煤层形成背景与煤层气储层特征

煤层形成背景与煤层气储层特征

李军1，赵文光2，李娜3，洪国良2

(1.汇永控股集团有限公司，北京 100097；2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；

3.中国石化胜利石油分公司东辛采油厂，山东东营 257000)

摘要：煤层气是气体以吸附为主的连续型油气聚集，是一种自生自储的非常规天然气。煤层的构造、沉积、显微组分和煤级是煤层气形成的基础。含煤盆地内向斜和斜坡中的低幅构造、背斜、断层或褶皱发育且渗透率高的地区是煤层气的高产富集区。冲积扇、辫状河、河口湾和潟湖等沉积环境均可发育煤，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、底板岩性。镜质组含量是影响煤层含气量和煤层物性的重要因素。煤级是泥炭遭受成岩和变质作用的反映，与煤层含气量、渗透率、孔隙度及煤岩力学性能密切相关。煤层厚度、孔隙度、渗透率、压力、含气量、含气饱和度及煤的工业分析作为煤层气勘探开发的主要储层参数，不但是优选煤层气甜点的重要指标，而且决定了一个煤层气田或项目的开采方式和产气量。

关键词：煤层气；煤级；储层；煤的工业分析；煤层含气量

中图分类号：P618.11

作者简介：第一李军(1980年生)，男，工程师，2008年毕业于中国地质大学(武汉)，主要从事煤矿地质研究。联系人赵文光的邮箱：Zhaowenguang@petrochina.com.cn。

Coal Formation Background and CBM Reservoir Characteristics

Li Jun1, Zhao Wenguang2, Li Na3, Hong Guoliang2

(1.HuiyongHoldingGroupCo.,Ltd.,Beijing100097,China；2.PetroChinaResearchInstituteofPetroleum

Exploration&Development，Beijing100083,China；3.DongxinOilProductionPlant,Sinopec

ShengliOilfieldCompany,ShandongDongying257000,China)

Abstracts：Coalbed methane, a continuous hydrocarbon accumulation dominated by gas absorption, is a kind of unconventional natural featuring in self-generating and self-preserving. CBM generation is based on tectonics, sedimentation, maceral and rank of coal. CBM concentrates in internal syncline of coal-bearing basins, low-amplitude structure, anticlines, faults in slopes, or the high-permeability areas where folds developed. Coal also developed in such sedimentary environment as alluvial fan, braided river, estuary and lagoon. Coal-generating environment controls the type, quality, continuity, thickness, roof and floor’s lithology of coal. Vitrinite content mainly affects gas content and physical properties of coal reservoir. Coal rank is the result of coal diagenesis and metamorphism, which is closely related to gas content, permeability, porosity and mechanical properties of coal. Coal thickness, porosity, permeability, pressure, gas content, gas saturation and proximate analysis of coal are parameters for CBM exploration and development. They are not only important indicators for selecting CBM sweet spots, but also affect CBM exploitation and yield.

Key words: CBM; coal rank; reservoir; proximate analysis of coal; coalbed gas content

煤层气是赋存在煤层中，原始赋存状态以吸附在煤基质颗粒表面为主，以游离于煤割理、裂缝和孔隙中或溶解于煤层水中为辅，并以甲烷(CH4)为主要成分的烃类气体[1]。煤层气属于连续型油气聚集，又称煤层甲烷，是形成于煤化作用、目前仍储集在煤层中的一种自生自储的非常规天然气。

煤层气主要成分为甲烷，大部分以单分子层形式吸附在煤基质孔隙内表面。煤层气的形成过程与煤同步，生物成因和热成因都可以生成煤层气[2,3]。

全球煤层气资源量可达260×1012m3，绝大多数分布在俄罗斯、加拿大、美国、中国和澳大利亚等12个主要产煤国或地区。俄罗斯煤层气资源量为(17～113)×1012m3，主要集中在通古斯、库兹涅茨克、勒拿、泰梅尔、伯朝拉、南雅库特、济良齐和东顿涅茨盆地。加拿大煤层气资源量为(17.9～76)×1012m3，主要富集在艾伯塔省。美国煤层气资源量为21.2×1012m3，西部落山基脉中—新生界含煤盆地集中了美国近85%的煤层气资源。中国煤层气资源量为36.8×1012m3，主要富集于鄂尔多斯、沁水、准噶尔、二连、吐哈和滇东黔西等盆地(群)。目前美国、加拿大和澳大利亚已实现了煤层气产业化生产，中国也已步入产业化早期阶段。

1 煤的形成背景

1.1 含煤盆地构造特征

含煤盆地是指原始含煤沉积盆地，可以保持原始沉积盆地的基本面貌，但大多数由于后期构造变动和剥蚀作用而被分割为一系列后期构造盆地。含煤盆地的形成、演化和结束，是古构造、古地理、古气候及古植物等多种因素综合作用的产物[4，6，7]。一般情况下，古构造和古地理是含煤盆地形成、演化的主要控制因素，古气候、古植物提供了聚煤的物质基础。

含煤盆地的构造成因归纳为坳陷型、断陷型和构造—侵蚀型3种类型[4]。美国圣胡安盆地是形成于晚白垩世—早始新世的坳陷型含煤盆地，具有南部缓、北部陡的特点(图1)。具有稳定区域构造背景的含煤盆地不仅有利于煤层气成藏，而且有利于煤层气开发，尤其是盆地内构造相对活动的区域。含煤盆地内向斜和斜坡中的低幅构造、背斜、断层或褶皱发育区都是煤层气富集有利区。沁水盆地煤层气富集区位于盆地内的宽缓向斜，鄂尔多斯盆地东缘的对称背斜煤层气富集。如果富集区的煤层具有较高的渗透率或割理发育，那么这些富集区也是煤层气的高产区。

图1　美国圣胡安盆地构造剖面图 ① Stone W J, Lyford F P, Frenzel P F, et al.,Hydrogeology ang water resources of San Juan Basin, New Mexico.New Mexico Bureau of Mines and Mineral Resources, Hydrologic Peport 6, 1983;70. Fig.1　Tetonic profile of San Juan Basin,USA

中国的沁水、鄂尔多斯和准噶尔等含煤盆地聚煤后经历多期构造运动，煤层遭受不同程度的破坏改造，构造复杂；美国圣胡安盆地、澳大利亚苏拉特盆地在聚煤之后，构造稳定。

1.2 煤形成的沉积环境

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、底板岩性等，是煤层气地质研究的重要组成部分[4]。准确地说，成煤环境应为煤前身——泥炭的沉积环境，即形成泥炭时的古地理环境。泥炭的形成要求地面在潜水面附近(通常在其上或下1m左右)且易于积水，主要出现在高地下水位至地表浅水滞留带与碎屑沉积不活跃的地方，可发育在冲积扇、辫状河、河口湾和潟湖等多种环境[5～8]。

沼泽是常年积水或极其潮湿区域，其沉积物主要是由富含有机质的淤泥和粉砂质组成。泥炭沼泽发育于陆相成煤环境，主要出现在河流泛滥平原或三角洲平原。河流泛滥平原泥炭沼泽成煤的特点是煤层层位较稳定，厚度变化大，硫含量低，灰分含量变化较大，常有冲刷现象；三角洲平原泥炭沼泽是发育在以三角洲平原为主的泥炭沼泽化而形成的聚煤环境，煤层分布面积广、厚度较大，但常被分流河道冲刷而变化较大，煤层结构复杂，灰分含量变化大，硫含量一般较低[5，9]。这类沼泽易受海水或湖水进退的影响，泥炭层夹有较多的海相或陆相碎屑或碳酸盐沉积物。潮坪沼泽由于常被海水淹没，多为覆水沼泽，还原性强，煤镜质组含量高，割理发育，煤层气吸附量大[10]。

1.3 煤显微组分

在光学显微镜下能够识别出来的组成煤的基本成分称为显微组分，按煤的成分和性质分为有机显微组分和无机显微组分，由植物遗体变化而成的为有机显微组分，而煤中的矿物杂质则为无机显微组分。煤有机显微组分通常分为镜质组、壳质组和惰质组，并可进一步分为显微亚组分。

镜质组是煤中最常见、最重要的显微组分，是由成煤植物的木质纤维组织经腐殖化和凝胶化作用而形成的显微组分。镜质组含量是影响煤层含气量和煤层物性的重要因素之一，因此显微组分定量分析是煤层气勘探中煤层评价的一项重要内容[11]。

1.4 煤级

有机质被埋藏、压缩、脱水后形成泥炭，随着泥炭埋深增加，受到更高的温度和压力作用，将更多的水分和挥发物排除出去，碳含量增加，泥炭就转变成煤。 煤级又称煤阶，是泥炭遭受成岩和变质作用的反映，与煤层含气量、渗透率、孔隙度及力学性质密切相关，是煤层气勘探开发研究的重要内容。分别处于低变质、中等变质和高变质阶段的煤相应地被称作低煤阶煤、中煤阶煤和高煤阶煤(图2)。

中国煤层气开采以中高煤阶煤为主，国外以中低煤阶煤为主。沁水盆地煤层气开采区以中高煤阶的烟煤和无烟煤为主，美国圣胡安盆地煤层气4开采区则以中煤阶的高挥发分B烟煤—中挥发分烟煤为主。

2 煤层气储层特征

2.1 煤层厚度

煤层是煤层气生成与富集的载体和物质基础，其厚度是煤层气储量评估及勘探开发中的重要参数。煤层厚度分为总厚度和净厚度。煤层总厚度是指单一的、垂向上连通的煤层从顶部到底部煤的累计厚度，包括了低渗透、薄层劣质煤甚至非煤夹矸。煤层净厚度是指对煤层气生产有实际价值的煤层厚度，相当于常规油气中的产层厚度。澳大利亚苏拉特盆地煤层净厚度为10～50m。

图2　煤级与气体生成图 [10] Fig.2　Coal rank and methane generation

2.2 煤层孔隙度

煤层通常发育基质孔隙和裂缝孔隙，构成双重孔隙系统(图3)。基质孔隙是煤层气的赋存空间，裂缝孔隙对煤层气运移和产出具有决定作用[12]。

图3　煤层双重孔隙系统示意图 Fig.3　Sketch map showing the dual-pore system of coalbed

煤层孔隙按孔径可划分为微孔(0.8～2nm)、中孔(2～50nm)和大孔(>50nm)[13]。微孔主要与煤中生物高聚物芳香族分子结构的保存相关，90%～98%的煤层气吸附在微孔表面[13，14]。煤显微组分中的孔隙存在差别，镜质组中孔隙比较发育，以粒间孔、矿物铸模孔及气孔为主；惰质组孔隙丰富，以中孔和大孔为主。惰质组中的丝质体内可发育连通好的孔隙，可作为流体运移的通道[13]。随着惰质组含量的增加，煤内中孔和大孔比例相应增加。壳质组是孔隙最不发育的显微组分，在木栓体、角质体和树脂体中很难见到孔隙。一般来说，随着煤变质程度的增强，微孔比例不断增加，大孔比例不断降低。扫描电镜观察表明，高挥发分A烟煤、高挥发分B烟煤及部分高挥发分C烟煤中各种类型孔隙丰富，以粒间孔和植物胞腔孔为主；部分高挥发分C烟煤、中挥发分烟煤及部分低挥发分烟煤孔隙大量减少，孔径也减小，出现了较丰富的气孔，植物组织孔是主要孔隙；半无烟煤、无烟煤可见孔隙较少且孔径很小。

一般来说，大孔包括割理、裂缝及丝质体中的较大孔隙，煤表面吸附不了的气体以游离态存在于大孔中。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形成的。裂缝孔隙按成因分为内生裂缝孔隙和外生裂缝孔隙，形成于煤化作用过程的内生裂缝孔隙即为割理，是裂缝孔隙的主体。割理分为面割理和端割理，面割理形成早于端割理，是割理的主体，在割理中通常起主导作用(图2)。构造应力产生的局部裂缝有时与割理重叠，改造割理并使之复杂化。煤层割理占总孔隙的比例小，一般小于5%。煤层割理中初始气饱和度一般很低，大多在10%以下。煤层割理和裂缝沟通基质，增加了煤层的渗透性，在煤层气开采过程中起着非常重要的作用。在黑勇士盆地，煤层割理发育的气井产量是煤层割理少或不发育气井产量的2～4倍。

矿物成分同样影响煤层孔隙的发育程度。由于矿物主要充填大孔和中孔，随着矿物含量的增加，微孔相对体积分数增加，导致煤层有效孔隙度降低，渗透性变差。

2.3 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，是决定煤层气能否开发的重要考核指标之一。煤基质渗透率非常低，流体流动和压力传递主要依赖于割理和裂缝。煤层基质渗透率与煤级、煤的组分和灰分关系密切。褐煤、长烟煤和气煤渗透率高，肥煤和焦煤次之，瘦煤、无烟煤最差；煤中惰质组含量越高，煤层渗透率就越高；煤中灰分含量越低，煤层割理发育，渗透率就越高。

煤层渗透率受煤层埋深影响较大，煤层埋深较浅时渗透率高，埋深增加到一定深度时煤层渗透率会急剧降低。皮申思、黑勇士和圣胡安盆地煤层埋深每增加1000ft(304.78m)，煤层渗透率降低约20%，在7000ft(2133.50m)左右煤层渗透率降至0.1mD。煤层渗透率小于1mD时，煤层气经济性明显下降，小于0.1mD时压裂不起作用。

渗透率对煤层气产量影响很大，煤层渗透率高，排水降压快，压力传导范围大，气体解吸速度快，解吸气量多，产气量及采出程度相对较高；煤层渗透率低，排水降压慢，压力传导范围小，气体解吸速度慢，解吸气量少，产气量及采出程度相对较低(图4)。煤层渗透率受压力影响较大；但初始孔隙度低、杨氏弹性模量高的煤层渗透率则受压力影响较小。在煤层气解吸过程中，体应变程度与煤层气组分有一定关系，与气体的兰格缪尔体积成正比。如果煤层气组分单一，那么体应变与气体吸附量呈线性关系，体应变值可通过等温吸附曲线预测。解吸造成煤层微孔收缩在煤层气项目末期达到最大，这是因为大部分煤层气解吸微孔累计收缩量达到最大，同时单位压力解吸量增加。

图4　煤层渗透率与煤层气产量关系模拟图 [15] Fig.4　Stimulation of the correlation between coalbed permeability and coabed methane production

2.4 煤层压力

煤层静水压力梯度低于8.0kPa/m的为负压系统，高于11.0kPa/m为超压系统，在8.0～11.0kPa/m之间为正常压力系统[11]。超压系统发育在美国西部中—新生代等地质年代较新的含煤盆地，低渗透煤层生烃是造成超压的原因之一。

通常煤层静水压力决定了煤层含气量，静岩压力对煤层渗透率和煤层气生产影响较大。煤层渗透率通常随着静岩压力的增加而减小；因此，美国开采煤层气埋深一般小于1200m。大于这一深度渗透率急剧下降，经济效益显著减少。美国粉河盆地渗透率大于1mD的煤层埋藏较浅，能够满足煤层气商业开发的要求。在存在承压水导致的超压盆地，静岩压力相对减小，煤层渗透率较大。不同的沉积盆地煤层渗透率与深度的关系不同，这取决于煤层静水压力梯度、水平构造应力的大小和方向。

2.5 煤的工业分析

按照煤的定义，煤是指质量分数大于50%、体积分数大于70%的有机质。煤的工业分析又称煤的技术分析或应用分析，是分析煤组分的实验室方法。煤的灰分、挥发分、水分和固定碳工业分析参数主要通过实验获得，而这些参数又与煤层气密切相关。

煤灰分是煤燃烧后剩下的残渣，在很大程度上影响煤层吸附气量和渗透率。灰分含量越高，煤层吸附气量越少；灰分含量越低，煤层中的裂缝越发育，渗透率越高。灰分与矿物组分是两个不同的概念，但在应用时常把灰分与矿物组分等同。美国粉河盆地Fort Union组煤层灰分含量为4%～10%，一般小于5%[3]。

挥发分主要由煤样加热后生成的碳氢化合物及物理吸附以外的水组成。挥发分不是煤的固有组分，与煤的成因、显微组分及煤级等相关。煤工业分析中测定的挥发分是煤在严格规定条件下加热时的热分解产物，改变任何实验条件都会给测量结果带来不同程度的影响；因此，中国规定在900℃加热7min的条件来对其进行测定[11]。煤的挥发分随煤级的增高而降低。

煤中水分是指空气干燥状态下吸附或凝聚在煤颗粒中的水分，测定值称为空气干燥基水分，简称水分[12]。水分一般与煤级密切相关，由于微孔和大孔数量可能与煤级相关，因此低挥发分烟煤中水分含量最低(图5)。在褐煤和亚烟煤中，水分可作为一个煤级指标。水分占据了吸附空间，减弱了煤对甲烷的吸附能力。美国圣胡安盆地Fruitland煤组煤层水分含量在盆地南部平均为10%，在北部只有2%。美国粉河盆地Fort Union组煤层水分含量较高，为22%～30%[3]。

图5　水分与煤级关系图 [16] Fig.5　Correlation between moisture and coal rank

煤的固定碳是煤在隔绝空气加热条件下，有机质分解的残余物。煤中除去灰分、水分和挥发分即可得到固定碳含量。固定碳含量随煤级增加而增加。

2.6 煤层含气量

煤层含气量是指地下煤层温度、压力条件下单位质量煤所含气体的体积，常用单位为cf/t或m3/t。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，可与煤层气分布面积、厚度、储层压力、煤层物性、吸附等温线等一起综合分析其高产富集条件，预测产气能力，确定勘探开发方案。煤层含气量也是煤层气开发中的一个非常重要的参数，它直接影响着煤层气产量。在其他条件相同的情况下，煤层含气量越大，煤层气产量越高。

2.7 煤层含气饱和度

对于常规气藏而言，含气饱和度是指原始状态下储层内天然气体积占连通孔隙体积的百分数。对于煤层气开发而言，理解煤层含气饱和度很重要。煤层含气饱和度与煤层孔隙无关，它是指在一定的煤层温度和压力条件下，单位体积煤层实际含气量与理论吸附量的比值。在自然状态的煤层中，煤层含气饱和度只有欠饱和与饱和两种情况。如果考虑煤层中的游离气量，煤层含气饱和度则有可能出现过饱和。

在实际操作中，大多应用等温吸附曲线来实现(图6)。临界解吸压力是在一定温度下，煤层压力降至煤层气开始解吸时的压力，也称为煤层气饱和压力。如果煤层实际压力高于临界解吸压力，煤层含气饱和度则为欠饱和，必须降低压力到临界压力才能使煤层气开始解吸。欠饱和状态下的实际吸附量与煤层废弃压力(PA)对应吸附量之差即为可采部分(图6)。

图6　欠饱和煤层气示意图 [17] Fig.6　Sketch map of undersaturated coalbed methane

图7　欠饱和煤层等温吸附曲线实例图 [11] Fig.7　Isothermal adsorption curve of undersaturated coalbed

煤层含气饱和度不确定时，预测饱和程度对煤层气项目的开发和经济性很重要。在干煤中，饱和煤层在压力下降初期便开始解吸，表现为开采初期即为气水同产；在欠饱和煤层中，欠饱和程度决定了降压的幅度，表现为开采初期产水，压力降低到临界解吸压力时才开始气水同产[18]。图7是通过中挥发分烟煤的干燥无灰基等温吸附曲线展示欠饱和的实例。含气量比吸附量小2.5cm3/g的欠饱和煤层，在煤层压力为15MPa时，压力必须降低6MPa时才能达到临界解吸压力；如果煤层初始压力只有2.5MPa，同样的欠饱和程度只需降低1MPa即可降至临界解吸压力。

3 结束语

含煤盆地的构造、沉积控制了煤的形成；煤显微组分及煤阶控制了煤层气的形成，是煤层气富集的基础。煤层厚度、渗透率、压力等煤层气储层参数是煤层气勘探开发中的重要指标。因此，有必要在含煤盆地构造、沉积等研究的基础上，通过煤层气储层参数优选预测煤层气有利勘探目标，寻找能够经济开采的煤层气高产富集区。

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