低煤阶煤煤层气地质研究综述

杨忠亮

摘 要：我国低煤阶煤层气具有广阔的勘探和开发前景，但是低煤阶煤层气井产气量目前仅占煤层气产量的5%左右，主要原因是对低煤阶煤层气地质条件的研究不够深入。本文从煤层气成因、储层特征以及成藏条件等方面分析了低煤阶煤煤层气地质研究现状，以期更好地促进低煤阶煤煤层气开采工作的开展。

关键词：低煤阶;煤层气;储层;含气量

中图分类号：P618.11 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）20-0081-03

Summary of Geological Study on Low Coal Rank Coal Seam Gas

YANG Zhongliang

（Exploration Institute of Guangdong Coal Geology Bureauu， China National Adminisration of Coal Geology，Guangzhou Guangdong 510440）

Abstract： China's low-rank coalbed methane has broad prospects for exploration and development， but the gas production of low-rank coalbed methane wells currently accounts for only about 5% of coalbed methane production. The main reason is that the research on low-rank coalbed methane geological conditions is not deep enough. This paper analyzed the current status of low coal rank coalbed methane geological research from the aspects of coalbed methane genesis， reservoir characteristics and reservoir forming conditions， in order to better promote the development of low coal rank coalbed methane mining.

Keywords： low coal rank;coalbed methane;reservoir;gas content

低煤阶主要指的是长焰煤及褐煤，镜质组最大反射率（[RO，max]）介于0.20%～0.65%。我国低阶煤主要分布在吐哈盆地（吐鲁番盆地和哈密盆地的统称）、准格尔盆地、二连盆地以及海拉尔盆地等[1]。虽然这些区域的煤层气含量不高，但是煤层赋存厚度大，透气性较高，煤层气总量巨大。我国低煤阶煤层气地质储量约占煤层气地质储量的40%，勘探和开发前景广阔[2]，但是低煤阶煤层气井产气量仅占煤层气产量的5%左右，主要原因是对低煤阶煤层气地质条件的研究不够深入。因此，本文综述了现阶段低煤阶煤层气的地质研究情况，并提出有益建议，以期早日实现低煤阶煤层气地质研究的突破。

1 低煤阶煤层气成因

煤层气成因可以具体归结为生物成因、热成因、混合成因以及运移热成因等。低煤阶煤层气的热成因占比较低，具体来说，低煤阶煤层气的成因可以归结为以下几类[3-5]。

1.1 生物成因

生物成因为煤层气成因的主导因素，近些年对生物成因的研究取得显著成果。生物成因主要发生的条件为：煤层埋深小于500m、温度低于56℃（最佳温度介于36～42℃）、环境还原性强、pH值介于6.8～7.8、含盐度在400mg/L。生物成因区域煤岩体早期的热演化程度普遍不高，煤体的[RO，max]一般小于0.50%，煤体还处于成岩阶段早期，煤体中孔隙基本被水体占据，吸附气体含量低，热作用仍未发生，上覆未覆盖厚度大、密闭性强的岩体，煤层气的主要成因是生物成因作用，总体来看，煤层的煤层气含量较低。例如，吐哈盆地、海拉尔盆地等的煤层气含量较低，在0.5～3.2m3/t。

1.2 次生生物成因

在准格尔盆地南部、柴达木盆地等区域，次生生物成因在煤层气的形成过程中发挥主导作用，热成因仅起辅助作用。这些区域的[RO，max]介于0.50%～0.65%，仍处于热解产气阶段早期，部分煤分子链断裂，地质构造作用造成早期热损失严重，热成因煤层气量占比低，仅起到辅助作用。在地质构造作用下，煤体向上抬升，处于风化带，这个位置满足次生物成因条件，在甲烷菌作用下，大量的次生气产生，煤层气出现聚集。

1.3 混合成因

混合成因是低煤阶煤层气的成因之一。例如，东北的抚顺煤田早期处于煤、油共生阶段，埋深较浅的处于高势的气藏被破坏后，深部的烃源岩产生的常规气通过运动聚集至地势低的低煤阶煤体中，成为该地区低煤阶煤层气的主要成因。重碳同位素相仿是判断该地区低煤阶煤层气与油气受混合成因影响的重要依据。

2 低煤阶煤层气储层特征

2.1 储层孔隙

现阶段，煤层气储层的孔隙发育特征研究已经较为细化。蔚远江研究发现，准格尔盆地低煤阶煤层气储层控制分布在宏观上表现为网状交叉，连通性和交叉性较好，是煤层气良好的运移通道，在孔隙微观方面，低煤阶煤层气储层裂隙主要表现为宽度小于5μm，长度小于300μm，连通性差，不连续裂隙，其次是宽度小于5μm，长度在1～300μm的裂隙[6]。

低煤阶煤层气储层基质孔隙较为发育，以生物孔隙为主，孔隙变化较为明显。对于褐煤来说，孔隙度分布范围为5.3%～32%，平均在14.76%;对于长焰煤来说，隙度分布范围为0.8%～27.5%，平均在8.4%。当[RO，max]小于0.65%时，孔隙度会伴随着[RO，max]增加呈现出先降低后增高趋势;当[RO，max]在0.5%附近时，储层中孔隙度最低，具体变化如图1所示[7]。除了儲层本身变质程度外，储层中的各个组分含量也对孔隙度发育有轻微影响。

低煤阶煤层气储层孔隙可以细分为气孔、碎屑颗粒间孔隙以及植物组织孔隙等，而对于孔隙分布特性，传统的研究认为低煤阶煤层气储层孔隙结构以大孔（1 000μm以上）及中孔（100～1 000μm）为主，以微孔（10μm以下）及过度孔（10～100μm）为辅。

2.2 流动特性

低煤阶煤层气储层对煤层气的吸附、解析、渗流以及扩散等特性主要表现为六个方面。一是低煤阶煤层气储层的吸附孔量少、吸附能力低、煤分子本身芳化程度低，导致储层对气体（CH4、N2、CO2等）吸附平衡时间短、吸附气体的含量量小，如图2所示。

二是储层的解吸效率和解析速度等均较大，解吸后剩余的残余气体量少。主要原因是低煤阶煤层气储层具有较高的孔隙度、渗透率和含气饱和度，解吸时的游离煤层气具有较高的渗流速度，导致吸附的煤层气进一步解吸。同时，储层孔隙的压差传递效率高、封闭性差，导致微观孔隙表面吸附的煤层气具有很高的解吸速度和解吸量。

三是储层煤层气解吸时具有双峰特性，主要跟储层孔隙类型有关。低煤阶煤层气储层孔隙类型以大孔、中孔为主，在解吸煤层气中，储层内生裂隙将中孔与大孔连通，会造成解吸出现第一次峰值;当外生裂隙与内生的大、中孔隙连通后，解吸再次快速升高，出现第二次峰值。

四是储层存在的吸附滞后现象明显，解吸与吸附间的吻合性差异明显，对甲烷的吸附和解吸呈现不可逆性。主要原因是储层内的孔隙结构以大、中孔为主，孔隙形状以细颈瓶孔、开放孔为主，孔隙的两端开口小，内腔大，加剧了孔隙吸附滞后现象。

五是相对于高煤阶煤层气储层，低煤层储层具有扩散系数高、扩散量低等特点，主要原因是低煤阶煤层气储层小孔、过度孔隙不发育，孔隙的比表面积小，吸附的煤层气量低，从而造成扩散量低，而且储层的大、中孔隙发育度高，具有较好的连通性，利于煤层气扩展，从而造成扩散率和扩散系数均较高。

六是低煤阶煤层气储层的煤层气运移通道以基质孔隙为主，运移形态表现为低速非线性，总体的渗透率较低。例如，在调兵山和阜新等低煤阶煤层气储层中，煤层气井试井时，储层渗透率分布大多位于2×10-5～6×10-4μm2，渗透率受储层埋深影响明显，埋深越大，渗透率越低。

2.3 含气特性

储层的含气类型主要为储层中宏观裂隙、渗流孔以及微观裂隙中的游离煤层气，吸附孔内部的吸附气体以及溶解在储层水中的煤层气等。低煤阶煤层气储层具有高渗透性、低吸附等特点，导致储层中的煤层气含量一般较低。例如，宁县煤层气井煤层气储层实测含气量在1.97m3/t以下，准东地区煤层气储层的含气量在1m3/t以下。但是，某些地区储层具有较好的生物气补充条件和储层储气条件，因此具有较高的煤层气含量。例如，淮南市低煤阶煤层气储层的煤层气含量在2～10m3/t，局部区域煤层气含量接近15m3/t。由此可以看出，储层的气源补给条件和保存条件是影响低煤阶煤层气含量的关键因素。

3 低煤阶煤层气成藏分析

随着低煤阶煤层勘探开发的不断深入，低煤阶煤层气成藏研究日益增加，人们逐渐发现，煤层气生成条件和储层存储特性是煤层气是否富集成藏的关键影响因素。研究表明，煤层气储层的赋存特性与地质构造、沉积特征以及水文环境等有关。

3.1 地质构造

地质构造包括构造分异、构造演化以及煤层变形等，它们都会造成煤层气储层和周边围岩性质发生明显变化，打破储层原有的平衡状态，使得煤层气富藏區迁移。因而，在对煤层气成藏进行分析时，人们应重点剖析地质构造升降期间的煤层气赋存特性、储层特性等变化。

3.2 沉积体系

沉陷相及沉积体系控制着煤层气储层厚度、顶底板岩性，影响储层储气特性和煤层气成藏位置。从顶底板来看，泥岩储层的煤层气含量一般高于砂岩储层，主要原因是泥岩封内裂隙不发育，封闭效果好。

3.3 地下水

地下水对煤层成藏的位置调整和改造具有重要影响，还影响煤层气存储条件。当水动力条件较为活跃、水矿化程度低时，地下水使得大量甲烷菌繁殖发育，利于生物成气，同时在水动力条件下，水中有机物对甲烷进行吸附并携带甲烷迁移，在岩性圈封闭或者存在水力封堵的条件下，煤层气储层的含气量高;反之，当水动力条件差、水体矿化程度高时，储层的煤层气含量较低，如吐哈盆地沙尔湖地区。另外，当煤层的含水量较小时，采用排水降压方式进行煤层气开采，难以使得煤层气储层的压力降低至解吸压力之下，造成煤层气开采困难。

参考文献：

[1]皇甫玉慧，康永尚，邓泽，等.低煤阶煤层气成藏模式和勘探方向[J].石油学报，2019（7）：786-797.

[2]王镜惠.中低煤阶煤层气储层孔隙结构分段分形特征[J].石油化工高等学校学报，2019（4）：1-7.

[3]张士钊.试述我国低煤阶煤层气地质特征及最新进展[J].化学工程与装备，2019（5）：238-239.

[4]孙粉锦，田文广，陈振宏，等.中国低煤阶煤层气多元成藏特征及勘探方向[J].天然气工业，2018（6）：10-18.

[5]乔康.低煤阶煤储层敏感性分析及对煤层气排采的影响[J].煤矿安全，2018（5）：14-16.

[6]蔚远江.准噶尔盆地低煤级煤储层及煤层气成藏初步研究[D].北京：中国地质大学，2003.

[7]王博洋，秦勇，申建，等.我国低煤阶煤煤层气地质研究综述[J].煤炭科学技术，2017（1）：170-179.