我国低煤阶煤煤层气地质研究综述

郭晓策

中石油煤层气有限责任公司韩城分公司

我国低煤阶煤煤层气地质研究综述

郭晓策

中石油煤层气有限责任公司韩城分公司

低阶煤是煤化作用早期阶段形成的产物，通常指煤岩镜质组反射率小于0.65%的煤，主要包括褐煤和长焰煤。我国以低煤阶煤为主的沉积盆地分布广泛，主要分布在西部地区的早中侏罗世含煤盆地，如准噶尔盆地、吐哈盆地等。对低煤阶煤层气藏的成因类型和成藏模式进行研究，这将为解决我国低煤阶煤层气开发的瓶颈问题提供一定的理论依据。基于此，文章就我国低煤阶煤煤层气地质进行研究分析。

低煤阶；煤层气；地质

1.低阶煤产气机理

理论上，一个区块只要具有一定煤层厚度和煤层气含量条件，即有可能采取一定措施从地面采出煤层气。对于低阶煤，由于煤层气含量低，首要问题是气体在储层压力降低时，能否还有气体解吸脱离出煤基质。即只有在低阶煤的解吸气体能力足够大时，才仍可能有部分气体从低含气量煤层中解吸出来。煤层气吸附属于物理吸附，固体对气体的物理吸附中，吸附-解吸过程可逆，吸附能力强，则解吸能力弱。

2.低阶煤储层特性分析

2.1 孔裂隙特征

低阶煤基质孔隙度较大，以原生生物孔隙为主，孔隙度变化范围较大，褐煤孔隙度为5.31%～31.91%，平均为14.76%；长焰煤孔隙度为0.79%～27.46%，平均为8.41%。在Ro，max＜0.65%情况下，孔隙率随着Ro，max增大先减小后增大，当Ro，max为0.50%左右时，孔隙率最小，原因为Ro，max＜0.5%时，成岩作用造成沉积物不断脱水与压实，因而孔隙率减少。Ro，max＞0.5%时，成岩作用结束生烃作用开始，煤中易挥发物质热解，在煤中不断产生气孔，加之煤化作用，早期沥青产生的量较少，孔隙被沥青堵塞的并不明显，因此导致孔隙率后段增大。除煤变质程度外，煤岩组分对低阶煤孔隙度也有微弱影响。

2.2 流动特征

在总结前人研究成果基础上，发现低阶煤的吸附、解吸、扩散、渗流特性主要表现在以下方面：

1)吸附时间短且集中，无论何种气体(CO2、CH4、N2)，低阶煤吸附平衡时间最短，其原因为低阶煤中吸附孔含量较小，且分子的芳构化程度低，煤固体表面对气体分子的吸附能力相对较低，导致低阶煤的吸附气含量少，吸附时间短。

2)相对解吸速率大，解吸效率较高，解吸过程的残余量较少，其原因一方面为低阶煤具有高的孔隙度、较高的含气饱和度及良好的渗透率，游离气的渗流速度较好，将促进吸附气的解吸，另一方面为微孔具有封闭性弱、压差传递效率高的特点，因此微孔表面吸附的气体解吸量与解吸速率很高。

3)解吸具有双峰的特征，这取决于孔隙类型，低阶煤普遍以中孔和大孔为主，解吸过程中当内生裂隙沟通中大孔会造成第1次解吸峰值出现，当与外生裂隙连通时会造成解吸量的再次升高。4)存在明显吸附滞后现象，吸附与解吸吻合性差，对甲烷的吸附和解吸表现出非可逆性，其原因为两端开口的孔及口小内腔大的墨水瓶形状的孔具有吸附滞后现象，而低阶煤大、中孔分布丰富，孔隙形态以开放孔、细颈瓶孔为主。

2.3 含气性

低煤阶储层以吸附气和游离气为主，含有部分溶解气，含气量随埋深增加呈现快速增加—缓慢增加—不增加—缓慢减小的变化特征，含气量临界深度受流体压力影响较小，受温度影响较为显著；游离气与水溶气含量均随之增加，在原位煤层气含量中比例也随之增多，但溶解气量在任何深度下的贡献都十分微弱，含气量构成由吸附气量高于游离气量转换为游离气量高于吸附气量；在其他地质条件相似的条件下，由于吸附气的转换深度及游离气的“停滞深度”均随含水饱和度的增大而变浅，导致吸附气量与游离气量之间“等量点”深度随含水饱和度的增大而逐渐向浅部迁移；在特定埋深下，若地应力场与地温场相似，总含气量(吸附气量与游离气量总和)临界深度也表现出类似规律。

3.低煤阶煤层气成藏富集规律

一般认为，在低煤阶煤层气成藏主控因素中，同中高煤阶一样，构造因素是最为直接的控气因素；成煤环境主要影响煤储集层的生气潜力、储集性能及渗透性；水文地质条件对低煤阶煤层气的生成(包括二次生烃)、运移、富集均具有一定的控制作用；三者有利匹配则有利于低煤阶煤层气的成藏和勘探开发。

而含煤层气系统作为一个能量动态平衡系统，成藏过程的实质是流体压力系统逐渐调整的地质过程，这个过程涉及到热力场、储层弹性能量场、表面势能场以及地应力场等宏观和微观耦合调控。煤层气作为能量动态平衡系统中自生自储的非常规天然气储层，因浓度差而扩散，因压力差而渗透，因此，煤储层中任何一处煤层气始终处于动态平衡的运移状态，区别在于扩散和渗透能力及范围的大小。

低煤阶煤层气的成藏富集影响因素是多方面的，富集区的位置及范围也是处于动态变化中的，因此，需要用动态的观点来探讨我国低煤阶煤层气勘探思路和成藏模式，具体表现在以下几个方面。

1)成煤沉积体系、沉积相以及沉积类型控制着煤层厚度和分布特征、煤储层的非均质性和顶底板岩性类型和范围。因此，同一沉积体系中不同的沉积相和沉积类型、不同准层序组类型及其组合、物源随时间的变迁等条件都会导致成煤或生气物质基础的不同。2)不同类型的地质构造，会形成不同应力大小及应力场分布特征，这样均会导致煤储层和封盖层的产状、结构、物性、裂隙发育状况的不同，从而影响含煤盆地中不同构造类型之间的转换、地下水径流条件的改变和煤层气富集区位置的迁移等。3)生物成因作为低煤阶煤层气藏的重要补给来源，不管是CO2的还原作用还是醋酸、甲醇等的发酵作用，水动力条件对其生气能力及储存能力影响很大，而在此过程中，生物成因煤层气的生气和富集条件都会随着季节和温度的变化而变化。

综上，我国低煤阶煤层气资源巨大，但与现阶段在该煤级领域进行的煤层气勘探开发力度不甚匹配，煤层气成矿选区准确度不高。所以，需要加强这方面技术的研究，从而更好地促进我国低煤阶煤层气的开发。

[1]宋岩，柳少波，马行陟，李建武，琚宜文，李贵中，杨志远.中高煤阶煤层气富集高产区形成模式与地质评价方法[J].地学前缘，2016，03：1-9.

[2]王刚，杨曙光，张娜，舒坤.新疆低煤阶煤层气的特殊地质条件及研究方向[J].中国煤层气，2016，04：7-10.