况气产量随时间而增加，直至达最大值， 然后大降。起初主要产水，气水值随 时间而增大气产量开始最大，然后随时间而降 低。起初，很少或者没有水产出， 但气水值随时间而减少机械性能由于煤具有脆性和裂隙较发育，因而 是一种较弱的岩石，这使钻井的稳定 性较差，并影响水力压裂的效果。在 一定条件下，可采用特殊的洞穴完井 技术。氏模量在700MPa围岩石较坚硬，通常钻井的稳定性不 成问题。氏模量在7000MPa围储层性质易被压缩，孔隙体积压缩系数在0.01MPa-1围，因而孔隙度、渗透性压缩性很小，孔隙体积压缩系数在10-4MPa-1围

4、，孔隙度、渗透性在对应力较敏感，在生产期间有明显的 变化生产期间的变化不明显资料来源：新民 中国煤层气地质与资源评价 2002 年1.2. 煤层气生成1.2.1. 煤层气成因类型及形成机理从泥炭到不同变质程度煤的形成过程中，都有气体的生成。根据气体生成机 理的不同，可以将煤层气的成因类型分为生物成因和热成因两类。生物成因气主 要形成于煤化作用的未成熟期，而热成因气主要形成于煤化作用的成熟期和过成 熟期。1.2.1.1. 生物成因气生物成因气主要由甲烷组成，它是由各种微生物的一系列复杂作用过程导致 有机质发生降解作用而形成。生物成因气又可以根据产生阶段的不同分为原生生 物气和次生生物气。（1）原

5、生生物气原生生物气是在煤化作用早期（R0.5%）,在较低的温度下（一般低于50 0oC）,在煤层埋藏较浅处（400m）,在细菌的参与和作用下，微生物对有机质 发生分解作用而形成的以CH为主要成分的生物生成气。在原生物生成气生成的4具体途径和方式有两种，一种是由CO还原而成；另一种由甲基类发酵（一般为2醋酸发酵）而成。生物气的形成应具备的主要条件是：缺氧环境；低硫酸盐 浓度；低温；丰富的有机质；高PH值；足够的空间。（2）次生生物气Rice （1981）和Scott （1994）等人认为在近地质时期，煤层被抬升，活 跃的地下水系统和大气淡水形成了微生物活动的有利环境，在相对较低的温度下，微生物降

6、解和代煤层中已经形成的湿气、甲烷和其它有机化合物，生成次生 物成因气（主要是 CO 和 CH ）。次生物成因气的地球化学组成与原生生物成因24 煤层气相似，主要差别在于煤岩的热演化阶段。在次生生物气的形成阶段， R 0值围很宽，一般为0.30%1.50%，且煤层一般被抬升到浅部。次生生物气生 成和储存的条件是：煤层埋藏并煤化到褐煤或较高煤级；区域隆起或抬升； 适宜的渗透性；盆地边缘有流水回灌到煤层中；有细菌运移到煤层中； 有高储层压力和圈闭条件。1.2.1.2. 热成因气 随着煤变质程度不断加深，煤层由低阶向高阶演化，当煤化进入长焰煤阶段（R 0.5%），就开始了热生气阶段。随着煤化作用的不断

7、加深，二氧化碳和0水不断消耗，煤层生气量不断增加，一直到无烟煤口、皿号阶段（即R 6.00%）0 为止。根据生成阶段的不同，热成因气又可具体划分为热降解气和热裂解气。（1）热降解气热降解生 气阶段 主要发 生在煤 化作用 的长焰 煤到瘦 煤阶段 （即 R 为00.5%1.9%）。这一阶段发生的化学反应主要是在热力作用下（01.9%）。在高温条件下（250C），残余的干酪根、液态烃和部分重烃发生裂解 生气。这一阶段所生成的气体以甲烷为主，是重烃含气量较低的干气。1.2.2. 煤层气组分及影响因素1.2.2.1. 煤层气组分煤层气一般均由CH组成，还包括C H、C H、C H 等及部分CO、CO、

8、4 2 6 3 8 4 10 2N、H、HS等。根据Scott于1995年对美国1380口煤层气生产井气体成分的 222统计结果表明，煤层气的平均成分为：CH93%、CO 3%、湿气3%、N 1%。4 2 21.2.2.2. 煤层气组分影响因素虽然煤层气的主要成分是甲烷，但是在不同盆地、不同煤级的储层、不同煤 层气井之间，煤层气的组成经常会出现较大的差异。这是因为煤层气的形成是长 期的煤化作用的结果，其形成时间比较长，且形成环境复杂特殊，其组分受到多 种因素的影响。煤层气成分的主控因素包括：煤的显微组成；煤层气的成因 类型；煤层气自身的解吸一扩散一运移；储层压力；煤阶；水文地质条 件。1.3.

9、 煤层气成藏1.3.1 煤层气成藏的含义常规天然气藏的定义是建立在圈闭基础之上的。天然气藏是指天然气在单一 圈闭中的聚集。“单一”的含义主要指受单一要素控制、在统一面积具有统一的 压力系统、统一的（油）气、水边界（戴金星等，1996），是天然气在地壳中聚 集的基本单位。圈闭“是地层空间中一个由等气势面或等油势面构成的三维封闭 的低气或油势空间”（戴金星等，1996）。储层、盖层和遮挡条件（指地层褶曲、 断层、岩性、水动力等）这三要素共同组成圈闭，再加上气源的进入就形成了天 然气藏。煤层气以煤层为储基层，气源由煤层自身生成，主要以吸附态存在，它不像常规油气藏那样遵循重力分异原理。常规气藏在运移、

10、聚集过程中，油、气、水 不断分异，不论何种圈闭、何种形态，一般都聚集在位于储层相对较高处的由高 气势面封闭构成的低气势区；而煤层气则不必受由高气势面构成的三维封闭的低 气势而形成的圈闭的控制，只要有较好的盖层条件，能够维持相当的地层压力， 使煤层能“吸附住”一定的气体，无论在储层（即煤层）的构造高部位还是低部 位，都能形成气藏。因此，煤层气藏的定义不建立在圈闭概念之上。煤层气藏是指在地层压力（水 压和气压）作用下保有一定数量气体的同一含煤地层的煤岩体，并具有独立的构 造形态。它是在煤层热演化作用过程中形成的，而在后期构造运动中未被完全破 坏，呈层状产出。煤层气藏是进行煤层气勘探和开发的基本地质

11、单元。1.3.2. 煤层气藏形成条件煤层气藏的形成条件包括储集和保存两个方面的条件。储集条件主要受煤层 厚度和煤变质程度影响，而保存条件主要受盖层和地质构造作用的影响。另外， 由于煤层的埋藏深度对气成分、储层压力、煤储层的渗透性有重要影响，因而也 是控制煤层气藏的一个重要因素。1.3.2.1. 煤层厚度一定厚度的煤层，使煤层气藏形成的基础。煤层越厚对煤层气藏越有利。1.3.2.2. 煤变质程度煤层的生气量和储气能力都受煤变质程度的控制，所以煤变质程度对煤层气藏的形成具有重要作用。其表现主要有两个方面：煤变质程度太低，不利于煤层气藏的形成。对于褐煤，由于处于生物化 学生气阶段，热解气即将开始生成

12、，所以煤层的含气量不高。同时，由于褐煤煤 层透气性能良好，致使煤层气容易逸散。因此，褐煤很难形成有价值的煤层气藏。但是，当煤层埋藏较深，厚度很大时，或者有良好的盖层时，褐煤也可以形成煤 层气藏。煤变质程度太高，煤层已失去储气能力，不能形成煤层气藏。对于超高变质的超无烟煤，孔隙度很低，储气能力十分有限，不能形成煤层气藏。1.3.2.3. 煤层埋藏深度煤层的埋藏深度是压力的主要来源，随着埋藏深度的增加，压力不断增大， 煤层对甲烷的吸附能力也随之提高。具体表现为煤层含气量随着埋藏深度的增加 而有规律的增长。此外，如果地质构造条件发生变化，使得煤层发生升降，就会 改变压力，从而影响煤层气藏的保存。1.

13、3.2.4. 封盖条件对于煤层气藏，气体主要以吸附态存在，气藏压力也比较低，因而它对盖 层的要求不如天然气藏那样严格。良好的封盖条件对煤层气藏的形成仍然是一个 重要条件，它能将不同煤系地层分隔成各自独立的系统，使吸附在煤层中的烃类 气体以吸附状态较长时间地保存在煤层中，减少溶解气和游离气的散失。1.3.2.5. 水文地质条件封闭的水动力系统和水动力受阻形成的高压是煤层气吸附和富集的有利条 件。如果封闭的水动力系统被打破，将破坏煤层的压力平衡，使得吸附气减少， 溶解气和游离气发生散失。1.3.3. 煤层气藏类型目前，煤层气藏的类型划分尚未形成统一认识，本文采用王红岩等提出的分 类方法：表1.2

14、常见煤层气藏类型、特点及实例类型特点实例水压单斜型煤层气藏位于大型沉积盆地的边缘、构造稳定、 断裂不发育，煤层分布稳定、围广泛， 煤层埋深2,000 m鄂尔多斯盆地、沁水盆地水压向斜型煤层气藏位于老的中小型含煤盆地，煤层最大埋 深2,500 m,煤层分布广泛而稳定， 断裂和构造活动相对不发育圣胡安盆地（美国）、向 斜煤盆地气压向斜煤层气藏位于年轻的小型一中型沉积盆地上，煤 层埋藏在4,500 m以下、超压，构造 相对稳定、断裂相对不发育，煤层分布 广泛而稳定、低渗透、低产开平向斜断块型煤层气藏位于中小型含煤盆地上，煤层埋藏浅，一 般2,000 m，断裂发育，构造活动强 烈，水文地质相对简单两淮

15、、渭北、豫西背斜型煤层气藏一般位于中小型含煤盆地，构造断裂中 等，水文地质条件简单白沙矿梅田井田地层-岩性型煤层气 藏位于中一小型含煤盆地中，以陆相含煤 盆地最为发育，煤层分布围小，不稳定， 煤层埋藏深度2,000 m准格尔、吐哈岩体刺窜型煤层气藏位于有岩浆侵入的各种类型煤盆地中， 构造中等一复杂，断裂发育东北的铁法煤田复合类型富集区存在与各种类型的煤盆地资料来源：王红岩等.煤层气富集成藏规律.20051.4. 煤层气的开发和利用1.4.1. 煤层气开发1.4.1.1. 煤层气开发方式最常见的煤层气开发方式主要有两种，即：井下瓦斯抽放和地面钻井开采。（1）井下抽放煤层气井下抽放煤层气是从煤矿井下采掘巷道中打钻孔，在地面通过煤层气泵来抽 取煤层中的煤层气。这种开发方式的煤层气产量较小，甲烷浓度不高 （20%50%），而且容易受到煤矿采掘生产的影响，所以它多以