1、地质因素对煤层气赋存的影响资源环境与城乡规划管理地质因素对煤层气赋存的影响摘 要近年来，我国经济结构不断优化，作为能源市场重要组成部分的天然气市场发展迅速。但由于我国煤层气产业化尚处于起步阶段，而且我国煤层气普遍存在低渗、低储层压力和低饱和度的“三低”不利条件，虽然煤层埋深、吨煤含气量以及煤层厚度均比较理想，多数项目仍然面临如何稳定与提高单井产量的技术难题，因此寻求科学的煤层气产业化途径是我国面临的一项迫切而艰巨的任务，搞清楚各种地质因素对煤层气赋存的影响就显得尤为重要。本文系统地阐述了煤层气的概念、类型、特性及其赋存状态，以及目前对煤层气藏的各种认识及其成因。通过对各种地质因素的探讨，重点分
2、析了地质构造和水文地质条件对煤层气赋存的影响，主要是褶皱和断裂这两种构造以及地下水对煤层气赋存的影响。最后对地质因素对煤层气赋存和开发利用的关联性做了分析，使得这些主要地质控制因素能够在实际生产中得到保证，这样就大大降低煤层气勘探风险，对煤层气的开采和开发具有重要的指导意义。关键词：煤层气；赋存状态；水文地质；褶皱；断裂Geological Influence on Occurrence of Coal Bed MethaneAbstractCurrently, with the increasing optimization of our countrys economic structur
3、e, the natural gas market is developing fast, as an essential part of the energy market. However, because the industrialization of coal bed methane in China is at the primary stage, and three disadvantages such as low permeability, low storage pressure and low saturation commonly exist, many project
4、s are faced with the technical problems of how to stabilize and increase the production per well in spite of a little satisfaction of the depth of coal bed, gas content per ton and thickness of coal bed; thus, it is an urgent and formidable mission for our country to seek the scientific industrializ
5、ation of coal bed methane and what seems perfectly important is to figure out geological influence on the occurrence of coal bed methane. In the thesis, the concept, category, characteristics of coal bed methane and state of the occurrence are systematically elaborated as well as all kinds of presen
6、t thoughts and causes of formation of gas accumulation of coal bed; geological factors are explored and emphasis is put upon the analysis of the geological structure and hydro geological factors influences on the occurrence of coal bed methane, in particular, ground water and structures like fold an
7、d fracture; finally, the connection between geological elements and the occurrence, exploration and use of coal bed is made an analysis of, which guarantees the main geological factors in practical production, to great extent, reduces the risk of prospecting coal bed methane and consequently, is of
8、great significance in guiding exploitation and development of coal bed methane.Key words: coal bed methane; occurrence; hydro geological; fold; fracture 目 录摘 要 IAbstract II1 绪论 11.1课题背景 11.2各国煤层气资源储量 21.3 煤层气资源勘探开发前景 21.4 本文主要内容 32 煤层气概况 42.1煤层气的定义 42.2煤层气的分类 42.2.1早期生物成因气 42.2.2次生生物成因气 42.2.3热成因气 5
9、2.3煤层气藏的定义与成因 52.3.1 煤层气藏的定义 52.3.2 煤层气藏的成因 62.4煤层气的赋存状态 82.5煤层气的储层特性 102.5.1煤层气解吸特性及解吸时间 102.5.2 煤层气的流动 112.5.3 煤层气吸附等温线 122.5.4 渗透率 132.5.5孔隙度 143 主要地质因素对煤层气生成赋存影响分析 163.1褶皱构造对煤层气生成赋存影响分析 163.1.1褶皱和褶皱要素 163.1.2褶皱对煤层气赋存的影响 173.2断裂构造对煤层气生成赋存影响分析 203.2.1断层对煤层气赋存的影响 223.2.2节理对煤层气赋存的影响 233.3 地质构造对煤层气生成
10、赋存的意义 244 水文地质对煤层气的影响 254.1 地下水的类型及含水特征 254.1.1 包气带水定义及其特征 254.1.2 潜水定义及其特征 264.1.3 承压水定义及其特征 264.1.4 孔隙水定义及其特征 274.1.5 裂隙水定义及其特征 284.1.6 岩溶水定义及其特征 284.2 地下水对煤层气赋存的影响 294.2.1 水力运移逸散作用 304.2.2 水力封闭控气作用 314.2.3 水力封堵控气作用 324.3 地下水对煤层气勘探与开采的意义 325 地质因素对煤层气赋存和开发利用的关联性分析 345.1煤层气的含气量 345.2地质因素影响下煤层气的赋存和可采
11、性分析 345.2.1煤层层数、煤层厚度 345.2.2 煤层气储层的渗透性 355.2.3 煤储层压力 355.2.4 煤层埋藏深度 355.2.5水文地质条件 365.3 二者关联性分析的意义 36结 论 37参考文献 39致 谢 411 绪论1.1课题背景煤层气是煤层在地质史漫长的煤化过程中所生成的以甲烷为主的天然气，在煤矿中俗称瓦斯。它目前仍储集在煤层中，包括煤层基质表面的吸附气、煤层裂缝与割理中的游离气、煤层水中的溶解气和煤层间薄常规储层中的游离气等四大组成部分。由于煤层气主要以吸附状态赋存于煤层内表面上，故又称煤层吸附气或煤层甲烷气。煤层气是优质的化工和能源原料。煤层气具有热值高、
12、无污染的特点。它可以用来发电，用作工业燃料、化工原料和居民生活燃料。煤层气随着煤炭的开采泄漏到大气中，会加剧全球的温室效应。而如果对煤层气进行回收利用，在采煤之前先采出煤层气，煤矿生产中的瓦斯将降低70到85。目前煤层气已经在美国、德国、俄罗斯等多个国家使用，但国内的利用率较低。人们早就知道有煤层气，因为它就是煤矿采掘中令人“谈虎色变”的瓦斯气，它曾经引发过无数次的矿井灾难。长期以来煤层气一直被作为煤矿生产的一种主要灾害对待，煤矿开采中很重要的工作之一就是通风，将工作面附近的瓦斯气尽可能地抽排出去，以保障采矿的安全。煤层气开采最初是以防害为目的进行的，而将煤层气作为一种资源进行大规模开发利用是
13、从美国开始的。20世纪70年代美国在圣胡安和黑勇士盆地进行煤层气地面开发试验成功，才真正揭示了这一新型清洁能源的潜在经济效益和广阔前景。本世纪50年代，已出现有对煤层气的零星开发利用，如圣胡安盆地1953年投产了第一口煤层气气井，产量0.21万1.2万m3d。到70年代末，大规模开采煤层气资源已有了基础。1980年12月12日美国阿拉巴马州黑勇士盆地的Oak Grove煤层气田的建成投产，标志着现代煤层气工业的诞生。此后，美国煤层气工业迅速发展。1994年底，全美已有6000多口煤层气井，其中正在生产的井超过5500口，年产量逾210亿m3，约占美国天然气总产量的4.2；剩余探明可采储量340
14、0亿m3,约占美国天然气探明储量的8。 由于美国开发煤层气资源的成功，世界其他煤炭资源丰富的国家也开始从事这方面的研究和探索。我国的有关部门已进行了多次试验、研究和探索，取得了可喜的成果。其他为澳大利亚、加拿大、波兰、捷克、俄罗斯、乌克兰、比利时和印度等国家也都进行了不同程度的研究工作和先导性试验等。澳大利亚取得的进展较为突出，近二、三年内已累计钻了60多口煤层气井，其中有的已投入生产。该国的勘探和开发工作主要集中在西南威尔士和昆士兰两州，已有多家主要的公司参与了这项工作。在我国，由于煤层气地面开发起步较晚，无论是煤层气地质学的基础理论还是勘探开发工艺，基本上是引进、消化、吸收外国的经验。地矿
15、部、煤炭部和一些外国公司已先后进行了煤层气勘探，目前已有约百口井进行了煤层气的试验。中国石油天然气总公司新区勘探事业部于1994年专门成立了煤层气项目经理部，开展煤层气地质勘探、钻井和试气等研究工作，初步评选出我国煤层气远景资源量为(2535)1012m3，并在河北、陕西、山西等地进行了钻探。因此中国煤层气勘探开发的当务之急是：在煤层气储层详细描述的基础上，探讨适合我国煤层气储层特征的开发工艺。1.2各国煤层气资源储量煤层气是一种非常规的天然气资源，也是一种战略的后备资源，由于世界各国对环保问题日益重视，开发煤层甲烷就提到议事日程上来，美国十多年来在煤层气勘探开发中所积累的技术和经验，以及取得
16、的显著效益，更促使了煤层气工业在世界范围内的开展。全世界有一定煤炭资源量的国家至少有60个，煤炭的地质储量估计达131012t，如果加上低阶煤，估计可达251012t。拥有煤资源的主要国家有：俄罗斯、中国、美国、加拿大、澳大利亚和亚、欧、非的其他一些国家。据国外有关部门估算，世界煤层气资源量约有2401012m3，其中独联体171012m3，加拿大(5.6676.4)1012m3，中国(3035)1012m3，美国11.351012m3，澳大利亚(8.514.16)1012m3，德国和波兰均为2.81012m3。1.3 煤层气资源勘探开发前景我国煤层气产业化开发利用经过10多年的探索，在攻克相
17、关技术难题后，已经在山西晋城等地取得重要进展。作为一种优质高效清洁能源，煤层气的大规模开发利用前景诱人。在国际能源局势趋紧，我国煤矿安全生产形势严峻的大背景下，应推进煤层气的产业化开发，使瓦斯成为接替煤炭、石油和天然气等常规能源的新能源资源。 随着国民经济的快速发展，我国对能源的需求越来越大。而资源赋存条件决定国内油气产量无法大幅增长，油气供应缺口急剧增大。据发展改革委能源所预测，2010年我国油气缺口将分别达到1.3亿吨和300亿立方米；2020年这两个数字将分别上升到2.2亿吨和1000亿立方米。 在这样的能源背景下，需对瓦斯进行充分利用。我国煤层气资源十分丰富，是世界上继俄罗斯、加拿大之
18、后的第三大煤层气储量国，占世界排名前12位国家资源总量的13。根据最新一轮资源评估结果，我国埋深2000米以浅的煤层气资源量达31.46万亿立方米，相当于450亿吨标煤，350亿吨标油，与陆上常规天然气资源量相当。煤矿基层技术人员和瓦斯研究专家都认为，开发洁净气体能源是我国社会经济可持续发展的需要。因此，对煤层气这一新兴产业，政府应从战略高度，在其发展初期，从科研、勘探和项目建设上提供资金和政策支持。1.4 本文主要内容本文对煤层气的成因、特性及赋存状态作了简要的概括和分析，为读者了解煤层气的状况提供了依据。另外简略分析了褶皱、断裂等主要地质构造以及水文地质条件，重点分析了它们对煤层气赋存的影
19、响，揭示了在煤层气开发过程中应该注意的问题。最后分析了地质因素对煤层气赋存和开发利用的关联性，使得煤层气能够在各种地质因素综合分析的基础上，得到更好的开发利用，真正意义上实现煤层气的价值。2 煤层气概况2.1煤层气的定义 煤层气是煤层在形成过程中经过生物化学和热解作用所形成的以甲烷为主得烃类气体，主要以吸附状态储集于煤层中，部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中。煤层气又称煤层瓦斯或煤层甲烷，是煤层本身自生自储式非常规天然气。2.2煤层气的分类煤层气有两种基本的成因类型：生物成因和热成因。根据这两种成因类型可以将煤层气分为生物成因气和热成因气。生物成因气是由各类微生物的一系列复杂作用过程导致有机质
20、发生降解而形成的；而热成因气是指随着煤化作用的进行，伴随温度升高煤分子结构与成分的变化而形成的烃类气体。生物成因气体可形成于煤化作用早期阶段（泥炭-褐煤）以及煤层形成以后的构造抬升阶段，因此又可分为早期（原生）生物成因气与晚期（次生）生物成因气。2.2.1早期生物成因气早期生物成因气形成于泥炭-褐煤阶段（R0.5），由于埋藏深（400m）、温度低，热力作用尚不足以使有机质结构变化产生气体。在此阶段，有机质成分与结构的变化主要通过各类微生物参与下的生物化学反应实现。2.2.2次生生物成因气在煤层后期抬升阶段，煤层中温度等环境条件又适宜微生物生存。这些微生物主要通过位于补给区的煤层露头由大气降水带
21、入，在相对低温条件下（56）代谢湿气、正烷烃和其它有机化合物，生成甲烷和二氧化碳。在含煤盆地中，次生生物作用过程活跃并影响气体成分的深度间隔称作蚀变带，一般位于盆地边缘或中浅部；不发生蚀变的气体一般出现在盆地深部，称原始气带。2.2.3热成因气从烃源岩的角度，可以将煤级演化阶段分为低成熟阶段（泥炭-褐煤，R 0.5）、成熟阶段（长焰煤-瘦煤，0.5R1.9）和高成熟阶段（贫煤-无烟煤，R1.9）三个阶段。在低成熟阶段主要生产生物气，而真正的热成因气形成于长焰煤-无烟煤阶段。成熟阶段和高成熟阶段的产气过程分别如下：第一，成熟阶段（0.5R1.9）这一阶段的化学反应，按反应程度可以分为早、中、晚三
22、期。早期（0.6R0.8）：以含氧官能团的断裂为主，产生二氧化碳，芳烃结构上烷烃支链部分断裂形成少量的甲烷和乙烷以上的重烃。H/C变化不大，O/C由1.23急降至0.12。中期（0.8R1.3）：有机质的演化主要通过树脂、孢子、角质等稳定组分的降解初期所形成的沥青的转化，以及芳核结构上烷烃支链的断裂，形成富含重烃的气体，该阶段相当于生油岩高峰生油期。该阶段H/C从1.76降至0.89，O/C从0.12降至0.05，甲烷生成量高于二氧化碳，其中R=0.81.0为热成因甲烷大量形成的阶段。晚期（1.3R1.9）：沥青质、液态残余烃等较大分子烃类断裂、芳核支链进一步断裂形成含甲烷较多的气体。H/C由
23、0.79降至0.48，O/C由0.05到0.04保持稳定。 第二，高成熟阶段（R1.9）由于有机质芳香结构上的大部分烷烃支链在成熟阶段已消耗，化学反应由以断裂为主转向以芳香核之间的缩合为主，并由此产生大量的甲烷气体。在此阶段，有机质芳香度从0.85增至0.97，C原子几乎全部集中在芳香结构上。2.3煤层气藏的定义与成因2.3.1 煤层气藏的定义煤层气藏是在压力封闭作用下，吸附煤层气达到相当数量的煤岩体或煤层，是煤层气聚集和煤层气勘探开发的基本地质单元。煤层气藏作为煤层气聚集的基本单元，现已基本达成共识，但目前对煤层气藏的概念及其分类等一些基本问题，则尚未取得一致看法。李明潮等认为，煤层气藏是煤
24、中甲烷在具备适当外界条件时，相对集中在一定的围限内，围限内的气体富集程度、压力一般高于围限外。因此，认为煤层气藏属流体压力圈闭气藏，可细分为水压圈闭和气压圈闭两种类型，并认为煤层气藏对圈闭的要求不如常规气藏严格。钱凯等、赵庆波等以及李五忠等均认为，煤层气藏是指在压力作用下“圈闭”着一定数量气体的煤岩体，并提出了“有效煤层气藏”或“经济煤层甲烷气藏”的概念，指出有效煤层气藏是指具有商业开采价值的煤层气藏。袁政文等其他一些学者也曾对煤层气藏的概念和类型等进行了探讨。认为煤层气藏主要是热成熟煤岩生成的烃(主要是甲烷)，其大部分已运移出去，仅少部分通过范德华力被吸附在煤岩基质微孔隙内表面，吸附量随压力
25、增加而增大，随温度增高而减少。且认为煤层气藏生、储同层是受压力封闭(或圈闭)成藏，对构造圈闭条件要求不高。张建博等则认为，煤层气田是煤层气评价研究和勘探开发的基本单元，其在盆地中的位置与煤田的概念大致相当，其下再无需划分出煤层气藏，指出煤层气田应理解为具有一定规模，并具有商业开采价值的煤岩体。桑树勋等认为，煤层气藏是地层中煤层气聚集的基本单元，其形成同样需要具备煤层气聚集和圈闭两个必要条件，只不过形成煤层气藏的圈闭为压力圈闭，与常规圈闭的容纳机制不同，它没有一个确定的地质边界和确定的几何形态，因而将煤层气藏理解为是煤层气发生富集的压力圈闭，并认为压力圈闭是煤层气成藏要素优化配置的结果，压力圈闭
26、的富气程度主要受控于煤层气成藏过程匹配关系的优化。张新民等亦认为，煤层气藏是进行煤层气勘探开发的基本地质单元，但认为其定义并不建立在圈闭概念之上，指出煤层气藏是指在地层压力(水压和气压) 作用下保有一定数量气体的同一含煤地层的煤岩体，并具有独立的构造形态，它是在煤层热演化作用过程中形成的，且在后期构造运动中未被完全破坏，呈层状产出。 可见，目前对煤层气藏的认识还存在分歧。2.3.2 煤层气藏的成因煤层气是含煤地层中的有机质，在煤化过程中经过生物化学、热解及热裂解作用所生成的以甲烷为主的烃类气体，并以吸附状态储集于煤层中。煤层气藏的成藏因素主要包括煤层条件、压力封闭和保存条件。煤层气和煤是同体共
27、生、共存的伴生矿藏，仅是赋存状态不同。一般只要有煤层存在，煤层中就会有一定数量煤层气的存在，这一点已被煤矿的开采所证实。同时煤层气的勘探经验和成果也证实，不是有煤层就有经济开采价值的煤层气藏。只有那些吸附相当数量煤层气的煤岩体，或者说煤层中吸附的煤层气富集到一定程度才能称之为煤层气藏。煤层需要具有较高的含气量、较好的渗透性能和完善的封盖条件，才能形成煤层气藏。煤层对甲烷的吸附能力及煤层压力是煤层中吸附气量多少的主要控制因素。煤层对甲烷的吸附不仅为煤层气的富集提供了空间，而且为煤层气的富集提供能量。压力对煤层气富集的影响是明显的，一定煤阶的煤层，随压力的增大，含气量增大。压力主要作用于煤层气富集
28、成藏的两个方面：一方面为煤层气藏提供一部分能量，增大煤层对甲烷的吸附；另一方面，维持煤层气藏能量平衡，阻止煤层气解吸、逸散。同一压力条件下，煤层的吸附性能主要取决于其所处的演化阶段和组成成分，是煤自身的特性。但自然界中吸附能力大小相差无几的煤层，含气量大小却相差悬殊。究其原因，主要是压力的差异。由煤层的顶底板岩层及煤层的水动力系统所提供的压力，是形成煤层气富集与封闭的重要因素。但从煤层气形成的过程来看，煤层气有两种基本的成因类型：生物成因和热成因。第一，生物成因。以甲烷为主要成分的生物成因气，主要是在泥炭沼泽环境中通过微生物对有机质的分解作用而形成。这一生物降解过程是由一系列不同的微生物种类来
29、完成的，每一种只在有机质的某一部分和某一阶段中起作用。依其所利用的C源，生物气的形成途径可以分为两种：一是二氧化碳还原生产甲烷；二是醋酸、甲醇和甲胺等发酵转化成甲烷。在现代的泥炭沼泽环境中，通过二氧化碳还原或甲基发酵都可形成生物气，但通过气体的化学成分分析和同位素组成研究，大部分古代的生物气是通过二氧化碳的还原产生的。近地表处的新鲜沉积物可以通过两个途径形成气体：一是甲烷菌通过辅酶M活化二氧化碳和氢气，并使之形成甲基，最终还原为甲烷；二是甲烷菌使乙酸还原为甲烷。通过研究表明，生物气的形成应满足两个条件：一是要有丰富的有机质提供产气的物质基础；二是具备有利于甲烷菌繁殖的环境条件。一般在厌氧环境、
30、低温（通常在50以下）、高pH值、丰富的有机质、适宜的孔隙空间和快速沉淀等条件下，生物气会大量生成。但由于埋藏浅，原生生物气在煤层中保存甚少，不是煤层气的主要勘察对象。第二，热解作用。随着埋深的增加，温度和压力随之增加，煤层由低煤阶向高煤阶演化，也就是煤层中的挥发性物质不断降低的过程。在热力作用下，有机质中各种官能团和侧链分别按活化能大小，依次发生分解，转化为具有不同分子结构的烃类。煤层中以甲烷为主的热解烃类的生成主要是发生在高挥发分烟煤和以上的煤阶中。煤化作用不断加深的过程中，二氧化碳和水不断消耗，同时生成大量甲烷。煤化过程中形成的甲烷量，由于煤的组成、煤阶等的不同，不同研究者的估计值有较大
31、的差别，约为每克煤生成100cm3至300cm3的甲烷。随着埋深的增加煤化作用不断加深，煤化作用主要包括以下阶段：泥炭化阶段：腐殖质形成，芳构化增加；脱水阶段：湿度增加、氧碳比（O/C）减小，形成割理；中低变质作用：镜煤反射率（R0）增加，荧光强度增加，可抽汲物增加，湿度降低，强度增加；高变质作用：荧光强度降低，可抽提物分子量降低，氢碳比(H/C)减小，强度降低，割理发育；石墨化作用：氢碳比(H/C)降低，X射线衍射增强到峰值，吸附可达性增加，各向异性增加，强度增加，环构凝析作用增强，割理开始部分闭合。2.4煤层气的赋存状态煤层气的生成过程与常规油气并没有多大区别，均是有机质热演化过程中的产物
32、。煤层气作为一种非常规天然气，其“非常规”性主要表现在其赋存状态的特点。众所周知，常规天然气主要以游离气存在于以砂岩为主要储集层的孔隙或裂隙中，而煤层气主要(90以上)是以吸附状态附着于煤的内表面上，只有少量的煤层气以游离态储存在煤岩的割理、裂隙和孔隙中，或溶解在煤层的水中。正是这一特殊的赋存方式，决定了煤层气在成藏方面的特殊性及其勘探、开发特点。所以说煤层气的赋存状态是其区别于常规天然气的最本质特征。目前关于煤层气的赋存状态比较一致的认识是：它以吸附态、游离态和溶解态三种形式储集在煤储层中。其中最主要的是吸附态，占95以上。2.4.1溶解态煤层气储集层多是饱含水的，在一定的压力条件下必定有一部分煤层气要溶解于其中，其溶解度可用亨利定律描述：Pb = Kc Cb式中：Pb溶质在液体上方的蒸气平衡分压（Pa）；Cb气体在水中的溶解度（mol/m3）；Kc亨利常数。另一种表示方法为： Cb = Pb =
