國內(nèi)煤層氣賦存規(guī)律的影響因素分析

摘要：本文主要通過討論我國煤層氣生成及含量的影響因素、煤層氣保存的條件、煤層氣在煤儲層中賦存的方式，從而分析國內(nèi)煤層氣賦存規(guī)律的影響因素。

關(guān)鍵詞：煤層氣 賦存方式 含氣量 保存條件

0 引言

煤層氣（CBM）是以自生自儲式為主的非常規(guī)天然氣，它主要貯存于煤層及其鄰近巖層之中。我國是煤炭資源大國，煤層氣資源也極為豐富，近幾年隨著對煤層氣研究的日益深入，煤層氣開發(fā)和利用具有遠(yuǎn)大前景。據(jù)測算，埋深小于2000m的煤層氣資源量為31.46萬億m3，與陸上常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)，并與其在區(qū)域分布上形成良好的資源互補(bǔ)。因而通過探討煤層氣賦存的有利條件及不利條件，從而得出煤層氣賦存的評價方法，對我國煤層氣勘探開發(fā)及有利區(qū)塊的選定具有重要的意義。

1 煤層氣的賦存方式

煤層氣以三種狀態(tài)存在于煤層之中：溶解狀態(tài)，溶解于煤層內(nèi)的地下水中；游離狀態(tài)，其中大部分存在于各類裂隙之中，以游離態(tài)分布于煤的孔隙中；吸附狀態(tài)，吸附在煤孔隙的內(nèi)表面上。溶解狀態(tài)甲烷含量較少，一般以游離態(tài)和吸附態(tài)甲烷為主。

1.1 吸附狀態(tài)煤層氣 煤層與常規(guī)天然氣儲層的不同主要表現(xiàn)在，大多數(shù)的氣體都是以吸附的方式在煤層中儲存的。測算結(jié)果表明，吸附狀態(tài)的氣在煤中氣體總量中大約占到的0%～95%還多，具體比例需要看煤的變質(zhì)程度，埋藏深度等方面的影響。

由于煤是一種多孔介質(zhì)，煤中的孔隙大部分為直徑小于50nm的微孔，因而使煤具有很大的內(nèi)表面積，（據(jù)測定，1g無煙煤微孔隙的總面積可達(dá)200m2之多，超過一般孔隙的2000倍）氣體分子產(chǎn)生很大的表面吸引力，所以具有很強(qiáng)的儲氣能力。在我國，中、高變質(zhì)程度的煙煤和無煙煤中實測煤層氣含量（干燥無灰基）比低變質(zhì)褐煤要高的多。煤中吸附氣含量，可以用直接法通過煤樣解吸試驗得到，也可以用間接法通過Langmuir方程計算求得。

其中：p—氣體壓力kg/cm2）；a—實驗溫度下最大吸附量（cm3/g·可燃物）；b—取決于實驗溫度及煤質(zhì)的系數(shù) （kg/cm2）-1；

煤吸附煤層氣（甲烷）的能力與多種因素有關(guān)，主要有以下幾個方面：①一般情況下，隨著煤變質(zhì)程度的提高，其吸附氣的能力逐漸增加。②煤吸附氣量與壓力的關(guān)系是：當(dāng)壓力不大時，吸附量隨壓力增大而增加；壓力越高，上述增長幅度越小；當(dāng)壓力達(dá)到一定值時，吸附量接近一個常數(shù)。達(dá)就是說，煤吸附氣量是隨壓力的增加按雙曲線規(guī)律變化。③出于吸附作用本身是一個放熱過程因此當(dāng)溫度升高時，煤對煤層氣的吸附能力下降。④隨著煤的濕度加大，吸附量將變小。這是因為煤的部分微孔隙已被水分子所占擬，而將煤層氣分子擠出所致。

1.2 游離狀態(tài)煤層氣 在氣飽和的情況下，煤的孔隙和裂隙中充滿著處于游離狀態(tài)的氣體。這部分氣服從一般氣體狀態(tài)方程，由于甲烷分子的自由熱運(yùn)動，因而顯現(xiàn)出氣體壓力。游離氣的含量取決于煤的孔隙（裂隙）體積、溫度、氣體壓力和甲烷的壓縮系數(shù)，即Qy=Ф×P×K

式中：Qy為游離氣含量（cm3/g）；Ф為單位質(zhì)量煤的孔隙體積（cm3/s）；P為氣體壓力（MPa）；K為甲烷的壓縮系數(shù)（MPa-1）。

1.3 溶解狀態(tài)煤層氣 水對甲烷有一定的溶解能力。與其他氣體相比，甲烷在水中的溶解度是較小的。但煤層常為含水層，甲烷會因地下水的運(yùn)動而從煤層中運(yùn)移出去。

1.4 游離態(tài)與吸附態(tài)煤層氣的轉(zhuǎn)化 當(dāng)壓力增加、溫度降低時，煤的吸附能量增加，游離狀態(tài)煤層氣向吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)化。當(dāng)壓力降低、溫度升高時，吸附狀態(tài)瓦斯向游離狀態(tài)轉(zhuǎn)化。這種現(xiàn)象較為常見，稱為煤層氣的解吸作用，它是—種吸熱反應(yīng)。在井下，當(dāng)大量瓦斯解吸時，可吸收圍巖熱量而使煤壁降溫。瓦斯的解吸現(xiàn)象與煤和瓦斯突出有一定關(guān)系。

2 煤層氣含量的影響因素

不同含氣區(qū)煤層氣含量差別較大，即便在同一含氣區(qū)，甚至同一含氣帶煤層氣含量差別也較大。煤層很好的將生氣層和儲集層結(jié)合在了一起。成煤物質(zhì)、煤變質(zhì)程度直接關(guān)系著煤層的生氣量；煤的變質(zhì)程度、煤巖成分、氣體壓力等因素直接關(guān)系著儲氣能力，煤儲層的埋深、區(qū)域水文地質(zhì)、氣生成量直接關(guān)系著壓力；除煤層自身條件外，煤儲層的保存條件對煤層氣含量也有重要的影響。這些諸多的影響因素以及復(fù)雜的相互配置關(guān)系造成煤層氣含量的差異變化。

2.1 變質(zhì)程度 煤變質(zhì)對煤層氣含量的影響，主要是通過對煤的生氣量和煤的吸附能力的控制作用而體現(xiàn)的。大量研究已證明，煤的生氣量隨著煤變質(zhì)程度的增加而增大，這是煤層氣含量增高的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 埋藏深度 煤層氣含量隨著煤儲層埋藏深度和壓力的增加而增大的現(xiàn)象具普遍性。原因是根據(jù)Langmuir吸附理論，隨著壓力的增大，煤對甲烷的吸附量呈非線性增加。煤儲層壓力的大小，總體上是隨著煤層埋深加大而增大的。

2.3 水文地質(zhì) 水動力對煤層氣具有水力封閉和水力驅(qū)替、運(yùn)移的雙重作用。水力封閉作用有利于煤層氣的保存，而水力驅(qū)替、運(yùn)移作用則引起煤層氣的逸散。一般講，地下水壓力大，煤層氣含量高，反之則低；地下水的強(qiáng)徑流帶煤層氣含量低，而滯流區(qū)則含量高。因此應(yīng)掌握煤層地下水的壓力、滲透速度、水力梯度、補(bǔ)徑排關(guān)系等水文地質(zhì)參數(shù)和條件，以便從宏觀上分析煤層氣含量的變化趨勢。

2.4 聚煤環(huán)境 一是聚煤沉積環(huán)境不同引起煤的氧化還原程度、煤巖成分存在差異；二是沉積環(huán)境不同引起圍巖巖性差異而造成封閉性能的差異。

2.5 地質(zhì)構(gòu)造

2.5.1 傾斜構(gòu)造。在其它條件近似，煤層圍巖封閉條件較好的情況下，一般傾角平緩的煤層所含的煤層氣量較傾角陡的煤層要大。這是因為前者的煤層氣運(yùn)移路線長，所受阻力大，氣體運(yùn)移難。

2.5.2 褶曲構(gòu)造。一般巷道中的小型褶曲對煤層氣含量影響不大，有影響的主要是大、中型褶曲。從區(qū)域構(gòu)造來看，緊密褶皺地區(qū)往往煤層氣含量高。礦區(qū)規(guī)模的大型向斜相對埋藏深度大，大型背斜相對埋藏淺，這種差異對煤層氣含量有不同影響，往往是前者大于后者。礦井范圍內(nèi)的中型褶曲，其煤層氣含量有兩種情況：當(dāng)圍巖的封閉條件較好時，背斜較向斜煤層氣含量高。

2.5.3 斷裂構(gòu)造。張性斷裂對煤層氣可起排放作用，但隨深度增加排氣斷層的排氣能力有遞減的趨勢；壓性或壓扭性斷裂對煤層氣可起保存作用，但傾角較陡的逆斷層有可能排氣，在構(gòu)造性質(zhì)近似的情況下，新構(gòu)造比老構(gòu)造透氣性要好些，這是因為老構(gòu)造時間長，往往被后來的物質(zhì)所填充而不再透氣。此外，與地表相通的排氣斷層（特別是大型的）其排氣性更好。

3 煤層氣的保存條件

3.1 地質(zhì)條件

3.1.1 蓋層。依據(jù)封蓋層對煤層氣的作用、各種地質(zhì)作用的影響程度及含氣量與煤巖吸附能力的相互關(guān)系，可將封蓋有效性分為四類：高效封蓋層、有效封蓋層、低效封蓋層、無效封蓋層。良好的封蓋層可以保持地層壓力，阻止地層水的交替，維持三種狀態(tài)煤層氣之間的平衡關(guān)系，從而使其在煤層中得以保存和富集。

3.1.2 上覆地層有效厚度。煤儲層上覆地層有效厚度，是指煤層到氣體大量生成后第一個不整合面的地層厚度，根據(jù)對煤儲層上覆地層有效厚度的判斷，我們能夠更加準(zhǔn)確的了解煤層氣大量生成后構(gòu)造運(yùn)動，還能夠了解地層抬升、剝蝕等作用對煤層氣的保存造成的影響。通常，保存條件變好或者是變壞是與煤儲層上覆地層有效厚度的增加或減少是相關(guān)的；當(dāng)有效地層厚度變薄了的時候，構(gòu)造運(yùn)動自然會引起較強(qiáng)烈的抬升、剝蝕，地層壓力也會相應(yīng)的減小，氣體就不難出現(xiàn)解吸散失的情況。

3.2 水文地質(zhì)條件 首先我們要保證封蓋條件合格，關(guān)于煤層氣的富集與保存，要與水文地質(zhì)條件的相關(guān)規(guī)定是一致的，水動力封閉及地層水超壓能夠有效地促進(jìn)煤層氣的吸附及富集；隨著交替的水動力條件的變化，吸附與溶解和游離氣間會出現(xiàn)不平衡的情況，吸附氣的變少，將對煤層氣的保存造成一些負(fù)面影響。

3.3 構(gòu)造條件

3.3.1 構(gòu)造升降運(yùn)動。由于構(gòu)造升降運(yùn)動，地層的溫壓也會相應(yīng)地發(fā)生變化，煤層氣吸附出現(xiàn)了不平衡的情況，吸附氣與游離氣互相轉(zhuǎn)化，給煤層氣的保存帶來了一些負(fù)面影響。通常，當(dāng)煤層埋藏深度越深時，含氣量也會變多，究其原因主要是，當(dāng)煤層埋深不斷增加時，煤的演化程度也會發(fā)生相應(yīng)的變化，生氣條件會越來越好，煤層壓力也會逐漸增加，封閉條件相對變好，煤的吸附量也會越來越大。相反，在構(gòu)造抬升的情況下，有效地層厚度不再是原來那樣厚，導(dǎo)致煤層氣的散失，如徐州、山東等地一些煤田的煤層埋藏過淺，煤層氣保存量甚微。

3.3.2 斷裂構(gòu)造。斷裂構(gòu)造的影響是多方面的，特別是斷裂類型，不僅對煤層的完整性和煤層的封閉條件，而且對煤體結(jié)構(gòu)、顯微特征和煤的孔滲性均有不同程度的影響。

正斷層一般為開放型，封閉性較差；逆斷層多屬壓性、壓扭性，封閉性能好。斷層面附近為低壓區(qū)，煤層甲烷大量解吸，含氣量下降。張性斷層表現(xiàn)為正斷層或拉張性走滑斷層，斷層面為開放性，一般情況下是非常有利于煤層氣運(yùn)移的。

3.3.3 圈閉構(gòu)造。圈閉類型對煤層氣保存起決定性作用，分背斜構(gòu)造、向斜構(gòu)造：①背斜構(gòu)造。兩翼與軸部中和面以下表現(xiàn)為壓應(yīng)力，應(yīng)力明顯集中，這些部位都是高壓區(qū)。背斜軸部中和面以上表現(xiàn)為拉張應(yīng)力，將會出現(xiàn)不少的張性裂隙或斷層，應(yīng)力釋放的不慢，形成低壓區(qū)。②向斜構(gòu)造。兩翼與軸部中和面以上表現(xiàn)明顯的壓應(yīng)力集中；中和面以下表現(xiàn)為拉張應(yīng)力。向斜的兩翼和軸部往往為煤層甲烷含量高異常區(qū)。向斜軸部中和面以下的煤層甲烷封存較差。當(dāng)煤層埋深較大，底板為厚層泥巖時，中和面以下也會出現(xiàn)煤層甲烷富集。

3.4 保存條件綜述 良好的封蓋層可以阻止煤層氣的垂向逸散，減少煤層氣的滲流和擴(kuò)散散失；一定的上覆有效地層厚度可以維持地層壓力及相態(tài)的平衡，保持較多的甲烷氣賦存于煤層中；優(yōu)越的水文地質(zhì)條件可形成水壓封閉，而交替的水動力可以破壞煤層氣的保存；構(gòu)造運(yùn)動和斷裂對煤層氣的保存具有兩重性。

4 小結(jié)

煤層氣賦存的狀況是地質(zhì)、水文、構(gòu)造等眾多因素共同作用的結(jié)果。影響煤層含氣量的主要地質(zhì)因素有煤變質(zhì)程度，煤層埋藏深度，煤層蓋層以及傾斜、褶皺、斷裂構(gòu)造，其中煤變質(zhì)程度起著根本性作用。有利的水文地質(zhì)條件，有利于煤層氣的吸附及富集。良好的封蓋層可以保持地層壓力，阻止地層水的交替，維持三種狀態(tài)煤層氣之間的平衡關(guān)系。另外，水動力封閉及地層水超壓都對煤層的吸附有重要影響。構(gòu)造運(yùn)動和斷裂構(gòu)造對于煤層氣的保存和滲流都有較大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張力.煤層氣滲流方程及數(shù)值模擬[J].天然氣工業(yè)，2002，22 （1）：23-26.

[2]周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

[3]陳練武.煤層割理研究在韓城礦區(qū)煤層氣評價中的意義[J].西安工程學(xué)院學(xué)報，1998，3（20）.

[4]王紅巖，李景明等.煤層氣基礎(chǔ)理論、聚集規(guī)律及開采技術(shù)方法進(jìn)展[J].石油勘探與開發(fā)，2004，12.

[5]葉建平等.中國煤層氣資源[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.124～127.

[6]張勇東.煤層氣資源量及其賦存規(guī)律的影響因素[J].山西焦煤科技，2004，1.