李金珊，杨敏芳，李仲学

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

煤层气主要为甲烷成分(CH4)，以吸附或游离态为主要方式赋存煤层中，煤层气以煤层为储集层，气源由煤层自身生成，主要以吸附状态存在，不像常规油气遵循重力分异原理。目前，世界上已有29个国家全面开展了煤层气研究，进行煤层气勘探开发活动。美国是世界上煤层气商业化开发最成功的国家，迄今为止煤层气产量位居全球第一。加拿大根据本国煤层地质构造特征，开展了分支水平井、连续油管压裂等技术研究，并取得了突出进展。澳大利亚的煤层气勘探开发以井下定向井开发为主，煤层气产量已经成为天然气产量的重要组成部分。美国成功研究开发出一套适合进行煤层气商业开发煤层气勘探工艺技术，煤层气的采收率为30%～60%，最高可达80%，研制了煤层气产出“排水—降压—解吸—扩散—渗流”过程开发模式，以圣胡安和黑勇士盆地为基地形成煤层气产业化，建立了煤层气成藏与开发的系统理论，形成了以沉积、构造、煤化作用、含气性及渗透率为考察主体的煤层气评价模式。中国有丰富的煤层气资源，煤层气储量居世界第三位，开发前景十分广阔。根据油气资源评价结果，中国深埋2000m以浅的煤层气资源量约35×1012m3，中国煤层气开发刚处与小规模商业化阶段。

1 煤层气富集成藏地质特征

1.1 煤层气富集成藏规律

在煤层气富集成藏的研究中，煤层气富集成藏特指煤层的甲烷富集成藏[1]。影响煤层中气体吸附的因素很多，如温度、压力、煤化性质、煤岩组分[2-4]。煤层气富集成藏地质特征的研究，以煤层气的含气性为富集成藏主要指标，另外还有一定的区域规律性和差异可比性。国外专家Harris和Gayer认为，构造条件、煤层埋深、煤层厚度、含气量、煤阶、渗透率、煤层气压力、解吸压力和水文地质条件是影响煤层气富集成藏的主要因素[5]。煤层气可分为早期生物成因气、热成因气和次生生物成因气。按照成因类型和成气阶段，美国的Scott、澳大利亚的Smith、波兰的Kotarb等人提出了次生生物成因气理论[6-9]。

1.2 煤层气富集程度判别

煤层气富集成藏程度的主要判别指标是煤层含气性。含气性主要包括煤层甲烷含量、含气浓度、含气饱和度、含气丰度等指标。煤层甲烷含量，指单位体积或单位质量煤体中所含有的甲烷体积；煤层含气浓度，是指煤层气组分中甲烷成分所占的体积分数；煤层含气丰度，是指在单位面积范围内煤层气的含气资源量；煤层含气饱和度，是指煤层实际含气量与理论含气量的比值。通常情况下，煤层气含量相对大的可判定为煤层气富集成藏区域。

1.3 煤层气富集成藏形成

煤层气的富集成藏是在成煤过程中与煤同时生成的，受控于其储集条件。煤层气具有吸附性物理性质，煤层不同变质程度，对甲烷具有不同的吸附性能，吸附性能又受到外部温度、压力条件的影响。煤层气富集成藏的形成主要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层变质程度的影响，保存条件主要受到盖层和地质构造作用的影响。煤层气的封盖和运移也是煤层气的富集成藏条件。

2 煤层气富集成藏潜力评价

2.1 煤层地质形成及特征

在煤层气项目评价，首先要进行煤层地质综合分析，是煤层气资源量和储量评估的基础。因为，煤层气是非常规天然气形成机理、开采方式与常规天然气有较大的差别。

1)含煤盆地构造背景。具有稳定区域构造背景的含煤盆地有利于煤层气开发，尤其是盆地内构造相对活动的区域，含煤盆地内断层等构造影响煤层气的产量，稳定的含煤盆地构造背景是煤层气存储的保证。

2)煤岩显微组分。在光学显微镜下能识别出来的组成煤的基本成分称为显微组分。煤岩有机显微组分通常分为镜质组、壳质组和惰质组。镜质组含量是影响煤层气含量重要因素之一，因此显微组定量分析是煤层气勘探中煤层评价的一项重要内容。显微煤岩组分镜质组含量低，生气母质条件较差；煤岩变质程度低，为低煤阶，热成因气量少[10]。煤岩模拟实验等研究表明，煤化作用过程镜质组明显。土耳其宗古尔达克盆地石炭系煤岩以镜质组为主，镜质组含量十分明显(图1)。

图1 土耳其宗古尔达克盆地石炭系煤岩显微组分布图

3)煤岩沉积环境。成煤环境控制了煤的类型、煤质、煤层连续性、煤层厚度及煤层顶、地板岩性等，是煤层气地质研究的重要组成部分。沉积环境与煤岩灰分关系密切，灰分影响着煤岩的吸附能力。煤层气是以吸着态、游离态和溶解态三种形式赋存，其中吸着态包括吸附态、吸收态和凝聚态，吸附态是其最主要的赋存状态，煤层气的储集主要受到其吸附能力的控制[11]。

2.2 煤层气潜力评价指标

在煤层气项目开发煤层气潜力评价的主要指标有：煤层厚度、煤层孔隙度、煤层渗透率、煤级、煤层含气量等参数[12]。

1)煤层厚度。煤层厚度是煤层气生成与富集的物质基础，体现了构造、沉积及程岩对泥炭的影响，是煤层气富集成藏潜力评价重要参数。煤层厚度的估算基于取心和测井，测井是估算煤层厚度的首选工具。在美国尤因塔盆地的这些区域，一口钻井通常会钻遇4～6个煤层，煤层储量占煤层气总储量的10%～13%。煤层越厚对气藏越有利，单井煤层气总厚度均大于10m；薄煤层(总厚度小于5m)分布区一般没有商业开采价值，煤层单层厚度大于0.6m可以与上下煤层分层压裂开采。美国黑勇士盆地Pottsvillee组Pratt、MaryLee等煤层净厚度为3.05～6.10m，附近尤因塔盆地的砂岩储层储量可占煤层气总储量的10%～15%，如图2所示，测井曲线与射孔段数据表明，尤因塔盆地的砂岩储层煤层深度，具备可开发潜力。

图2 美国尤因塔盆地Telonis19-151井测井曲线与射孔段

2)煤层孔隙度。煤层孔隙度主要分为基质孔隙和裂缝孔隙，基质孔隙是煤层气的赋存空间，裂隙孔隙对煤层气运移和产出具有决定作用，对结构特征的正确认识是煤层气开发的关键。裂缝孔隙是大孔的主体，是在成煤及变质过程中，煤受到自然界各种应力作用所致。煤层孔隙半径4～8nm之间，甲烷分子半径0.26nm，通过岩心测得平均孔隙度一般小于10%，90%的煤层气吸附在微孔面。

3)煤层渗透率。煤层渗透率是表征煤层中煤层气和煤层水渗透性的重要参数，是决定煤层气潜力和能否开发的重要指标。煤层天然裂隙系统发育，渗透率大于2×10-3μm2。流体流动和压力传递主要依赖于割理和裂缝。煤层渗透率除受自身裂缝孔隙发育程度影响外，还受外部有效应力、克林伯格效应及基质收缩影响。煤层渗透率高会提高煤层气的出采程度。例如，美国粉河盆地含气量0.45～2.15m3/t，渗透率10～1000μm2，采收率为80%。

4)煤层含气量。是确定煤层气资源量、储量及储量丰度的重要参数，与煤层气分布面积、厚度、储层压力、煤层物性、吸附等温线等一起综合分析煤层气潜力的条件、预测产气能力的主要指标。煤层含气量由吸附含气量、游离气含气量和水溶气含气量3部分组成，以吸附含气量为主。在实际应用中，可以认为埋藏温度压力条件下，煤层的吸附量即为煤层含气量。测定煤在各种压力下所含的气量，即可确定等温吸附曲线。煤层气组分对煤层含量影响很大，天然状态下，煤层气体以CH4、CO2、N2为主，在某些情况下会存在SO2、H2S。煤层气含量是煤层气潜力评价的重要指标，可分为贫气、含气、富气区域，商业开发的下限气含量指标约为4.25 m3/t。

5)煤级。当泥炭被掩埋并随着温度和压力的增加而转变成煤时，其物理和化学性质会发生变化，反映了煤的变质过程与煤层含气量、渗透率、孔隙度及煤岩机械性能有关，是煤层气潜力研究的重要内容，前苏联学者B.A.乌斯别斯基通过人工热演化实验表明，从长焰煤煤化为无烟煤时至少生成了100m3以上的甲烷，从长焰煤到无烟煤则至少生成了210m3的甲烷[13]。镜质组是最合适的煤级指标，国际一般采用镜质组最大反射率来确定煤级。煤化作用是煤形成过程中温度和压力作用引起，煤化程度不同，煤级也存在一定差异[14-15]。煤级低含气量少、难以形成商业开发，中煤级裂缝发育、含气量高有利于开发。

3 结论

通过对煤层气富集成藏的地质特征资料的研究和实践，揭示了煤层气富集成藏的地质特征，对煤层气的潜力评价提出了标准参数，通过理论分析研究得出以下结论。

1)采用理论分析方法研究相关的煤层气富集成藏的理论，从煤层气富集成藏的规律、富集程度判别指标、富集成藏形成三个方面，通过文献资料分析综述煤层气的富集成藏的地质特征。

2)通过对煤层地质形成及特征的研究，煤层气与常规天然气有很大的差别，在含煤盆地构造背景、煤岩显微组分、煤岩沉积环境等方面有明显的地质特征。

3)在判别煤层气潜力评价重要参数，主要选取煤层厚度、煤层孔隙度、煤层渗透率、煤级、煤层含气量等作为煤层气主要评价参数。经研究表明：煤层厚度单井煤层气总厚度均大于10m，单层厚度大于0.6m；煤层孔隙度半径约为4～8nm；煤层渗透率大于2×10-3μm2；煤级为中煤级裂缝发育；煤层含气量约为4.25m3/t，可定义为煤层气潜力评价标准。

[1] 李志强.重庆沥鼻峡背斜煤层气富集成藏规律及有利区带预测研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[2] 王猛，朱炎铭，李伍，等．沁水盆地郑庄区块构造演化与煤层气成藏[J]．中国矿业大学学报，2012，41(3)：425-431．

[3] 刘世奇，桑树勋，李梦溪，等．沁水盆地南部煤层气井网排采压降漏斗的控制因素[J]．中国矿业大学学报，2012，41(6)：943-950．

[4] 张松航，唐书恒，万毅，等．晋城无烟煤煤中CH4和CO2运移规律研究[J]．中国矿业大学学报，2012，41(5):770-775.

[5] Gayer R and Harris L.Coalbed Methane and Coal Geology[M].London：Geological Society，1996:1-38.

[6] Scott A R.Composition and origin of coalbed gases from selected basins in the United States[R].In：proceedings of the 1993 International Coalbed Methane，1993：207-222.

[7] Scott A R，Kaiser W R，Ayers Jr W B.Thermogenic and Secondary Biogenic Gases，San Juan Basin，Colorado and New Mexico-Implications for Coalbed Gas Producibility [J].AAPG bulletin，1994，78(8)：1186-1209.

[8] Koatarba M J.Compostion and origin of coalbed gases in the Upper Silesian and Lublin basins.Poland [J].Organic Geochemistry，2001,32(1):163-180.

[9] Smith J W and Pallasser R J.Microbial origin of Australian coalbed methane [J].AAPG Bulletin，1996,80(6)：891-897.

[10] 杨敏芳.潮水盆地煤层气储层特征及勘探潜力[M]..天然气工业，2013，33(2).12-16.

[11] 杨永国,秦勇,姜波.煤层气项目经济评价理论与方法研究[M].徐州：中国矿业大学出版社.2001.

[12] 杨福忠,祝厚勤，等.澳大利亚煤层气地质特征及勘探技术——以博文和苏拉特盆地为例[M].北京：石油工业出版社，2013.

[13] 郑得文.煤层气资源储量评估方法与理论研究[D].杭州：浙江大学，2007.

[14] 刘会虎，桑树勋，李仰民，等．沁南煤层气田开发区块内煤层气生产接替研究[J]．中国矿业大学学报，2011，40(3)：410-416．

[15] 刘新福，綦耀光，胡爱梅，等．煤层气井气水两相流入动态关系研究[J]．中国矿业大学学报，2011，40(4)：561-565．