煤层含气量的影响因素

煤层含气量的影响因素

一、煤层含气量的概念

煤层气是指赋存在煤层中的以甲烷为主要成分，以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。煤层含气量是指单位数量煤体中所吸附的煤层气数量，或者每吨原煤中所含煤层气的量(m3/t)。

二、煤层含气量的影响因素

煤层含气量是煤化作用、构造活动、埋藏演化过程中经过多次吸附/解吸、扩散/渗流、运移后，在现今地质条件下动平衡的结果。由于煤层气在煤储层中的储集及渗流机理与常规天然气大不相同其影响因素多样而复杂。

煤层气在地下的分布是不均衡的。不同地区，甚至同一地区不同煤层间的含气量往往差异较大。研究和认识煤层含气量及其影响因素，是煤层气勘探中首先要解决的问题。研究表明，影响煤层含气量的主要因素：煤的变质程度、温度、压力、煤层的有效埋藏深度、有效厚度、构造特征、水文地质、煤层顶、底板岩性等。其中，煤变质程度起着根本性作用，此外，影响煤层含气量的因素还有煤的显微组分、水分及矿物质含量等。但这些因素对煤层含气量的影响是次要的，不能从根本上影响一个地区的煤层含气性。

2.1 煤变质程度

煤变质程度(煤级)是评价和预测煤层含气量的重要参数，实验研究和客观地质事实都表明煤层含气量与煤变质程度密切相关。一般而言，煤层含气量随煤变质程度增高而增加。这一规律在许多含煤区(盆地)都存在。如鄂尔多斯盆地东缘石炭)二叠纪煤层从北到南变质程度增高，在埋深等基本地质条件相当的情况下，煤层含气量增加(表1)；又如我国著名的煤层气富集区(如焦作、阳泉、湘中、湘东南等)均分布在高变质的无烟煤地区，也反映了煤变质程度对煤层含气量的影响。

煤层含气量随煤变质程度增高而变好的原因主要是：首先，随煤变质程度增加，煤的累计生气量增大，气源更加充足；其次，煤变质程度影响煤吸附气的能力，在其它条件相同时，煤层吸附能力随煤变质程度增高而增加(图1)。

2.2 煤层埋藏深度

在有限深度范围内，当其它地质条件相同或相近时，煤层含气量随埋深而增加。许多地区煤层含气量变化都遵循这一规律，如焦作、淮南、河东及太行山东麓等含煤区。但是，在许多情况下，煤层含气量与埋深之间并非呈简单的线性正相关关系，变化梯度随埋深而变化。随埋深的增加，煤层含气量梯度由小到大再到小，最后则趋近于零。如韩城矿区下峪口井田3号煤层含气量变化梯度在埋深600 m以上仅为0。14 m3/t·100m，而在600 m以内则增加到6。25 m3/t·100m。鸡西矿区荣华井田在深度不超过800 m的范围内，煤层含气量随埋深增加而增加，

但在深度超过900 m后，含气量则不再增加，趋于稳定(图2)，这种现象在英国部分煤田中也存在(Creedy，1991)。煤层含气量在进入一定深度之后不再随埋深增加是由煤层储气能力决定的。实验研究表明，煤层的储气能力是有限的，在达到其极限值后无论压力(埋深)如何增加，煤层吸附气量则几乎保持不变。煤层含气量达到极限值的深度在不同地区随地质条件，如构造、盖层、煤级等不同而变化。据已有资料，煤层含气量达到极限值的上限深度一般不超过1000 m，如英国部分地区约为800 m(Creedy，1991)，我国湖南省南渣渡矿及黑龙江省鸡西矿区为500~900 m。

但值得注意的是并非所有地区煤层含气量都遵循随埋深增加而增加这一规律。在地史时期曾发生强烈抬升剥蚀作用，导致甲烷广泛散失，随后发生再沉降作用，但沉降幅度没有达到煤层再次生气所需深度的地区，煤层含气量主要取决于煤层之上连续沉积地层残留厚度，即煤层与其上方区域不整合面之间的地层厚度，而与现今煤层埋深无关。因此，在研究升降运动频繁、剥蚀作用强烈地区煤层气分布规律时，应注意分析残留厚度对煤层含气性的控制和影响。

2.3 生气能力

有机地球化学的进展，确立了煤作为一种气源岩的重要性。精细的地球化学实验研究进一步表明，煤的生气量与热演化程度有关，模拟实验等研究表明，煤化作用早期(褐煤至长焰煤)生气量较低，且以甲烷和二氧化碳为主，重烃含量很低。随着煤变质程度的增加，生气量逐渐增大。煤化作用中期(气煤至肥煤)，成分以甲烷为主，重烃含量增高，为湿气形成的主要阶段。煤化作用晚期(焦煤阶以后)，甲烷成分占绝对优势，二氧化碳次之，重烃极少。随着演化程度的进一步升高，烃类裂解将达到充分程度。

因此煤阶不同其生气量也不同。从长焰煤开始，煤的累积生成量都在50 m3/t 以上，这个下限值已远远超过现今世界各煤田中所测得的煤层实际含气量。DeckA。D。(1987)认为，煤的生气量比其保留的气量要高8~10倍。这是由于气体分子小，非常活跃，易于扩散，便于异地聚集和散失。因此，对于煤层储存气体来说，其气源是丰富的，表明煤的生气能力不是造成煤层现今的含气量差异分布的主控因素。

2.4 储气能力

煤岩既是煤层气的源岩，又是其储集层，具有基质孔隙和割理孔隙的双孔隙结构。煤层气主要以游离气、溶解气和吸附气三种形式赋存于煤储层中，其中游离气主要存在于煤的孔隙、裂隙或空洞中，而溶解气则主要以水溶气的形式存在于煤层孔隙水中，因此游离气和溶解气的含量主要受到煤层孔隙度的影响。由于煤的孔隙主要以小孔(1000～100A)和微孔(<100A)为主，孔隙度一般都很低(一般<10%)，加之甲烷在水中的溶解度较小，故煤层中游离气和溶解气的含量不高，呈吸附状态的甲烷才是煤储层中煤层气的主体，约占煤层气总量的80%以上。煤是一种多孔介质，具有较大的内表面积(可达10～40m2/g)，煤层甲烷受分子力的作用可被吸附于煤岩孔隙表面，因而煤层具有很强的吸附能力，可以吸附大量的

煤层气，一般大于10m3/t煤。煤的高吸附能力使得煤层中的储气量较同一体积常规天然气储集层(砂岩、灰岩)的储气量高2～3倍。

如前所述，煤层气主要以吸附气的形式存在，煤层的储气能力主要取决于煤岩孔隙内表面积的大小，其影响因素很多，其中煤岩显微组分及煤变质程度是两个主要因素。煤岩的吸附能力与其显微组分的关系随着煤阶的不同而变化。当煤变质程度低于焦煤时，镜质组的吸附能力小于惰性组，吸附能力表现为：惰性组>镜质组>壳质组；煤变质程度高于瘦煤时，镜质组吸附能力大于惰性组，吸附能力表现为镜质组>惰性组>壳质组，此时，煤岩中的镜质组含量高则吸附能力更强；当煤变质程度介于焦煤—瘦煤之间，两者吸附能力相近。这可能是由于惰性组孔隙以中孔、大孔为主，镜质组孔隙则以小孔和微孔为主。随着煤化作用的进行，镜质组和惰性组中的挥发分不断逸出，导致镜质组的微孔隙和内表面积不断增加，但在瘦煤之前，镜质组内表面积仍小于惰性组的内表面积，所以吸附能力小于惰性组；随着变质程度的进一步加深，镜质组内表面积大于惰性组，镜质组的吸附能力大于惰性组。煤变质程度对煤层储气能力的影响则表现为低、高变质煤吸附量大，而中等变质煤吸附量小。这是因为煤的内表面积取决于煤的孔隙结构。低煤阶煤以大孔为主，孔隙度较大，随着煤变质程度的加深，孔隙变为以微孔为主，造成中等变质程度煤孔隙度和内表面积小，吸附力也小，而低、高变质煤孔隙度和内表面积大因而吸附力也强。当煤级达到无烟煤阶段，随着热演化程度的进一步加深，煤层吸附能力迅速下降。

除煤岩显微组分和变质程度外，温度、压力、灰分、水分含量等也影响着煤的吸附能力。一般来说，煤层中气体吸附量随着温度的升高而下降，随着压力的增加而增大。由于煤层在地下所处的温压条件主要与其埋藏深度有关，随着埋深的增加，地层的压力和温度随之增加，且地层压力增加幅度较大，故煤层吸附甲烷能力随着煤层埋深的增大而增大。然而，温度与吸附能力的消长关系，又使得这种增加趋势仅局限于较浅的埋藏深度。煤岩等温吸附线测试实验表明，当压力大于3 MPa时，随着压力增大，吸附量增大幅度变小；当压力大于6 MPa时，压力对煤层吸附量影响已不明显，而与该压力相当的煤层埋深为600～800 m。矿物含量和水分含量对煤岩吸附能力的影响则表现为煤岩吸附能力随着矿物含量和含水量的增加而降低。

2.5 煤层顶、底板岩性

由于煤层气主要以吸附状态赋存于煤层中，煤层顶、底板岩性对含气量的影