国内煤层气赋存规律的影响因素分析

摘要：本文主要通过讨论我国煤层气生成及含量的影响因素、煤层气保存的条件、煤层气在煤储层中赋存的方式，从而分析国内煤层气赋存规律的影响因素。

关键词：煤层气 赋存方式 含气量 保存条件

0 引言

煤层气（CBM）是以自生自储式为主的非常规天然气，它主要贮存于煤层及其邻近岩层之中。我国是煤炭资源大国，煤层气资源也极为丰富，近几年随着对煤层气研究的日益深入，煤层气开发和利用具有远大前景。据测算，埋深小于2000m的煤层气资源量为31.46万亿m3，与陆上常规天然气资源量相当，并与其在区域分布上形成良好的资源互补。因而通过探讨煤层气赋存的有利条件及不利条件，从而得出煤层气赋存的评价方法，对我国煤层气勘探开发及有利区块的选定具有重要的意义。

1 煤层气的赋存方式

煤层气以三种状态存在于煤层之中：溶解状态，溶解于煤层内的地下水中；游离状态，其中大部分存在于各类裂隙之中，以游离态分布于煤的孔隙中；吸附状态，吸附在煤孔隙的内表面上。溶解状态甲烷含量较少，一般以游离态和吸附态甲烷为主。

1.1 吸附状态煤层气 煤层与常规天然气储层的不同主要表现在，大多数的气体都是以吸附的方式在煤层中储存的。测算结果表明，吸附状态的气在煤中气体总量中大约占到的0%～95%还多，具体比例需要看煤的变质程度，埋藏深度等方面的影响。

由于煤是一种多孔介质，煤中的孔隙大部分为直径小于50nm的微孔，因而使煤具有很大的内表面积，（据测定，1g无烟煤微孔隙的总面积可达200m2之多，超过一般孔隙的2000倍）气体分子产生很大的表面吸引力，所以具有很强的储气能力。在我国，中、高变质程度的烟煤和无烟煤中实测煤层气含量（干燥无灰基）比低变质褐煤要高的多。煤中吸附气含量，可以用直接法通过煤样解吸试验得到，也可以用间接法通过Langmuir方程计算求得。

其中：p—气体压力kg/cm2）；a—实验温度下最大吸附量（cm3/g·可燃物）；b—取决于实验温度及煤质的系数 （kg/cm2）-1；

煤吸附煤层气（甲烷）的能力与多种因素有关，主要有以下几个方面：①一般情况下，随着煤变质程度的提高，其吸附气的能力逐渐增加。②煤吸附气量与压力的关系是：当压力不大时，吸附量随压力增大而增加；压力越高，上述增长幅度越小；当压力达到一定值时，吸附量接近一个常数。达就是说，煤吸附气量是随压力的增加按双曲线规律变化。③出于吸附作用本身是一个放热过程因此当温度升高时，煤对煤层气的吸附能力下降。④随着煤的湿度加大，吸附量将变小。这是因为煤的部分微孔隙已被水分子所占拟，而将煤层气分子挤出所致。

1.2 游离状态煤层气 在气饱和的情况下，煤的孔隙和裂隙中充满着处于游离状态的气体。这部分气服从一般气体状态方程，由于甲烷分子的自由热运动，因而显现出气体压力。游离气的含量取决于煤的孔隙（裂隙）体积、温度、气体压力和甲烷的压缩系数，即Qy=Ф×P×K

式中：Qy为游离气含量（cm3/g）；Ф为单位质量煤的孔隙体积（cm3/s）；P为气体压力（MPa）；K为甲烷的压缩系数（MPa-1）。

1.3 溶解状态煤层气 水对甲烷有一定的溶解能力。与其他气体相比，甲烷在水中的溶解度是较小的。但煤层常为含水层，甲烷会因地下水的运动而从煤层中运移出去。

1.4 游离态与吸附态煤层气的转化 当压力增加、温度降低时，煤的吸附能量增加，游离状态煤层气向吸附状态转化。当压力降低、温度升高时，吸附状态瓦斯向游离状态转化。这种现象较为常见，称为煤层气的解吸作用，它是—种吸热反应。在井下，当大量瓦斯解吸时，可吸收围岩热量而使煤壁降温。瓦斯的解吸现象与煤和瓦斯突出有一定关系。

2 煤层气含量的影响因素

不同含气区煤层气含量差别较大，即便在同一含气区，甚至同一含气带煤层气含量差别也较大。煤层很好的将生气层和储集层结合在了一起。成煤物质、煤变质程度直接关系着煤层的生气量；煤的变质程度、煤岩成分、气体压力等因素直接关系着储气能力，煤储层的埋深、区域水文地质、气生成量直接关系着压力；除煤层自身条件外，煤储层的保存条件对煤层气含量也有重要的影响。这些诸多的影响因素以及复杂的相互配置关系造成煤层气含量的差异变化。

2.1 变质程度 煤变质对煤层气含量的影响，主要是通过对煤的生气量和煤的吸附能力的控制作用而体现的。大量研究已证明，煤的生气量随着煤变质程度的增加而增大，这是煤层气含量增高的物质基础。

2.2 埋藏深度 煤层气含量随着煤储层埋藏深度和压力的增加而增大的现象具普遍性。原因是根据Langmuir吸附理论，随着压力的增大，煤对甲烷的吸附量呈非线性增加。煤储层压力的大小，总体上是随着煤层埋深加大而增大的。

2.3 水文地质 水动力对煤层气具有水力封闭和水力驱替、运移的双重作用。水力封闭作用有利于煤层气的保存，而水力驱替、运移作用则引起煤层气的逸散。一般讲，地下水压力大，煤层气含量高，反之则低；地下水的强径流带煤层气含量低，而滞流区则含量高。因此应掌握煤层地下水的压力、渗透速度、水力梯度、补径排关系等水文地质参数和条件，以便从宏观上分析煤层气含量的变化趋势。

2.4 聚煤环境 一是聚煤沉积环境不同引起煤的氧化还原程度、煤岩成分存在差异；二是沉积环境不同引起围岩岩性差异而造成封闭性能的差异。

2.5 地质构造

2.5.1 倾斜构造。在其它条件近似，煤层围岩封闭条件较好的情况下，一般倾角平缓的煤层所含的煤层气量较倾角陡的煤层要大。这是因为前者的煤层气运移路线长，所受阻力大，气体运移难。

2.5.2 褶曲构造。一般巷道中的小型褶曲对煤层气含量影响不大，有影响的主要是大、中型褶曲。从区域构造来看，紧密褶皱地区往往煤层气含量高。矿区规模的大型向斜相对埋藏深度大，大型背斜相对埋藏浅，这种差异对煤层气含量有不同影响，往往是前者大于后者。矿井范围内的中型褶曲，其煤层气含量有两种情况：当围岩的封闭条件较好时，背斜较向斜煤层气含量高。

2.5.3 断裂构造。张性断裂对煤层气可起排放作用，但随深度增加排气断层的排气能力有递减的趋势；压性或压扭性断裂对煤层气可起保存作用，但倾角较陡的逆断层有可能排气，在构造性质近似的情况下，新构造比老构造透气性要好些，这是因为老构造时间长，往往被后来的物质所填充而不再透气。此外，与地表相通的排气断层（特别是大型的）其排气性更好。

3 煤层气的保存条件

3.1 地质条件

3.1.1 盖层。依据封盖层对煤层气的作用、各种地质作用的影响程度及含气量与煤岩吸附能力的相互关系，可将封盖有效性分为四类：高效封盖层、有效封盖层、低效封盖层、无效封盖层。良好的封盖层可以保持地层压力，阻止地层水的交替，维持三种状态煤层气之间的平衡关系，从而使其在煤层中得以保存和富集。

3.1.2 上覆地层有效厚度。煤储层上覆地层有效厚度，是指煤层到气体大量生成后第一个不整合面的地层厚度，根据对煤储层上覆地层有效厚度的判断，我们能够更加准确的了解煤层气大量生成后构造运动，还能够了解地层抬升、剥蚀等作用对煤层气的保存造成的影响。通常，保存条件变好或者是变坏是与煤储层上覆地层有效厚度的增加或减少是相关的；当有效地层厚度变薄了的时候，构造运动自然会引起较强烈的抬升、剥蚀，地层压力也会相应的减小，气体就不难出现解吸散失的情况。

3.2 水文地质条件 首先我们要保证封盖条件合格，关于煤层气的富集与保存，要与水文地质条件的相关规定是一致的，水动力封闭及地层水超压能够有效地促进煤层气的吸附及富集；随着交替的水动力条件的变化，吸附与溶解和游离气间会出现不平衡的情况，吸附气的变少，将对煤层气的保存造成一些负面影响。

3.3 构造条件

3.3.1 构造升降运动。由于构造升降运动，地层的温压也会相应地发生变化，煤层气吸附出现了不平衡的情况，吸附气与游离气互相转化，给煤层气的保存带来了一些负面影响。通常，当煤层埋藏深度越深时，含气量也会变多，究其原因主要是，当煤层埋深不断增加时，煤的演化程度也会发生相应的变化，生气条件会越来越好，煤层压力也会逐渐增加，封闭条件相对变好，煤的吸附量也会越来越大。相反，在构造抬升的情况下，有效地层厚度不再是原来那样厚，导致煤层气的散失，如徐州、山东等地一些煤田的煤层埋藏过浅，煤层气保存量甚微。

3.3.2 断裂构造。断裂构造的影响是多方面的，特别是断裂类型，不仅对煤层的完整性和煤层的封闭条件，而且对煤体结构、显微特征和煤的孔渗性均有不同程度的影响。

正断层一般为开放型，封闭性较差；逆断层多属压性、压扭性，封闭性能好。断层面附近为低压区，煤层甲烷大量解吸，含气量下降。张性断层表现为正断层或拉张性走滑断层，断层面为开放性，一般情况下是非常有利于煤层气运移的。

3.3.3 圈闭构造。圈闭类型对煤层气保存起决定性作用，分背斜构造、向斜构造：①背斜构造。两翼与轴部中和面以下表现为压应力，应力明显集中，这些部位都是高压区。背斜轴部中和面以上表现为拉张应力，将会出现不少的张性裂隙或断层，应力释放的不慢，形成低压区。②向斜构造。两翼与轴部中和面以上表现明显的压应力集中；中和面以下表现为拉张应力。向斜的两翼和轴部往往为煤层甲烷含量高异常区。向斜轴部中和面以下的煤层甲烷封存较差。当煤层埋深较大，底板为厚层泥岩时，中和面以下也会出现煤层甲烷富集。

3.4 保存条件综述 良好的封盖层可以阻止煤层气的垂向逸散，减少煤层气的渗流和扩散散失；一定的上覆有效地层厚度可以维持地层压力及相态的平衡，保持较多的甲烷气赋存于煤层中；优越的水文地质条件可形成水压封闭，而交替的水动力可以破坏煤层气的保存；构造运动和断裂对煤层气的保存具有两重性。

4 小结

煤层气赋存的状况是地质、水文、构造等众多因素共同作用的结果。影响煤层含气量的主要地质因素有煤变质程度，煤层埋藏深度，煤层盖层以及倾斜、褶皱、断裂构造，其中煤变质程度起着根本性作用。有利的水文地质条件，有利于煤层气的吸附及富集。良好的封盖层可以保持地层压力，阻止地层水的交替，维持三种状态煤层气之间的平衡关系。另外，水动力封闭及地层水超压都对煤层的吸附有重要影响。构造运动和断裂构造对于煤层气的保存和渗流都有较大的作用。

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