煤层气成藏机理研究进展综述

煤层气成藏机理研究进展综述

煤层气成藏机理研究进展综述摘要：煤层气是贮存于煤层及其邻近围岩之中的一种自生自储式非常规天然气，其成藏机理包括煤层气从生成、赋存到运聚成藏的整个过程。是在大量调研国内外前人研究成果的基础上，简要介绍了煤层气成藏机理的研究历史；系统的总结和分析了煤层气在生成、赋存、运移机理方面的研究现状及研究进展；指出了煤层气研究方面目前存在的问题以及未来的发展趋势；为系统地开展煤层气成藏机理研究，建立符合我国地质条件的煤层气基础理论提供参考。关键词：煤层气；;成藏机理；吸附；解吸；扩散；渗流随着国民经济的迅速发展，我国对天然气的需求量逐年增加，仅靠常规天然气的勘探和开发已不能满足国民经济发展的需要，寻找新的天然气资源补充和接替常

规天然气资源成为迫在眉睫的问题。煤层气是贮存于煤层及其邻近围岩之中的一种自生自储式非常规天然气，又称煤矿瓦斯气，其主要成分为甲烷，还有少量的二氧化碳、一氧化碳、氮气等。对煤层气而言，煤层既是气源岩，又是储集岩。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，因而使煤层气在生成、赋存、运移、成藏过程等方面与常规天然气有着明显的区别。勘探、开发并利用煤层气资源不仅可以变废弃物为资源，而且对于改善我国的能源结构、净化环境都有着十分重要的意义。美国是世界上最早实现煤层气工业性开采的国家，也是唯一拥有比较完善的煤层气勘探开发理论、勘探经验、方法以及技术的国家。我国是世界上煤炭资源和煤层气资源量最丰富的国家之一，于勘探开发起步较晚，,成藏基础理论和技术方面都存在若干关键性难题[1]，随着勘探开发的进一步深入，有必要对有关的煤层气成藏机理研究成果进

行归纳总结，以明确这一领域的最新研究进展、目前存在的问题以及未来的发展趋势。1 煤层气成藏机理的研究历史国外研究世界上的主要发达国家如美国、加拿大、澳大利亚、英国等国先后开展了一系列煤层气的勘探实验工作，除了美国在圣胡安盆地和黑勇士盆地等已进入商业开发阶段外，其他国家均处于研究探索阶段[2～6]。作为世界上勘探开发煤层气最先进的国家，自上世纪80年代初，美国以西部的圣胡安和中部的黑勇士盆地为研究和勘探基地，进行了系统的煤层气生成、赋存和运移成藏理论研究工作，形成了关于煤层气产出“排水—降压—解吸—扩散—渗流”过程认识上的突破，经过理论研究与开发实践的多轮反馈提出了北美西部落基山造山带高走廊的煤层气成藏模式，建立了以煤储层双孔隙导流、中煤级煤生储与成藏优势、低渗极限与高煤级煤产气缺陷、多井干扰等为核心的煤层气勘探开发基础理论体系[7～8]。以

上述理论为指导，美国取得了西部煤层气勘探开发的成功,然而美国西部的煤层气理论并不适用于东部,这表明美国的煤层气勘探开发理论具有很大的局限性。1998年，美国的煤层气理论又取得了新的突破，在发育低阶煤(褐煤)的汾河盆地成功地实现了商业开发，继而提出了“生物型和次生煤层气成藏理论”，完善了煤层气的生成机理。于地质条件的差异,上述发达国家除了加拿大于地质条件与美国相似外，其它国家在煤层气开发实践上多未获得成功,这表明美国以中阶煤为主体的煤层气成藏理论有着自身理论上的重要缺陷，主要原因是美国西部的含煤盆地地质条件简单且有利于煤层气开发，相应建立的煤层气理论大部分只是一种经验总结，不可能对煤层气深层次的成藏机理研究具有指导和借鉴意义。国内研究我国的煤层气理论研究最早可以追溯到上世纪50年代的辽宁抚顺矿务局龙凤煤矿的煤矿瓦斯抽放活动，当时的抽放活动只是为了煤矿的生

产安全。真正意义上的煤层气研究起步于20世纪80年代国家“七五”科技攻关项目“我国煤层甲烷的富集条件及资源评价”。80年代中期我国开始引进美国的勘探开采技术，并参照美国的有关理论进行煤层气的研究和开发试验，总体来说当时的成效不大。直到2002年以后，国家973计划“中国煤层气成藏机制及经济开采基础研究”项目的实施，随着对煤层气成藏机理等一系列基础理论研究的深入，从而开创了我国煤层气产业的新局面。多年来,尽管我国的煤层气基础理论研究有了较大的进展，但并没有形成理论突破,目前我国还没有成功开发的煤层气田。究其原因，国内学者达成的共识是：一方面是于中国具有与北美大陆完全不同的成煤和煤化作用地质条件，地壳具有多期叠加性，构造具有复杂多样性，美国的煤层气基础理论对我国的煤层气勘探开发不具有可借鉴的实际指导作用；另一方面中国的煤储层具有自身的显著特性，中国煤层气藏有自

身特殊的成藏条件和成藏规律，而国内的煤层气成藏基础理论研究则相对薄弱。总之，虽然我国煤层气工作者在此研究领域进行了大量的相关研究[9～14]，但对中国煤层气的生成赋存和运移可采规律仍认识不清，远未达到机理清晰、规律明确的程度,理论上的低水平在一定程度上严重制约着中国煤层气开发技术商业化、国产化的进程，难以形成煤层气产业,因此亟待建立符合中国地质条件的煤层气系统理论体系、有效资源评价体系和开发系统决策体系。需要特别指出的是,建立符合我国特殊地质条件和煤层气藏的煤层气生成、赋存、运移规律,形成新的煤层气基础理论是前期工作的关键，这对于我国的煤层气产业尽快实现商业化具有十分重大的战略意义和理论应用价值。 2 煤层气成藏机理的研究现状及研究进展煤层气的生成机理煤层气是一种潜力巨大的资源，研究其生成机理，对于了解煤层气的赋存、运移，煤层气资源评价，指

导煤层气勘探开发和合理利用都具有重要的现实意义。传统的煤层气成因概念包括:热成因、生物成因、混合成因等[15]，不同成因类型的煤层气具有不同的生成机理,研究煤层气的生成机理即是对各种成因煤层气生成机理的系统研究。生物成因煤层气主要形成于煤化作用的早期阶段，即泥炭沼泽或低煤级煤(褐煤)阶段。大量生物气生成所需要的条件是：缺氧、低温、低硫酸盐、高pH值、浅埋深、适当的孔隙空间、含有大量有机物的迅速沉积环境[16]。生物气的生成一般通过两个途径，一是还原二氧化碳，二是甲基类发酵(一般为醋酸发酵)。热成因煤层气主要形成于煤层低煤阶向高煤阶演化的过程中，这个时期随着埋深增加，温度和压力随之增加，煤层中热解挥发出以甲烷为主的热解烃类。随着煤化作用的加深,煤层气的生成量也逐渐增多。长期以来在煤层气的勘探开发中，多数国家主要是从热成因气的角度考虑煤层气的气源，而很少考虑生物成因煤层气