煤层气地质学内容

第十二章煤地质学在煤层气资源评价中的应用

第一节煤层气地质概述

煤层气又称煤层甲烷、煤矿瓦斯，是在煤化作用过程中形成的、赋存在煤层及其围岩中的以甲烷为主要成分的混和气体。煤层气在煤储层中以吸着态、游离态和溶解态三种形式赋存，吸着态（sorption）包括吸附态（adsorption）、吸收态（absorption）和凝聚态（agglomeration）三种方式。其中，地层条件下，以吸附态方式赋存的煤层气占80~90%以上。

在地下采煤过程中，煤层气长期被视为有害气体，上世纪70年代末以来，由于能源危机的出现，美国等国家从能源的高度，对煤层气资源的开采实施了一系列优惠政策，从而推动了煤层气的研究和开发试验，并于上世纪80年代初取得重大突破，成为第一个进行大规模商业性生产煤层气的国家，也带动了煤层气研究的全球性热潮。

从灾害角度转向资源角度来认识煤层气，并进行相关的研究和勘探开发、利用，是当今能源开发史上的一大重要事件，将对一个国家的能源结构构成具有重大的理论和实践意义。我国是世界上煤层气较为丰富的国家，同时也是煤矿瓦斯灾害最为严重的国家。因此，进行煤层气地质研究，分析煤层气的成因、含气性、储层物性特征、成藏模式以及资源评价，进而促进煤层气资源的勘探开发和利用，对于缓解我国能源危机、加强国家能源安全，降低煤矿瓦斯灾害事故，保护人民生命财产安全和社会稳定，改善我国大气环境，促进环保事业发展都具有重要的意义。

第二节煤储层含气性

含气性是是煤层气资源评价的首要基础，指地层条件下，储层中煤层气含量大小、质量的参数。含气性因素由若干要素组成，如含气量、资源量、资源丰度、含气梯度、气体组成

等。其中，含气量、甲烷浓度、资源丰度和含气饱和度是其四个基本要素。

含气量制定煤层气勘探计划，进行煤层气资源量计算和评价不可缺少的参数，一般用储层条件下的单位质量的煤中煤层气的体积大小来表示（换算为标准状态下的体积），单位是cm3/t或m3/t。基于不同的表达基准，含气量对应着不同的值。下文将对其进行详细描述。

甲烷浓度表示储层条件下甲烷气体占总的煤层气体的百分比。它是评价煤层气质量的重要依据，单位是%。

资源丰度是煤层气含量和煤层厚度综合结果的反映，其高低直接影响煤层气勘探开发的成功与否。是指单位面积的气田中煤层气的资源量大小。单位一般为m3/km2。

含气饱和度是指煤储层在原位温度、压力、水分含量等储层条件下，煤层含气总量与总容气能力的比值。在实际操作中，人们往往用吸附气饱和度来近似表示煤储层含气饱和度。其单位是%。

一、含气量

如何准确地确定含气量和查明含气量控制因素，已成为人们关注的焦点。但截至目前，还没有一个关于煤层含气量测试的国际标准，不同国家或出于不同的研究目的，采用不同的测试标准。其中，大多数人所接受的是美国矿业局（USBM）的直接法。目前在我国瓦斯地质和煤层气地质领域普遍采用的是在此基础上作了大量修改，由抚顺分院等单位制定的“煤层瓦斯含量和成分测定方法”（MT-77-84、MT-77-94）。

1、含气量的表达基准（苏现波，59~60）

2、含气量的构成（苏现波，54~55）

基于不同的含气量测试方法，其构成有所差异。

1）阶段含气量

（1）USBM直接法

USBM直接法测定时，煤储层含气量由测试过程中的三个阶段的实测气量构成，即逸散气量、解吸气量和残余气量。

逸散气量：指从钻头钻遇煤层到煤样放入解吸罐这一过程中解吸出的气量。这部分气体无法直接测得，通常依据前两小时的解吸数据来推测。逸散气的体积取决于钻孔揭露煤层到把煤样密封于解吸罐的时间、煤的物理特性、钻井液特性、水饱和度和游离态气体含量。缩短取心时间是准确计算逸散气的有效途径之一，如采用绳索取心对于600m的井深只需几分钟，这就大大降低了逸散气的体积。不同物理特性的煤具有不同的解吸速率，如碎裂煤、糜棱煤由于扩散距离短造成逸散气体积大。钻井液的比重较大时对于煤层气的逸散有阻滞作用。如果煤储层被水饱和，游离态煤层气含量低，则逸散气体积小；相反如果煤储层未被水饱和，游离态煤层气含量高，则逸散气体积较大。

解吸气量：指在正常大气压和储层温度下，煤样置于解吸罐后，自然脱出的气量。这一过程以解吸速度在一周内平均每天小于10cm3或在一周内每克煤样的解吸量平均小于0.05 cm3为止。这部分气体是由实验室直接测得的。

残余气量：指煤样充分解吸后仍残留在煤中的气量。将样品罐加入钢球后密封，放在球磨机上磨2h，然后按测试解吸气的程序测残留气。残余气或者是由于扩散速率极低所致，或者是在一个大气压下煤层气处于吸附平衡状态，不再解吸。根据Diamond对美国1500个煤样的统计，残留气体积在低煤级煤中可占总含气量的40%-50%，而中高变质烟煤的残留气仅占总含气量的10%以下。我国晋城无烟煤中残留气量介于1.82%~10.15%之间，平均为6.0%。在煤层气开发中要特别注意残留气的含量，因为这部分气体是目前经济技术条件下难以回收的。

2、MT-77-84解吸法

我国MT-77-84测定的煤层含气量由四部分组成，包括损失气量（V1）、现场2h解吸量（V2）、真空加热脱气量（V3）以及粉碎脱气量（V4）。

国内、外解吸气中逸散气量（损失气量）所指部分是相同的，但国内2h解吸气量只是美国解吸气量的一部分，且不是在储层温度下进行的，尽管气体体积校正到标准状态，但不同温度条件下，煤层气的解吸速度不同。因此，由2h解吸气量推算的逸散气量（损失气量）也存在差别。解吸温度低时，逸散气量（损失气量）偏少；解吸温度高时，逸散气量（损失气量）偏大。

在现场把出井的煤心或煤屑立即装罐密封，以样品罐密封起计时测量。解吸气量的测定及求取过程中需要进行精确的时间记录。包括：开始钻遇煤层时间（t0）、开始取芯时间（t1）、开始起钻时间（t2）、煤芯提至井深一半时间（t3）、煤芯提出井口时间（t4）、完成煤心封罐时间（t5）、开始解吸时间（t6）。

USBM法测试要求解吸开始按每小时计量4~5次，压力不超过28~34KPa，含气量高的样品计量要求加密，几天过后气量已经很小，气压发生波动，要防止发生倒吸现象，当解吸速率降为一周内平均每天低于10ml时，停止现场解吸。国内煤层瓦斯解吸仪进行解吸测定时要求煤芯提出井口时间(t4)与完成煤芯封罐时间(t5)间隔小于15min，密封时间与解吸时间间隔小于2min，现场解吸2小时后，停止解吸。

在美国应用USBM法测定含气量时一般不测定残余气量，因为解吸周期长，残余气体难以解吸，对采收率几乎没有影响。国内进行现场2h解后，必须测定残余气量。将经过解吸测定的煤样，在密封状态下尽快送到试验室进行加热脱气，加热脱气后将煤样粉碎，再进行一次脱气（简称粉碎脱气）。即要经过以下两个步骤：

加热脱气：开罐之前抽真空，加热至95ºC，一直进行到每半小时内脱出气量小于10ml 为止（一般持续5h左右）。