第三章 煤层气地质

天然气与煤层气藏开发比较
1.1 基本理论
1.1 基本理论 •2、煤阶 、 • 煤阶是影响煤层饱和状态的参数， 达到的成熟度的级别。 煤阶是影响煤层饱和状态的参数，代表了煤化作用中能达到的成熟度的级别。
煤化作用是指泥炭转变为褐煤、烟煤、无烟煤、超无烟煤， 煤化作用是指泥炭转变为褐煤、烟煤、无烟煤、超无烟煤，或腐泥转 变为腐泥褐煤、腐泥烟煤、腐泥无烟煤和腐泥超无烟煤的过程。 变为腐泥褐煤、腐泥烟煤、腐泥无烟煤和腐泥超无烟煤的过程。 煤化作用包括成岩作用和变质作用两个阶段。 煤化作用包括成岩作用和变质作用两个阶段。 成岩作用 两个阶段 成岩作用是以压力为主，使泥炭压实、脱水、固结而转变为褐煤； 成岩作用是以压力为主，使泥炭压实、脱水、固结而转变为褐煤； 变质作用是在以温度为主，压力为副的条件下，使褐煤转变为烟煤、 变质作用是在以温度为主，压力为副的条件下，使褐煤转变为烟煤、 无烟煤以至超无烟煤。 无烟煤以至超无烟煤。 影响煤化作用的因素主要包括：温度、压力和时间。 影响煤化作用的因素主要包括：温度、压力和时间。温度升高促使煤 进行化学变化，压力增大主要是促使煤的物理结构发生变化， 进行化学变化，压力增大主要是促使煤的物理结构发生变化，时间因素的 作用体现在温度和压力持续的久暂上。 作用体现在温度和压力持续的久暂上。
3、煤层气的解吸和扩散 、
1.1 基本理论
由于煤具有基质孔隙和裂隙的双重孔隙结构， 由于煤具有基质孔隙和裂隙的双重孔隙结构，决定了煤层是一 种典型的双重孔隙和双重渗透率的储层。当储层压力降到临界解吸 种典型的双重孔隙和双重渗透率的储层。当储层压力降到临界解吸 压力（指解吸与吸附达到平衡时， 压力（指解吸与吸附达到平衡时，压 力降低使吸附在煤微孔隙表面上的气 体开始解吸时的压力）之后， 体开始解吸时的压力）之后，煤层气 开始从煤孔隙表面解吸出来， 开始从煤孔隙表面解吸出来，但由于 基质孔隙的孔隙度和渗透率极低， 基质孔隙的孔隙度和渗透率极低，孔 隙直径大多<10-7m，所以气体必须经 隙直径大多 ， 扩散作用扩散到裂隙中， 扩散作用扩散到裂隙中，然后再通过 割理系统渗流产出。 割理系统渗流产出。
1.1 基本理论
3种因素中温度最为重要。温度愈高，煤化程度愈高；温度愈高， 种因素中温度最为重要。温度愈高，煤化程度愈高；温度愈高， 种因素中温度最为重要 时间的影响愈大；在同样的温度、压力条件下，时间愈长， 时间的影响愈大；在同样的温度、压力条件下，时间愈长，煤化程 度也愈高(作用的温度应大于 ～ ℃ ； 度也愈高 作用的温度应大于50～60℃)；在较低温度下受热时间较 作用的温度应大于 或温度较高而持续时间较短，可以达到同样的煤化程度。 长，或温度较高而持续时间较短，可以达到同样的煤化程度。 煤变质作用类型： 煤变质作用类型： （1）深成变质作用。又称区域变质作用或正常变质作用，是煤 ）深成变质作用。又称区域变质作用或正常变质作用， 层沉降到地面下较深处， 层沉降到地面下较深处，在地温和上覆岩系静压力作用下发生的变 质作用。 质作用。 德国C.希尔特提出 “希尔特规律”——德国 希尔特提出，在地层大体水平的条 希尔特规律” 德国 希尔特提出， 件下，向地下每深100米，煤的挥发分降低约 ％。 件下，向地下每深 米 煤的挥发分降低约2.3％。 这表明煤的变质程度随其埋藏深度的增加而增高， 这表明煤的变质程度随其埋藏深度的增加而增高，即由于地温 随深度的增加而增高，导致煤层的变质程度随深度而增高。 随深度的增加而增高，导致煤层的变质程度随深度而增高。
1.1 Байду номын сангаас本理论
（2）接触变质作用。指与煤层接触的侵入岩浆的高温、挥发性 ）接触变质作用。指与煤层接触的侵入岩浆的高温、 气体促使煤发生的变质。煤层经受的温度虽高， 气体促使煤发生的变质。煤层经受的温度虽高，但因岩浆侵入的规 模一般较小，受热的持续时间较短， 模一般较小，受热的持续时间较短，因此仅在接触带附近形成局部 的煤级分带。 的煤级分带。 （3）区域岩浆热变质作用或原岩浆热变质作用。是由于侵入岩 ）区域岩浆热变质作用或原岩浆热变质作用。 浆的岩浆热和伴生的热液、 浆的岩浆热和伴生的热液、热气以及岩浆所含放射性元素的蜕变热 等，在含煤地区形成地热异常引起的煤变质作用。 在含煤地区形成地热异常引起的煤变质作用。 （4）动力变质作用。是由于构造运动导致煤的变质。 ）动力变质作用。是由于构造运动导致煤的变质。 动压力使煤的物理结构发生变化，如密度加大、水分减少、 动压力使煤的物理结构发生变化，如密度加大、水分减少、反 射率和各向异性增强。 射率和各向异性增强。条件有利时也会因构造变动产生的摩擦热引 起煤的化学变化。但这往往只限于强烈构造活动带，影响范围不大。 起煤的化学变化。但这往往只限于强烈构造活动带，影响范围不大。
1.1 基本理论
煤的显微组分中主要包括镜质组、惰质组和壳质组。 煤的显微组分中主要包括镜质组、惰质组和壳质组。 镜质组 镜质组（尤其是均质镜质体）致密、均匀、块体大， 镜质组（尤其是均质镜质体）致密、均匀、块体大，有利于割理 顺利延伸和发展；含量介于46.45%-93.75%之间，平均为 之间， 顺利延伸和发展；含量介于 之间 平均为77.30%以基 以基 质镜质体为主，结构镜质体和均质镜质体含量不高。 质镜质体为主，结构镜质体和均质镜质体含量不高。 惰质组是多孔状、纤维状，纤维的纵向常顺层排列，空隙使得应 惰质组是多孔状、纤维状，纤维的纵向常顺层排列， 力释放，纤维状丝质体在垂直纤维方向上裂开比较困难； 力释放，纤维状丝质体在垂直纤维方向上裂开比较困难；含量介于 4.51%-37.73%之间，平均为18.92%，惰质组有释放应力、减弱割理 之间，平均为 之间 ，惰质组有释放应力、 和阻挡割理的作用，对割理发育不利； 和阻挡割理的作用，对割理发育不利； 壳质组平均含量为3.81%，主要为孢子体、角质体和树脂体，它的 ，主要为孢子体、角质体和树脂体， 壳质组平均含量为 机械强度大于镜质组和惰质组，其形变过程类似于镜质组， 机械强度大于镜质组和惰质组，其形变过程类似于镜质组，多数煤层 含壳质组很少，故壳质组对煤储层割理发育影响不大。 含壳质组很少，故壳质组对煤储层割理发育影响不大。
1.1 基本理论
大量研究表明， 大量研究表明，镜质组对煤的生气量及储层物性的贡献最 镜质组发育的煤层，一般内生裂隙较发育，渗透率越高。 大。镜质组发育的煤层，一般内生裂隙较发育，渗透率越高。 通常用于确定煤阶的参数为“镜质体反射率” 通常用于确定煤阶的参数为“镜质体反射率”。镜质组分 是煤中最常见、最重要的组分，含氧量高，碳和氢的含量居中， 是煤中最常见、最重要的组分，含氧量高，碳和氢的含量居中， 在中国大多数晚古生代煤中，镜质组含量在55%~80%以上。 在中国大多数晚古生代煤中，镜质组含量在 以上。 以上 镜质组反射率指在显微镜下，于油浸及546nm波长条件下 镜质组反射率指在显微镜下，于油浸及 波长条件下 镜质组的反射光强度与垂直入射光强度的百分比，以R0(％)表 镜质组的反射光强度与垂直入射光强度的百分比， ％表 其值随煤化程度增高而加大。 示，其值随煤化程度增高而加大。 当R0>4.0 ％时为高煤阶，如无烟煤； 时为高煤阶，如无烟煤； 时为低煤阶，如褐煤； 当R0<0.35 ％时为低煤阶，如褐煤； 当0.35 ％ <R0< 4.0％ 时为中煤阶，如肥煤、焦煤等。 ％ 时为中煤阶，如肥煤、焦煤等。
1.1 基本理论
根据镜质体最大反射率， 个煤级（ 根据镜质体最大反射率，将中国煤划分为 9个煤级（即1个成岩阶段 个煤级 个成岩阶段 个变质阶段）。 个煤级与煤的9个工业牌号大致相当 和8个变质阶段）。 个煤级与煤的 个工业牌号大致相当。 个变质阶段）。9个煤级与煤的 个工业牌号大致相当。
煤级、 煤级、煤的工业牌号与镜质体反射率对比表 煤级 褐煤 0 阶段 I 阶段 II 阶段 烟 煤 III 阶段 IV 阶段 V 阶段 VI 阶段 无烟煤 超无烟煤 VII 阶段 VIII 阶段 煤的工业牌号 褐 煤 长焰煤 气 煤 肥 煤 焦 煤 瘦 煤 贫 煤 无烟煤 超无烟煤 镜质体最大反射 率Romax（%） ≦0.49 0.5～0.64 0.65～0.79 0.80～1.19 1.20～1.69 1.70～1.89 1.90～2.49 2.50～3.99 ≧4.00
1.1 基本理论
（2）吸附状态 ） 在煤的内表面上分子的吸引力一部分指向煤的内部，已达到饱和， 在煤的内表面上分子的吸引力一部分指向煤的内部，已达到饱和，而 另一部分指向空间，没有饱和，于是就在煤的表面产生吸附场，吸附周围的 另一部分指向空间，没有饱和，于是就在煤的表面产生吸附场， 气体分子。这种吸附属于物理现象， 的可逆过程。 气体分子。这种吸附属于物理现象，是100%的可逆过程。在一定条件下， 的可逆过程 在一定条件下， 被吸附的气体分子与煤的内表面脱离，叫做解吸，并进入游离相。 被吸附的气体分子与煤的内表面脱离，叫做解吸，并进入游离相。呈吸附状 态的天然气可占70%~95%。由此可见，天然气在煤层中的储集主要依赖于 。由此可见， 态的天然气可占 吸附作用，而不依赖于是否有储集气体的常规圈闭存在， 吸附作用，而不依赖于是否有储集气体的常规圈闭存在，因而与常规砂岩中 天然气的储集有本质上的区别。 天然气的储集有本质上的区别。 （3）溶解状态 ） 煤中还有少量的天然气溶解在煤层的地下水中，称为溶解气，通常， 煤中还有少量的天然气溶解在煤层的地下水中，称为溶解气，通常， 这部分气量极少。 这部分气量极少。
1.1 基本理论
1、煤层气(Coalbed Methane) 、煤层气 俗称“煤矿瓦斯” 广义的“煤层气” 俗称“煤矿瓦斯”，广义的“煤层气”是在漫长的地质年 代煤层中生成的天然气经运移、扩散后的剩余量， 代煤层中生成的天然气经运移、扩散后的剩余量，其主要成分 为甲烷。 通常讲的“煤层气”是以吸附方式 吸附方式存在于煤层中的非 为甲烷。 通常讲的“煤层气”是以吸附方式存在于煤层中的非 常规天然气。 常规天然气。 传统的煤层气赋存理论认为：煤层中天然气主要以游离、 传统的煤层气赋存理论认为：煤层中天然气主要以游离、 游离 吸附和溶解三种状态赋存于煤层中。 吸附和溶解三种状态赋存于煤层中。 三种状态赋存于煤层中 （1）游离状态 ） 天然气以自由气体状态存在于煤的割理和其它裂缝孔隙中， 天然气以自由气体状态存在于煤的割理和其它裂缝孔隙中， 可以自由运移，运移的动力主要是地层水的压力。当天然气运 可以自由运移，运移的动力主要是地层水的压力。 移进入裂缝网络中呈游离状态以后， 移进入裂缝网络中呈游离状态以后，可用常规气田的方法进行 研究，游离状态的天然气占 研究，游离状态的天然气占10%~20%。 。