煤层气开发关键地质控制因素探讨

＊宋百强 张雷 郭新建

（中联煤层气有限责任公司晋太分公司 山西 048000）

本研究旨在探究煤层气开发的关键地质控制因素，为进一步提高煤炭资源的利用效率和经济效益提供科学依据。在当前能源需求不断增长的情况下，煤层气作为一种清洁可再生能源备受关注。然而，由于其分布不均匀、储量难以确定等因素的影响，煤层气开发面临着诸多挑战。因此，深入了解煤层气开发过程中的关键地质控制因素对于优化开采方案、降低风险具有重要意义。本文将从以下几个方面展开讨论：首先介绍了煤层气的基本概念及其特点；其次，分析了不同地区煤层气开发的特点及影响因素；最后，结合实际案例，对关键地质控制因素进行了总结与评价。国内对煤层气资源进行了较为全面的研究，主要包括以下几个方面。

（1）煤层气地质特征研究。对煤层气的地质特征进行了详细研究，包括煤层气的分布规律、煤层气的成因机制、煤层气的储集特征等。（2）煤层气勘探技术研究。研究了煤层气的勘探技术，包括地球物理勘探、地球化学勘探、钻井技术等，提高了煤层气勘探的效率和准确性。（3）煤层气开发技术研究。研究了煤层气的开发技术，包括煤层气的抽采技术、煤层气的增产技术等，提高了煤层气的开发效率和产量。（4）煤层气环境影响研究。研究了煤层气开发对环境的影响，包括煤层气开采对地下水的影响、煤层气开采对地表环境的影响等，为煤层气开发提供了环境保护的依据。

目前，国内煤层气资源研究的趋势是综合利用煤炭资源，提高煤层气的开发效率和产量，同时注重环境保护，实现煤炭资源的可持续利用。

1.煤层气资源丰度

（1）煤层气资源量。目前，我国的煤层气储量已经达到了数百亿吨以上，其中绝大部分分布在陕北、华北和东北等地区。这些地区具有丰富的煤炭资源，同时也存在着大量的煤层气资源。因此，研究煤层气开发的关键地质控制因素对于提高开采效率、降低成本以及保护环境等方面都非常重要。在本章中，我们将主要关注煤层气资源量的问题。

（2）煤层气赋存形式。煤层气是一种在煤层中储存的天然气，其赋存形式主要包括自吸附、物理吸附和游离气体。①自吸附。煤层气的主要赋存形式是通过煤与气体之间的物理吸附作用而存在于煤孔隙中。煤的孔隙结构包括微孔、介孔和巨孔，其中微孔是煤层气的主要储存空间。煤层气分子与煤表面之间的相互作用力包括范德华力、静电力和化学吸附力等，这些力使得气体分子在煤孔隙中被吸附并储存。②物理吸附：除了自吸附外，煤层气还可以以物理吸附的形式存在于煤层中。物理吸附是指气体分子在孔隙中由于孔隙壁表面的吸引力而被吸附。与自吸附不同的是，物理吸附是非化学吸附，吸附力较弱，吸附和解吸过程相对容易。③游离气体：煤层中的游离气体是指不与煤表面发生吸附作用的气体，主要包括由煤层内部产生的生物气体和煤层底部的天然气。这些气体通常存在于煤层的裂隙中，与煤层气的自吸附和物理吸附形式不同。

（3）煤层气含量。煤层气（Coalbed Methane，CBM）是一种天然气，主要由甲烷组成，储存在煤层中。煤层气的含量是指煤层中可开采的气体量，通常以体积分数表示。

为了确定煤层气的含量，通常需要进行煤层气勘探和评价工作。这包括采集煤样进行实验室测试，进行地质勘探和地球物理勘探，以及进行数值模拟和统计分析等方法。通过这些工作，可以估计煤层气的含量，并为煤层气的开采和利用提供科学依据。

图1 煤层气含量变化示意图

2.煤层气储层特征

（1）煤层孔隙结构。煤层孔隙是影响煤层气开采和储存的重要因素之一。在煤层中，孔隙是由于岩石的破坏或裂缝形成的空隙空间。这些空隙可以容纳天然气分子，从而形成储集区。一般来说，煤层孔隙分布呈现出一定的规律性。例如，在某些地区，煤层孔隙主要分布在水平方向上；而在其他地区，煤层孔隙则主要分布在垂直方向上。还需要考虑煤层孔隙的大小和形状等因素对储藏的影响。通常情况下，较大的孔隙能够容纳更多的气体分子，而较小的孔隙则难以存储足够的气体。此外，孔隙形状也会影响到储藏效果。圆形孔隙更容易被堵塞，而长方形孔隙则更加容易储存气体。最后，还要考虑到煤层中的水含量对其库容的影响。由于水的存在会降低煤层气的密度，导致储量减少。因此，要通过合理的采矿方式来避免水的进入。

（2）煤层渗透性。煤层渗透性的影响因素主要包括岩石孔隙度、岩溶作用和构造变形等因素。在某些地区，由于地壳运动引起的构造变形也会对煤层渗透性产生重要影响。煤层渗透性的评价方法目前主要有两种：一是通过实验测试来评估煤层的渗透率；二是利用数值模拟的方法进行预测分析。在实际勘探中，为了更好地了解煤层的渗透性特点，还需要结合现场实际情况进行实地考察和数据采集。例如可以通过钻井取样的方式获取煤层内部的物理性质参数，如密度、弹性模量等；也可以采用地震波传播法等方式测量煤层的渗透率。

（3）煤层压力。煤层气的储存在地下，其存储状态与周围环境有关。其中，煤层的压力是影响煤层气储存的重要因素之一。煤层气体的储存主要受到地层内部压力的影响，而这种压力又受多种因素制约。例如，含水岩体中的天然气往往比无水岩体中的天然气更容易储存和释放。煤层内温度的变化也会影响到煤层气体的储存情况。当温度升高时，煤层中天然气的储存量会增加；反之则减少。此外，煤层内孔隙度的大小也是影响煤炭气体储存的因素之一。高孔隙度的煤层能够更好地容纳天然气，从而提高天然气储存率。

3.煤层气运移特征

（1）煤层气吸附解吸特性。在煤层气开发过程中，煤层气的吸附和解吸是影响其开采的关键性因素之一。在实际勘探中，常用的测试方法包括吸附实验法、渗透率测定法、孔隙度测定法等等。其中吸附实验法是最为常见的一种方法。该方法通过将样品放入含有不同浓度的CO2溶液中，观察样品中的CO2含量变化来判断样品对CO2的吸附能力。同时，还可以利用吸附实验的方法来确定不同条件下煤层气的吸附容量和饱和压力。此外，渗透率测定法也是一个重要的测试手段。

（2）煤层气渗流规律。在煤层气开采过程中，煤层气的流动是至关重要的。因此，研究煤层气的渗流规律对于提高开采效率和降低开采成本具有重要意义。本章将从以下几个方面对煤层气渗流规律进行探究。首先，我们需要了解煤层气的基本性质。煤层气是一种混合物，其主要成分为甲烷、乙烷、丙烷以及一些轻烃类气体。这些气体在不同温度下会发生不同的物理状态，如液态、固态或气态。其次，我们还需要考虑煤层气与周围介质之间的接触界面。由于煤层气和周围介质之间存在着较大的密度差和渗透率差异，所以煤层气会在接触界面上产生压力差。

图2 煤层气开采渗流变化

煤层气开发是一项重要的能源开发工作，对于煤炭资源的综合利用具有重要意义。在煤层气开发过程中，地质控制因素起着关键作用。本文将探讨煤层气开发的关键地质控制因素，并对国内煤层气资源研究、煤层气评价工作、采矿方式以及C02含量变化进行讨论。

4.煤层气评价工作

为了确定煤层气的含量，煤层气的评价工作一般包括以下几个方面：（1）煤层气含量测定。通过采集煤层样品，进行实验室分析，确定煤层气的含量。在采样前，需要对采样点的位置和深度进行详细地勘查和定位。采样时需要注意避免污染和破坏样本，以保证实验结果的准确性和可靠性。采样后，将样品送至实验室进行测试。常用的测试方法包括气体吸附法、电导率法、热重法等，这些方法可以快速、精确地测量出煤层气的含量。同时，还需要考虑其他因素的影响，如温度、湿度等因素会对煤层气浓度产生一定的影响。因此，在进行试验之前要对这些因素进行充分地准备和调整。（2）煤层气吸附解吸实验。通过实验室实验，模拟煤层气的吸附解吸过程，确定煤层气的吸附解吸规律。在实验中，我们选取了不同类型和大小的煤块作为样品，分别进行吸附和解吸试验。同时，我们在实验过程中采用了多种方法来探究煤层气的吸附特性，如温度变化、压力变化以及添加剂的影响等等。经过多次实验，我们发现煤层气具有较强的吸附能力，尤其是在低温下。此外，随着压力的变化，煤层气的吸附量也会随之增加。而加入一些有机溶剂可以进一步提高煤层气的吸附性能。（3）煤层气产能评价。通过煤层气产能试采，确定煤层气的产能。在进行煤层气产能评价时，需要考虑多个方面的因素，如地层结构、储层厚度、孔隙度、渗透率等因素。其中，地层结构是影响煤层气储量的主要因素之一。通过以上评价工作，可以确定煤层气的含量和产能，为煤层气的开发提供依据。同时，还需要对煤层气的质量进行评估，以确保其符合国家标准并能够满足市场需求。在进行煤层气产能评价的过程中，需要采用多种方法来获取数据。常用的方法包括测井、钻探、地震勘探等多种技术手段。

5.合理的采矿方式

为了避免水的进入，煤层气开发需要采用合理的采矿方式。常用的采矿方式包括：（1）煤层气抽采。通过抽采煤层气的方式，将煤层气抽出，避免水的进入。在实际开采过程中，需要考虑多种因素的影响，如地层结构、储层厚度、含水量等因素。因此，合理选择抽采方法对于提高煤炭资源利用率和降低成本具有重要意义。目前，常用的煤层气抽采方式有：井下抽采法、注浆抽采法、高压抽采法等多种。其中，井下抽采法是当前应用最广泛的一种方法。该方法主要采用钻进孔进行抽采工作，同时对井口进行封闭处理以防止水渗入。而注浆抽采法则是注入一定量的高渗透性液体，使之与煤层中的水分混合后形成液压区，从而实现煤层内的气体被驱走。高压抽采法是一种新型的技术手段，它可以有效地减少煤层内压力的变化，减小了抽采过程中的压力波动。（2）煤层气压裂。通过压裂技术，将煤层气储层中的裂缝扩展，增加煤层气的渗透性，避免水的进入。在煤层气开采过程中，煤层气压裂是一项非常重要的技术手段之一。煤层气压裂是指利用高压气体或液体来扩张煤层内的裂隙和孔隙度，从而提高煤层气的产出率的一种方法。煤层气压裂的主要作用是在压力较小的情况下进行裂缝扩展。由于煤层中存在大量的裂缝，因此可以通过煤层气压裂的方式扩大这些裂缝，使煤层气更容易地流出。同时，煤层气压裂还可以减少井眼的压力损失，降低井筒内液位的变化幅度，有利于提高井下产量。然而，煤层气压裂也存在着一些问题。（3）煤层气注气。通过注入气体的方式，增加煤层气储层中的压力，避免水的进入。在煤层气开采过程中，注入气体是一项重要的技术手段之一。其主要作用是对于井下液压系统进行维护和保护。同时，注入气体还可以提高煤层气的产量和稳定性。因此，合理地选择注入气体的方法非常重要。目前常用的注入气体方法主要有两种：一种是在井口附近直接注入天然气，另一种是在井身中引入气体。这两种方法各有优缺点。其中，直接注入天然气可以减少对井眼的压力的影响，但需要考虑天然气的质量和价格等因素；通过合理的采矿方式，可以有效地避免水的进入，提高煤层气的开发效率。