浅析影响煤层气藏形成和保存的因素

袁龙武

摘要:煤层气已成为一种新兴的非常规天然气资源。煤层气是成煤物质在煤化过程中生成并储集于煤层中的气体,本文主要论述了影响煤层气藏形成和保存的诸多因素,对煤层气的勘探开发和合理利用都具有重要的指导意义。

关键词:煤层气 形成 保存

中图分类号:TD1文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0175-01

煤层气俗称“瓦斯”,其主要成份为高纯度甲烷,是近二十年在世界上崛起的新型能源,其资源总量与常规天然气相当。煤炭开采中排出的大量煤层气作为一种新型能源,具有独特的优势,是优化一次能源结构的重要组成部分,是优质的能源和基础化工原料。

1 煤层气的成因类型与形成机理

植物体埋藏后,经过微生物的生物化学作用转化为泥炭(泥炭化作用阶段),泥炭又经历以物理化学作用为主的地质作用,向褐煤、烟煤和无烟煤转化(煤化作用阶段)。在煤化作用过程中,成煤物质发生了复杂的物理化学变化,挥发份含量和含水量减少,发热量和固定碳的含量增加,同时也生成了以甲烷为主的气体。煤体由褐煤转化为烟煤的过程,每吨煤伴随有280～350m3(甚至更多)的甲烷及100～150m3的二氧化碳析出。

泥炭在煤化作用过程中,通过两个过程,即生物成因过程和热成因过程而生成气体。生成的气体分别称为生物成因气和热成因气。

1.1生物成因气

生物成因气是指在相对低的温度(一般小于50℃)条件下,通过细菌的参与或作用,在煤层中生成的以甲烷为主并含少量其它成分的气体。生物成因气的生成有两种机制,即二氧化碳的还原作用和有机酸(一般为乙酸)的发酵作用。尽管两种作用都在近地表环境中进行,但根据组分研究,大部分古代聚集的生物气可能来自二氧化碳的还原作用。煤层中生成大量生物成因气的有利条件是:大量有机质的快速沉积、充裕的孔隙空间、低温和高pH值的缺氧环境。按照生气时间和母质以及地质条件的不同,生物成因气有原生生物成因气和次生生物成因气两种类型,两者在成因上无本质差别。

1.1.1原生生物成因气

原生生物成因气是在煤化作用阶段早期,泥炭沼泽环境中的低变质煤(泥炭到亚烟煤)经细菌等有机质分解等一系列复杂过程所生成的气体。由于泥炭或低变质煤中的孔隙很有限,加之埋藏浅、压力低,对气体的吸附作用也弱,故一般认为原生生物成因气难以保存下来。

1.1.2 次生生物成因气

煤系地层在后期被构造作用抬升并剥蚀到近地表,细菌通过流动水(多为雨水)可运移到煤层含水层中。在相对低的温度下(一般小于50 ℃),细菌通过降解和代谢作用将煤层中已生成的湿气转变成甲烷和二氧化碳,即形成次生生物成因气。次生生物气的形成时代一般较晚(几万至几百万年前)。煤层中存留的生物成因气大部分属于次生生物成因气。

1.2 热成因气

当温度超过50 ℃,煤化作用增强,煤中碳含量丰富起来,而大量富氢和富氧的挥发份释放出来(去挥发份作用),其主要成分是甲烷、二氧化碳和水等。在较高温度下,有机酸的脱羧基作用也可以生成甲烷和二氧化碳。热成因气体的生成一般分为早期阶段和主要阶段(也称为晚期阶段)。

1.2.1 早期阶段

Scott认为煤化作用早期阶段,从高挥发份烟煤(Ro介于0.5%～0.8%之间)中生成气体。气体的一般特征是含有较多的乙烷、丙烷及其它湿气成分。其中湿气生成阶段(Ro值为0.6%～0.8%)产生的煤层气中的干燥系数低于0.80,且乙烷含量可能超过11%。

1.2.2 主要阶段

根据美国和德国各种煤层的资料,假定只有甲烷和二氧化碳从煤中释放出来,则大量有工业价值的煤层气在煤的Ro值介于0.7%～1.0%之间时生成。即煤级达到高挥发性A烟煤(Ro=0.74%～1.0%)时,有显著数量的热成因甲烷生成,在玆o值为1.2%前后处于生气高峰期。

2煤层气藏的保存条件

煤层气的保存是多种因素共同作用的结果,在研究保存条件时,必须综合考虑各种因素的影响,而在整个发展过程中不同的因素在不同的历史阶段起着不同的作用。

较强的吸附能力是煤层气富集的前提。煤层气主要以吸附状态存在于煤的基质微孔中,吸附气占总含气量的90～95%以上,正是由于煤的这种吸附特性决定了煤的储集能力。煤对气体的吸附能力越高,吸附量越大,越有力于煤层气的保存,易于形成高含气量煤层气藏。

煤层气属于自生自储式,不需要初次运移,这就要求自生气开始,就需要有良好的封盖条件才能使煤层气得以保存。盖层的作用主要是阻止游离气的散失,即使是在构造运动过程中,亦可以使煤层处于过饱和状态从而保存了游离态的煤层气,同时阻止煤层气受地层水交替作用的影响。

除了需要良好的盖层之外,煤层气藏的形成还需要有一个较稳定的水动力条件。处于弱地层水交替区或地层水阻滞区中,煤层气散失少,同时保持地层压力,吸附比例大,有利于煤层气的保存。

地壳的多次升降运动对煤层气的保存不利,但良好的盖层可减弱煤层气的散失。强烈的断裂活动不利于煤层气的保存,中等程度的断裂如使附近煤层产生裂隙而提高煤层渗透率,则有利于煤层气的开发。

3 煤层气资源的开发价值

煤层气是一种潜力巨大的资源,可能成为未来重要的能源之一,研究煤层气藏的形成和保存因素,对于评价煤层气资源,指导煤层气的勘探开发和合理利用都具有重要的意义。开发煤层气是一项庞大的系统工程,建设一个煤层气生产基地将带动道路、管道、钢铁、水泥、化工、电力、生活服务等相关产业的发展,增加就业机会,促进当地经济的发展。特别是对于能源重化工基地,发展煤层气产业对于保护资源、实现煤炭产业深加工及可持续发展、减少温室气体排放、改善大气环境质量,调整产业结构、加快煤化工产业规模化发展、培育新的经济增长点,都具有十分重要的现实意义和深远的战略意义。

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