煤层气成藏机理、开采技术及研究方向

吕 瑞，陈培元，田佳丽

（1.西南石油大学资源与环境学院，四川成都 610500；2.中国石油西南油气田塔里木油气工程分公司，新疆库尔勒 841000）

煤层气是一种吸附在煤层中的天然可燃气体，其资源总量与常规天然气相当。煤层气作为一种新型能源，具有洁净、方便、高效等特点，其开发利用可以在一定程度上弥补常规天然气资源量的不足；同时由于煤层气俗称“瓦斯”，一直以来，瓦斯事故给煤矿企业带来了巨大的经济损失，加大煤层气的开采可以有效的降低煤矿瓦斯的灾害程度；另外对煤层气的开采可以有效的减少温室气体的排放，降低温室效应[1-5]。目前，美国、澳大利亚、英国等国的煤层气发展比较迅速，美国作为世界上最大的煤层气产量国，无论在理论和技术上都优于其他国家。我国也具有丰富的煤层气资源，开发潜力巨大。但是我国煤层气开发利用较晚，尤其在相关政策、理论支持、关键技术以及配套设施方面都存在着一定的缺陷，这些严重制约着我国煤层气的开采和利用。

1 成藏机理

煤层气作为非常规天然气藏的一种主要类型，与常规天然气藏相比，在成藏特征方面既有相似性，同时又存在着明显的区别。煤层气的气体来源主要是来自生物气与热成熟气，与常规天然气最大的差别在于常规天然气可以是原油裂解气；煤层气是贮存于煤层及其邻近围岩之中的一种自生自储式非常规天然气，储集层具有低孔低渗的特征。主要以吸附状态、游离状态和溶解状态三种形式赋存在煤层中，其中以吸附状态为主，可以使煤层中的烃类气体较长时间的以得以保存，减少气体的散失。另外，煤层气的分布具有其独特的特点，通常情况下只要有煤层存在的地方就有煤层气的分布。

煤层气的成藏机理主要包含煤层气的生成、储集与赋存以及煤层气的运聚成藏三个过程。就煤层气的生成机理而言，传统的煤层气成因主要包含热成因、生物成因与混合成因三种类型[6]，孙赞东（2011）认为煤层气的成因机制主要有生物成因和热成因两种。就干酪根类型而言，煤层主要表现为III型干酪根，具低氢高氧含量，以含多环芳烃及含氧官能团为主，饱和烃很少，对生油不利，但可成为有力的生气来源，在演化过程中生成的烃类主要为CH4。生物成因和热成因煤层气的主要形成过程（见图1）。生物成因的煤层气主要形成在煤化作用的早期阶段，缺氧、低温、低硫酸盐、高pH值、浅埋深、较大的孔隙度以及重组有机质的快速沉积是大量生物成因气生成所需的主要条件[7]。通常情况下生物成因煤层气持续形成时间长，可以在有机质埋藏后的几万年之内一直形成。生物成因气又可以划分为原生与次生两种类型，其中原生生物成因气，生成在相对低温且埋藏较浅时，通常Ro＜0.3%，原生的生物成因气可以呈吸附或者游离状态保存在煤层中，或者可以溶解在分子水中，成为煤结构的一部分。次生的生物成因气可以形成各种中低煤中（Ro＜1.7%）。从区域上来看，在盆地的边缘地带有利于次生生物成因气的形成。由于生物成因气一般形成在较浅的煤层环境中，通常在经历了埋藏和煤化作用后在地壳抬升的作用下出露地表遭受不同程度的剥蚀，与大气降水进行交换，从而使携带有细菌的水进入到煤层中。近年来随着美国Powder River盆地最先发现和开采次生生物成因煤层气，各个国家对次生生物成因的煤层气的研究逐渐增多。在目前已开采和发现的煤层气藏中热成因的煤层气所占的比例要大于生物成因的煤层气。热成因煤层气主要形成于煤层由低煤阶向高煤阶演化的过程中，这个时期随着埋深增加，温度和压力随之增加，煤层中富氢富氧的挥发性物质脱出释放，煤变得富碳，同时煤层中热解挥发出以甲烷为主的热解烃类。随着温度和成熟度的不断增加，前期形成的长链烃类和液态烃类发生热裂解，形成CH4，从而使得CH4的总量增加。热成因的煤层气会在煤埋藏过程中持续形成，直到盆地抬升导致煤层出露地表，地层温度下降到一定程度时停止。

煤岩是由植物一体转变成的有机岩石，由于植物原始细胞结构的差异及保存完整程度的差异，使得煤基岩块中空隙类型、大小和结构也不尽相同。通常认为煤层中孔隙包含基质孔隙和裂缝孔隙两种类型，由于裂缝通常较小，常小于煤层总孔隙体积的5%，因而总孔隙度主要由基质孔隙提供。尽管煤层的基质孔隙直径较小，但连通性较好，且煤的比表面积较大，对气体具有较强的吸附能力。通常煤层气主要以吸附、游离和溶解三种形式赋存在煤层中，其中以吸附方式为主，大量的气体被吸附在煤层的孔隙中，而吸附的气体量要远远大于煤层本身的孔隙体积。根据气体的分子直径，低于2 nm的微孔和亚微孔对气体的吸附能力最强，超过50 nm的大孔中主要赋存着游离气[7]。研究发现，气体在煤中的吸附包括物理吸附混合在煤的内表面、混合吸收在分子结构中以及混合吸收在孔隙中三种机制（White等，2005），且煤层吸附气体过程为等温过程，可以利用Langmuir等温吸附方程等进行模拟和研究。

煤层气主要通过吸附作用将天然气聚集起来，为典型的吸附成藏机理，煤的储气能力与煤的变质程度、温度和压力有关。因此，天然气存在方式、成藏特征与常规圈闭气藏有较大差别。由于煤层气主要以吸附作用为主，游离气和溶解气比例很小。因此，可以不需要通常的圈闭存在。煤层气聚集于常规圈闭气的低势区聚集不同，其不受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，无论在储层的构造高部位还是低部位，都可以形成气藏[8]。

2 煤层气含气量影响因素

煤层气含量的大小受多种因素的共同控制，总的来看主要体现在以下几个方面：煤层厚度、煤变质程度、地质构造条件、顶底封闭条件以及水文地质条件。

2.1 煤层厚度

从生气源的角度分析，煤层越厚生气量越大。煤形成以后至今，经过漫长的历史时期，在其它地质条件相同条件下，一般煤层气储层厚度越大，煤层气储层含气量越高，反之则越低[9]。

2.2 煤变质程度

煤的生气量和储气能力都受变质程度的影响，煤的变质程度主要控制着煤层甲烷的生成、孔隙性以及其吸附能力。当煤的变质程度太低时，即Ro＜0.5%时，该阶段主要为泥炭至褐煤阶段，总的来看，该阶段生气量小，同时由于褐煤埋藏较浅，透气性较好，生成的气体不利于保存；当煤的变质程度太高时，即超无烟煤阶段，煤层基本上失去了储气能力，已不属于储集层的范畴，也就不能形成煤层气藏[10-11]。

2.3 地质构造条件

地质构造对煤层气含量的控制是多方面的,而且是复杂的。首先在地质构造过程中产生的断裂运动所引起的垂直方向和水平方向发生不均匀的沉降与抬升，形成沉积盆地，在此基础上接受沉积，形成沼泽、湖泊等煤层发育的沉积环境；其次由于构造作用，在构造应力作用下所形成的断裂对煤层气的含量也会产生影响，一般而言,压性构造对煤层甲烷具有聚煤作用,而张性构造对煤层甲烷具有逸散作用；另外在构造运动时期，可能会伴随着岩浆活动，岩浆活动可以使早期未变质的煤层或者处于低变质程度的煤层，在区域深成变质作用和岩浆热变质作用的叠加的基础上，提高变质程度[12-13]。

2.4 顶底封闭条件

气藏之上必须具有一定封闭能力的岩层存在，这样才可以阻挡和减缓油气的渗滤、扩散，最终烃浓度封闭和物性封闭三种方式。超压封闭只有当盖层具有异常高压时才出现，但从实际情况来看，在成藏过程中煤储层常出现超压现象，因此，这种情况几乎不存在；烃浓度封闭要求盖层中气态烃的浓度大于被封盖地层中气态烃的浓度,这种封闭主要是对以扩散方式向上运移的油气起作用，但就煤层气而言，首先煤层既是生气源岩又是储气岩,其烃浓度均大于围岩，同时煤层气主要是以吸附方式赋存在煤层的基质孔隙中，因而浓度封闭也不具实际意义。物性封闭是指依靠盖层岩石的毛管压力封堵油气，又称毛管力封闭（Bern，1975）。煤层顶底板岩层对煤层气的封闭能力，主要决定于毛细管力。毛细管力的大小取决于毛细管半径的大小及其分布，而毛细管发育状况主要受盖层岩性、粒度、致密程度等因素的影响。从对煤层气的封盖能力方面考虑,根据岩性和孔隙结构特征,一般将我国煤层顶底板常见的岩石类型及其组合,划分为油页岩、泥岩、砂岩互层、灰岩和砂岩5种类型[14]。

2.5 水文地质条件

水文地质条件对煤层气赋存、运移影响很大，对煤层气的开采至关重要。叶建平（2001）认为水文地质控气作用主要表现为水力运移逸散作用、水力封闭作用和水力封堵作用三种形式：其中，第一种作用导致煤层气的散失，后两种作用则有利于煤层气保存[15]。

3 开采技术

煤层气藏同常规天然气藏不同，是一种压力圈闭气藏，其运移是指煤储层内煤层气的解吸扩散渗流过程，运移的最终结果导致煤层气的相对富集和贫化。煤层气的吸附与流动特性在很大程度上取决于煤储层本身的性质，由于煤储层本身具有较强的不均一性，表现为垂向上厚度的突变和横向上小范围内的相变。这种不均一性对于煤层气藏的勘探选区和井网部署带来了显著的影响，因此针对煤层气藏的特点选取取合理的开采技术，对于煤层气藏的开发和利用具有重要的意义。

3.1 多分支水平井技术

该技术首先在地表向地下沿垂直煤层的方向打一定向孔，穿透煤层，然后沿平行于煤层的方向向四周布置分支孔，此方式增大了与煤层气空间的表面积，打通了煤层气的移动路径，能提高煤层气的产量，更有效的开采煤层气。多水平分支井技术最大限度的沟通了煤层裂隙和割理系统，大大降低了煤层裂隙内流体的流动阻力，提高煤层排水降压速度和煤层气解吸运移速度，进而增加煤层气产量，提高采出程度，缩短采气时间，极大地提高煤层气开发经济效益。多分支水平井技术将钻井、完井和增产一体化，成为开发煤层气的主要手段之一，然而该技术并非适合所有的煤储层。研究发现该项技术主要适用于煤层厚度薄，但比较稳定，煤层结构完整，煤岩具有一定强度的地质条件。

3.2 欠平衡钻井技术

在钻进过程中,利用自然条件和人工方法在可控条件下使钻井流体的压力低于要钻地层的压力,在井筒内形成负压。一来增加了煤层气的产量,提高了煤层气的开采效率；二来避免对储层的损害,并且能够提高机械钻速，延长钻头寿命，降低钻井费用。

3.3 压裂技术

压裂技术是煤层气开发过程中的关键技术，也是目前比较完善的煤层气开发技术。其本质在于对产层进行压裂改造，改善生产层的产能，使井眼周围出现很多眼神胶原的具有高导流能力的裂缝，在进行排水降压时井孔周围出现大面积的压力下降，增大解吸面积，最终提高产量。目前国外针对不同的储层开展了一系列的压裂技术研究，其中主要有交联凝胶压裂、加砂水力压裂、不加砂水力压裂和氮气泡沫压裂，这些技术在不同的煤层气藏得到了应用，效果良好。我国也尝试借鉴了美国开采煤层气的成功经验,试图采用水力压裂技术来提高煤储层的渗透性，然而在一些煤层由于煤本身具有易碎、质软的特点，使得效果不太理想。

3.4 洞穴完井技术

洞穴完井技术是针对低煤阶、高渗、厚煤层钻井易坍塌和煤层污染问题而提出的一种解决方法，主要是在煤层段裸眼下筛管完井或洞穴完井方式，以增加煤层裸露面积，提高单井产量。该技术在国外很多煤层气藏得到了实际应用，但是由于其对煤层气的储层条件有严格的要求，主要适用于储层压力高、渗透率高、地应力较小的地区，而我国煤层主要属低渗储层，因此该项技术目前还处于试验期。

3.5 混合气体驱替技术

气体驱替煤层气的概念来源于减少温室气体排放的CO2煤层封存技术。该技术也是近年来发展起来的具有温室气体减排和提高煤层气采收率双赢效果的新兴技术，相关研究得到了很多发达国家的重视。发达国家的研究都是着眼于高渗透不开采煤层，以提高煤层气采收率同时封存CO2为目的。但是纯CO2作为驱替气体有以下缺点：（1）降低渗透率，CO2置换CH4后，煤将发生体积膨胀，引起渗透率降低；（2）CO2提纯技术不成熟，成本高、产能小，大规模纯CO2气源难以保证；（3）CO2会给其上下周边煤层的开采带来困难，只适用于不可开采煤层。因此，建议采用富混合气体驱替煤层气技术，以提高煤层气产采收率。方志明，李小春等通过理论分析、数值模拟和现场试验研究分析了实施混合气体驱替煤层气技术的可行性[16]。

4 研究方向

随着不同国家对煤层气研究的不断发展，在煤层气的成藏机理和开采技术方面取得了很大的进展。然而在次生生物成因的煤层气、在超临状态下煤层气的吸附规律以及针对低渗透煤层气藏开采技术方面的研究还存在着一系列问题亟需解决。笔者认为煤层气在以下几个方面将会成为未来的发展趋势。

（1）成藏机理：一直以来，关于成藏机理的研究主要侧重于生物成因、热成因和混合成因。随着次生生物成因煤层气的提出，逐渐成为了煤层气领域研究的热点。就我国的含煤盆地而言，中低阶煤所占的比例较大，因此加大我国含煤盆地中次生生物成因煤层气的研究力度将会成为今后研究的重点；另外煤层气在煤层中主要以吸附方式赋存，并且常处于超临界状态，在该状态下吸附具有哪些规律，又具体受到哪些因素的影响也需要进一步的认识。

（2）开采技术：国外很多国家的煤层气开采技术起步较早，理论和技术都相对成熟，并且针对不同类型的煤层气藏制定了相应的开采技术。而我国起步相对较晚，同时煤层气藏与国外相比具有特殊性，主要体现在低渗透性方面，国外的很多技术在我国都不能得到很好的应用，因此加强对中国致密煤层中流体的渗流规律和渗流机理的研究，建立适合我国低渗透煤层气藏开采的配套技术也将成为今后研究的重点。

（3）提高采收率：对煤层气藏而言，如何提高煤层气的采收率是煤层气开采的关键问题。目前的主要生产方式是依靠排水降压，从而达到解吸的目的，从而提高采收率。然而由于该技术自身的局限性，不仅生产周期长，而且采收率也不高，即便是在几十年后，采收率也不会高于50%。因此，寻找有效的方法提高煤层气的采收率将会成为今后一段时间内各个国家研究的主要方向之一。

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