浅析煤层气藏形成与封存的条件

王龙龙

摘要：本文主要论述了煤层气藏的形成与封存条件，保存条件主要指盖层的封盖能力和构造运动等因素，在地质历史中地质作用主要是通过改变地层的温压条件而改变吸附与解吸和吸附与溶解之间的平衡，挖制地层中的煤层气的赋存形式，从而影响气藏的保存；气藏具有运移能力强，运移方式和形态多样。

关键词：煤层气藏，封盖要求，保存条件

1.引言

煤层气属非常规油气资源，深化对其成生机理及成藏机理的研究，加速其勘探和开发，对改变能源结构失调，提高能源利用效率具有较大的现实意义。

世界主要产煤国煤炭和煤层气资源量表

2.含煤岩系与煤层气藏的关系

煤层气泛指赋存于可燃有机岩中的气体，所以它的形成与赋存跟煤系地层及煤层的发育程度呈现出一定的正相关。一般情况下煤系地层越发育，有机质丰度越高，则煤层气资源越丰富。在我国这种相关关系也是很明显的，地史上石炭纪、二叠纪、三迭—侏罗纪在中国是主要的聚煤期，这与我国煤层气主要赋存产出于这些地层层位是一致的，在我国主要产煤区也是重要的煤层气开发利用区，这也更充分的证实煤层气赋存产自于富含有机质的可燃的有机岩。

3.煤层气的成分及其赋存状态

（1）煤层气的主要成分为甲烷，此外还含少量其他气体。甲烷含量可达90%以上，是主要可利用成分。

（2）赋存状态：煤层气是一种在煤层成岩、变质过程中自生自储的非常规气藏，它主要以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存在煤层及煤层地下水内。

游离状态的煤层气，以自由气体分子存在于煤层裂隙中，并可自由运动；吸附状态的煤层气，受分子引力的作用吸附于煤层微粒的内表面；溶解状态的煤层气，主要赋存在煤层所含裂隙孔隙水中。这三种状态下的煤层气，在一定的压力和温度下处于平衡状态，当压力和温度变化时，彼此可以相互转化。

4.煤层气的形成及封存条件

煤层气的形成包含生储、保存两个主要条件。前者是煤层气形成的物质基础，后者是煤层气能否被保存成藏的地质要素。煤层气生储主要受煤层厚度和煤岩变质程度影响，而气藏的保存则盖层性质、厚度和地质构造起主要作用。

（1）煤层的厚度

通过前面的论述，已知煤层气与煤层属共生关系，与煤层的发育程度关系极为密切，因此煤层气的形成首先要有有机质的富集，其次是有机质的堆积要具备一定规模。一般来说只要有煤层就会有煤层气存在，但要达到成为气藏的规模，可以说煤层厚度及赋存规模是不可或缺的必备条件，煤层越厚对煤层气藏的形成越有利。从2008年起，中石化华东石油局开始探索新能源领域，进入河东煤田南部区块（延川南区块）开展以煤层气为主的非常规油气勘探开发。河东煤田南部区块（延川南区块）煤层总厚度达16m，含气量11-23.4m/t，含气饱和度76.5-90.8%，具有高压、高渗、高含气量、高饱和度等特征，是煤层气开发的理想区域。

（2） 煤变质程度

煤层气的生成与煤化作用的演化过程关系密切，也就是说煤层的生气量和储气能力是受煤的变质程度控制的。其表现主要在以下三个方面：

1、煤变质程度较低时，有机质（R0）<0.5%，尚处于生物化学生气阶段，处于此阶段的煤层透气性能良好，致使煤层气容易逸散含气量不高。例如，低变质的褐煤，就很难形成有价值的煤层气藏。

2、有机质成熟度（R0）为0.8～2.5%是煤系有机质主生气期，期间煤化作用将发生第二～第四次跃变，煤中进行的化学反应从以形成烃为主转而为以裂化反应为主，已经形成的沥青质转而裂化为小分子气态烃，生成大量非芳香组分的挥发分，后期则表现为以甲烷形式释放大量氢为特征。这个时期对应的煤化程度为烟煤-无烟煤-超无烟煤。

3、煤变质程度过成熟，有机质（R0）>6.5%，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。

煤层中形成煤层气首先决定于煤化作用程度和煤的显微组分。一般煤化程度增高，产生的煤气愈多。据原苏联学者研究，形成1t褐煤可产生68m3煤层气；形成1t肥煤可产生230m3煤层气；当煤化程度达到无烟煤时，煤层气产出量超过400m3。可见煤层气的产出与煤层的煤化程度关系是相当密切的。详见下表：

（3）煤层埋藏深度

对煤层的煤化作用及地球物化特征起决定作用的主要因素是压力和温度，一方面温度增高，可以改变煤化进程，从而影响煤层气的生成速率，另一方面压力变化，可促使煤的物理结构发生变化，从而改变煤层气的赋存空间。

煤层的埋藏深度是压力、地温的主要来源，随着埋藏深度的增加，压力、地温将不断增大，受其长期作用，煤层的煤化作用随之加强，煤层结构也在不断发生变化，煤层产生的大量气体充实游离于煤层中次生和原生的孔隙和裂隙中，并在地压作用下吸附在煤层基粒的表面。一般情况下压力、地温增高，煤层的生储条件会趋好，具体表现为煤层生储气量随着埋藏深度的增加而有规律的增长。反之，受地质构造运动影响，当煤层埋深减小，承压也将发生变化，从而影响煤层气藏的保存。

下面是湖南省红卫煤矿四层煤（无烟煤）在不同深度瓦斯含量的一组检测值：

可见煤层的埋藏深度对煤层中煤层气的生储量影响是比较大的。

（4）储集层及封盖条件

煤层气是自生自储的非常规天然气，煤层气主要以吸附的方式储集于基质空隙的煤粒内表面上，因此，煤层中煤层气的丰度取决于煤层的孔隙率及孔隙的性质和孔隙的发育特征。煤层在成岩、煤化过程中和受地质应力作用下本身具有由基质空隙和节理空隙组成的双孔隙系统，正是这样为煤层气的吸附储藏提供了条件。

对于煤层气藏，气体主要以吸附态存在于煤层内，气藏压力没有明显的取向性，因而它对盖层的要求不如天然气藏那样严格。但良好的封盖条件本来就是煤层得以保存的基本条件，因此合适的地层组合和圈闭构造对煤层气藏的形成仍然是一个重要条件，一个完整的圈闭构造下保存下来的煤层将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，减少其弥散流失。大量事实证明，煤层顶、底板岩石的透气性和厚度对煤层气的保存和逸散起着重要的作用。如我国辽宁抚顺煤矿，煤系形成于新生代，其上部含煤组含有数十米至100m以上的厚煤层，煤层顶板为厚50～190m的褐色、暗褐色致密油页岩，其上为300～600m的钙质页岩，上覆岩层透气性较差，尽管煤的煤化程度不高，由于封闭条件好，煤层气只能沿煤层翘起端向上自煤层揭露带逸散，据测开采1t煤煤层气的排出量达21.4m2。与上述情况相反，在我国北京京西煤田，尽管煤化程度已达到无烟煤，但由于煤层顶部多为透气性好的砂岩，且煤系遭受剥蚀，经长期逸散，使得煤层气含量变小，矿井瓦斯涌出量低，煤层气仅残存于向斜核部的煤层内。endprint

（5）地质构造条件

地质构造因素对煤层气的生储也起着重要的作用。含煤盆地所处的大地构造位置及其构造演化往往决定了煤层的发育赋存特征，因此，也就对煤层气的形成和保存起着非常重要的主导作用。

一方面构造运动在很大程度上是影响地温地压变化的主导因素，在地壳抬升并遭受剥蚀时，往往目标层的温度压力会逐渐降低，这时候煤层内气体的动态平衡将被打破，煤层基粒对气体的吸附能力降低会使饱和气体向未饱和的气体过度，或使饱和气体达到过饱和而出现游离；相反，在地壳下降接受沉积时，目标层在压力温度的升高的影响下，煤层内气体的动态平衡同样会被打破，这时主要的表现形式是煤层基粒对气体的吸附能力会逐渐加强，使游离气向吸附气转化，一般来说这种情况下对煤层气丰度的提升是有利于的。

另一方面构造运动又在不断的对地壳的结构形态进行着改造，一般来说陆壳内部盆地的稳定性大，由于稳定地块的保护，使得煤系的形成和形变往往未受到造山运动的破坏，在这种背景下对于煤层及煤层气的生成和保存是有利的。在未遭受构造运动破坏的地区及未遭受剥蚀的背斜轴部、上隆的地垒块段或被反向断层切割的断层下盘，由于煤层气被构造圈闭，有利于煤层气聚集，因而煤层中瓦斯含量会增高。而强烈的造山运动，往往伴随着地层的褶皱隆起，或使含气构造上覆盖层被改造破坏，或致煤层围岩产生大量构造裂隙，导致煤层气的赋存空间遭受破坏，使得煤层气逸散。

结束语

煤层气的形成和封存条件是多种地质因素共同作用的结果，在讨论其生成与赋存条件时，必须综合考虑各种地质因素的影响，以及在整个地质发展过程中不同的因素在不同地史阶段所起作用的大小，只有在充分分析研究这些地质要素的基础上，我们才能对煤层中煤层气的富集程度作出较准确的评价，继而为合理开发利用这部分资源提供切实可行的方案。

参考文献

[1]陈荣书.袁炳存《天然气地质学》武汉地质学院出版社.1986-10

[2] 袁荣.周兴熙：化学动力学与南华北盆地煤层气资源

[3] 王少昌.试论华北地区上古生界煤成气浅层气藏形成的地质条件

[4]“六五”国家重点科技攻关项目；煤成气开发研究成果报告；地质矿产部石油地质研究所.1985-11

[5]李增学.魏久传.刘莹.《煤地质学》地质出版社：2005-01endprint