煤层气基础知识

1.1. 煤层气的定义和基本特征

从矿产资源的角度讲，煤层气是以甲烷为主要成分（含量＞85%），是在煤化作用过程中形成的，储集在煤层气及其临近岩层之中的，可以利用开发技术将其从煤层中采出并加以利用的非常规天然气。

对煤层气而言，煤层既是气源岩，又是。煤层具有一系列独特的物理、化学性质和特殊的岩石力学性质，因而使煤层气在贮气机理、孔渗性能、气井的产气机理和产量动态等方面与常规天然气有明显的区别（详见表1.1），表现出鲜明的特征。

表1.1 煤层气藏与常规天然气藏基本特征的对比

特征煤层气常规天然气

气藏类型层状的沉积岩局部圈闭

气源自生外源

储基层岩性有机质高度富集的可燃有积岩，易受

入井液、水泥等的伤害几乎是100%的无机质岩石，不易受伤害

双重空隙结构煤基质块中的孔隙是主要的孔隙，占

总空隙体积德绝大部分；裂隙系统是

天然气裂隙，占总空隙体积的次要部

分，它们基本上等间距分布，并使煤

具有不连续性主要发育于石灰岩、白云岩，页岩及致密砂岩中。天然裂隙（包括节理、裂隙、溶道、洞穴等）将粒间孔隙分割成一个个方块，裂隙是随机分布的

气体的贮存气体的绝大部分贝吸附在煤的内表面

上，孔隙空间中很少或没有游离气气体以游离态贮集在岩石的孔隙空间中

流动机理在基质中的流动是由浓度梯度引起的

扩散，然后由于压力梯度的作用在裂

隙中引起渗滤流动是由压力梯度引起的层流，并服从达西定律；在近井地带可出现紊流

气产出机理解吸-扩散-渗流在气体自身的压力梯度作用下流动

气井生产状况气产量随时间而增加，直至达最大值，

然后大降。起初主要产水，气水值随

时间而增大气产量开始最大，然后随时间而降低。起初，很少或者没有水产出，但气水值随时间而减少

机械性能由于煤具有脆性和裂隙较发育，因而

是一种较弱的岩石，这使钻井的稳定

性较差，并影响水力压裂的效果。在

一定条件下，可采用特殊的洞穴完井

技术。杨氏模量在700MPa范围内岩石较坚硬，通常钻井的稳定性不成问题。杨氏模量在7000MPa范围内

储层性质易被压缩，孔隙体积压缩系数在

0.01MPa-1范围内，因而孔隙度、渗透

性对应力较敏感，在生产期间有明显

的变化压缩性很小，孔隙体积压缩系数在10-4MPa-1范围内，孔隙度、渗透性在生产期间的变化不明显

资料来源：张新民中国煤层气地质与资源评价2002年

1.2. 煤层气生成

1.2.1. 煤层气成因类型及形成机理

从泥炭到不同变质程度煤的形成过程中，都有气体的生成。根据气体生成机理的不同，可以将煤层气的成因类型分为生物成因和热成因两类。生物成因气主要形成于煤化作用的未成熟期，而热成因气主要形成于煤化作用的成熟期和过成熟期。

1.2.1.1. 生物成因气

生物成因气主要由甲烷组成，它是由各种微生物的一系列复杂作用过程导致有机质发生降解作用而形成。生物成因气又可以根据产生阶段的不同分为原生生物气和次生生物气。

（1）原生生物气

原生生物气是在煤化作用早期（R0<0.5%），在较低的温度下（一般低于50 0C），在煤层埋藏较浅处（<400m），在细菌的参与和作用下，微生物对有机质发生分解作用而形成的以CH4为主要成分的生物生成气。在原生物生成气生成的具体途径和方式有两种，一种是由CO2还原而成；另一种由甲基类发酵（一般为醋酸发酵）而成。生物气的形成应具备的主要条件是：①缺氧环境；②低硫酸盐浓度；③低温；④丰富的有机质；⑤高PH值；⑥足够的空间。

（2）次生生物气

Rice（1981）和Scott（1994）等人认为在近地质时期，煤层被抬升，活跃的地下水系统和大气淡水形成了微生物活动的有利环境，在相对较低的温度下，微生物降解和代谢煤层中已经形成的湿气、甲烷和其它有机化合物，生成次生物成因气（主要是CO2和CH4）。次生物成因气的地球化学组成与原生生物成因煤层气相似，主要差别在于煤岩的热演化阶段。在次生生物气的形成阶段，R0值范围很宽，一般为0.30%～1.50%，且煤层一般被抬升到浅部。次生生物气生成和储存的条件是：①煤层埋藏并煤化到褐煤或较高煤级；②区域隆起或抬升；③适宜的渗透性；④盆地边缘有流水回灌到煤层中；⑤有细菌运移到煤层中；⑥有高储层压力和圈闭条件。

1.2.1.2. 热成因气

随着煤变质程度不断加深，煤层由低阶向高阶演化，当煤化进入长焰煤阶段

（R0<0.5%），就开始了热生气阶段。随着煤化作用的不断加深，二氧化碳和水不断消耗，煤层生气量不断增加，一直到无烟煤Ⅱ、Ⅲ号阶段（即R0<6.00%）为止。根据生成阶段的不同，热成因气又可具体划分为热降解气和热裂解气。

（1）热降解气

热降解生气阶段主要发生在煤化作用的长焰煤到瘦煤阶段（即R0为0.5%~1.9%）。这一阶段发生的化学反应主要是在热力作用下（<250 0C），生成大量烃类物质，并且以生气为主，生油为辅。气态烃组成仍然以甲烷为主，同时重烃含量也逐渐增加。

（2）热裂解气

热裂解生气阶段主要发生在煤化作用的瘦煤到无烟煤初期阶段（即R0> 1.9%）。在高温条件下（>2500C），残余的干酪根、液态烃和部分重烃发生裂解生气。这一阶段所生成的气体以甲烷为主，是重烃含气量较低的干气。

1.2.2. 煤层气组分及影响因素

1.2.2.1. 煤层气组分

煤层气一般均由CH4组成，还包括C2H6、C3H8、C4H10 等及部分CO、CO2、N2、H2、H2S等。根据Scott于1995年对美国1380口煤层气生产井气体成分的统计结果表明，煤层气的平均成分为：CH493%、CO23%、湿气3%、N21%。

1.2.2.2. 煤层气组分影响因素

虽然煤层气的主要成分是甲烷，但是在不同盆地、不同煤级的储层、不同煤层气井之间，煤层气的组成经常会出现较大的差异。这是因为煤层气的形成是长期的煤化作用的结果，其形成时间比较长，且形成环境复杂特殊，其组分受到多种因素的影响。煤层气成分的主控因素包括：①煤的显微组成；②煤层气的成因类型；③煤层气自身的解吸—扩散—运移；④储层压力；⑤煤阶；⑥水文地质条件。

1.3. 煤层气成藏

1.3.1 煤层气成藏的含义

常规天然气藏的定义是建立在圈闭基础之上的。天然气藏是指天然气在单一圈闭中的聚集。“单一”的含义主要指受单一要素控制、在统一面积内具有统一的压力系统、统一的（油）气、水边界（戴金星等，1996），是天然气在地壳中聚