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。

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集的基本单位。圈闭“是地层空间中一个由等气势面或等油势面构成的三维封闭的低气或油势空间”（戴金星等，1996）。储层、盖层和遮挡条件（指地层褶曲、断层、岩性、水动力等）这三要素共同组成圈闭，再加上气源的进入就形成了天然气藏。

煤层气以煤层为储基层，气源由煤层自身生成，主要以吸附态存在，它不像

常规油气藏那样遵循重力分异原理。常规气藏在运移、聚集过程中，油、气、水不断分异，不论何种圈闭、何种形态，一般都聚集在位于储层相对较高处的由高气势面封闭构成的低气势区；而煤层气则不必受由高气势面构成的三维封闭的低气势而形成的圈闭的控制，只要有较好的盖层条件，能够维持相当的地层压力，使煤层能“吸附住”一定的气体，无论在储层（即煤层）的构造高部位还是低部位，都能形成气藏。

因此，煤层气藏的定义不建立在圈闭概念之上。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，而在后期构造运动中未被完全破坏，呈层状产出。煤层气藏是进行煤层气勘探和开发的基本地质单元。

1.3.

2. 煤层气藏形成条件

煤层气藏的形成条件包括储集和保存两个方面的条件。储集条件主要受煤层厚度和煤变质程度影响，而保存条件主要受盖层和地质构造作用的影响。另外，由于煤层的埋藏深度对气成分、储层压力、煤储层的渗透性有重要影响，因而也是控制煤层气藏的一个重要因素。

1.3.

2.1. 煤层厚度

一定厚度的煤层，使煤层气藏形成的基础。煤层越厚对煤层气藏越有利。

1.3.

2.2. 煤变质程度

煤层的生气量和储气能力都受煤变质程度的控制，所以煤变质程度对煤层气藏的形成具有重要作用。其表现主要有两个方面：

①煤变质程度太低，不利于煤层气藏的形成。对于褐煤，由于处于生物化学生气阶段，热解气即将开始生成，所以煤层的含气量不高。同时，由于褐煤煤