Question

煤层气成藏特征及高产富集条件

Answer 1

一、煤层气赋存具有分带性特征

煤层气藏并非在原地、同期、一次形成，而是在含煤层系中经煤化作用不断生烃，又受上覆沉积、断裂构造和水动力作用不断改造后形成。进而形成了具有内在联系的几个带。依据煤层气δ¹³C₁、非烃、甲烷含量和开采特点，由盆地边缘向盆地腹地一般可划分为4个带（表4-1）：

（1）氧化散失带。靠近风化剥蚀面，地层水与大气淡水交替，煤层以含N₂、CO₂为主，甲烷多被散失，不能进行煤层气勘探。

（2）生物降解带。含煤层系局部受地表水网络状微渗滤的影响，加之适宜的温压条件，为细菌繁殖提供了良好的环境，在厌氧条件下，烃类产生分解，δ¹³C₁表现为轻的特征。由于大气淡水与煤层水交替，使有的煤层气井开采中水大气少，不是煤层气有利勘探部位。

（3）饱和吸附带。盖层条件好，处于承压水封闭环境，含气量大，吸附饱和度高，煤层埋深适中，物性较好，气井单井产量高，是煤层气勘探的主要目标区。

（4）低解吸带。位于构造低部位下斜坡或向斜区，煤层埋藏深，在压实作用下煤储层物性差，尽管有的含气量大，但开采中可解吸率低，一般不作为勘探的重点区。

从以上可见，并非有煤均可勘探煤层气，往往一个盆地煤层气高产富集区仅分布于局部，其区带分布大小与地质因素有关。

二、煤层气藏类型多样

煤层气有多种成藏模式，根据中国煤层气勘探实践，对煤层气藏类型划分如下：

（1）压力封闭气藏。上覆较厚且分布稳定的泥页岩、膏盐岩作为盖层，煤层上倾方向或侧向上多为岩性尖灭或断层遮挡，由欠压实和蒙脱石脱水等作用形成高压地层，气态烃吸附量大，含气量高，含水性差。这类高压煤层气藏已见于鄂尔多斯盆地东部地区，如河东地区华威1井煤层压力系数约为1.17。

（2）承压水封堵气藏。常形成于宽缓向斜或斜坡中段，其断裂不甚发育，煤系地层上、下部存在良好的泥、页岩作为隔水层，特别是对于构造抬升盆地的高煤阶气藏，盆地早期下陷进入高热变质作用阶段，煤阶高生气量大；后期抬升松动，煤层物性变好，次生割理发育，下倾有充足气源供给，上倾部位形成承压水封堵。这类气藏后期没有被水打开，为原生气藏。沁水煤层气田处于气体运移的区域指向，而煤层由于上覆50m厚的泥岩盖层，封盖条件好，受北西—南东两个方向的侧向水封堵，在樊庄—潘庄一带为局部滞流水环境，形成构造变形差异聚集承压水封堵煤层气藏，水的总矿化度较高，气藏的δ¹³C₁重，一般为-28‰～-30‰，具原始气藏特征。

表4-1 中国中高煤阶区煤层气成因分带特征表

（3）顶板水网络状微渗滤局部封闭气藏。煤层顶板泥岩较薄，横向稳定性差，或处于张性断层发育区，水体在含煤地层局部沿煤层割理、裂隙网络状微渗滤，水动力活动比较微弱，大部分地区对烃类起到一定封堵作用形成低丰度煤层气藏，气藏含气量和吸附饱和度低。此类煤层气藏开采中一般水大气少。

（4）构造圈闭气藏。构造圈闭的煤层气藏在目前的煤层气勘探开发中越来越受到重视，此类气藏一般位于构造的相对高部位，煤层气井高产，而且具有水小气大的特征，对于低煤阶而言，构造圈闭尤为重要，由于低煤阶煤层吸附能力差，游离气占比较大，构造圈闭有利于游离气的保存。

（5）矿化作用封闭气藏。成岩作用可使煤层顶、底板原为渗透层（砂岩），后期为封盖层（致密砂岩），只要与煤层生气高峰期匹配，对煤层气成藏有利，如果匹配不好则对煤层气成藏不利。

三、煤层气高产富集的基本条件

煤层气高产富集的基本条件受多种因素控制。以煤层气形成的地质背景为主线，结合国内外煤层气勘探实践，初步总结出煤层气高产富集因素主要有以下8个方面：

（一）煤层分布广、厚度大是煤层气富集的根本条件

煤层气资源的丰富程度与煤系地层的分布、厚度及含气量呈正相关关系，煤系地层这几项参数愈大，煤层气愈丰富。聚煤盆地（区）的煤层气丰富程度是评价其有无煤层气勘探价值的重要指标。一般认为，煤层连续分布面积大于200km²，煤层集中段煤层总厚度大于10m，平面上主煤层连续稳定分布，含气量大于10m³/t，甲烷含量大于80%，有利于进行工业性煤层气勘探。

（二）煤岩镜质组含量高、灰分含量低有利于煤层气生成、吸附和开采

煤的显微组分含量、灰分含量和演化程度（煤阶）不仅影响煤的生烃潜力，还影响着煤层对甲烷的吸附能力和煤层气的开采能力。据热模拟实验，类脂组产气能力最强，镜质组次之，惰质组最差。因煤的显微组分均以镜质组为主，一般情况下均大于50%，所以它是产气的最大贡献者，也是吸附甲烷的主要参与者；镜质组含量越高，煤层割理就越发育，渗透性越好，煤层气越易于开采。对不同煤阶来说，其含气量都有一定的变化范围，但总体上看，含气量随煤阶的增大而增高。低煤阶的煤含气量一般为2.5～7m³/t，高煤阶的煤含气量可达35m³/t。

煤的灰分是指煤中的矿物质。据其含量可划分4个级别：灰分含量小于15%为低灰分，15%～25%为中灰分，25%～40%为较高灰分，大于40%为高灰分。灰分含量愈低，煤质愈好，甲烷吸附量愈高。

镜质组含量大于80%，灰分含量小于25%的煤层一般具有生气率高、吸附量大（大于15m³/t）、可解吸率高的三高特点，有利于煤层气富集高产。

（三）良好的盖层是煤层气藏保存的必要条件

封盖层对于煤层气的保存与富集具有十分重要的作用。良好的封盖层可以减少煤层气的向外渗流运移和扩散散失，保持较高地层压力，维持最大的吸附量，减弱地层水对煤层气造成的散失。在不同沉积环境下形成的不同类型封盖层具有不同的封盖能力。泥岩微孔发育，封盖能力强，且性能稳定，是良好的封盖岩类。致密砂岩与石灰岩的封盖性能则有强有弱，取决于后期成岩作用的影响，如果在生气高峰期以前为致密岩性，则对煤层气封盖有效。另外，由于地区不同，地质作用的影响程度不同，同类型盖层的封盖性能也不一样。因此，应根据具体地区的地质条件区别对待，具体分析，以评价其对煤层气保存与富集的影响程度。

一般情况下，煤层泥、页岩等直接盖层厚5m以上，平面上连续稳定分布，其上又有区域性盖层，有利于阻止上部网络状渗滤水对吸附气的洗刷造成的散失，故对煤层气保存最为有利。沁水、鄂尔多斯盆地煤层气富集规律显示：河间湾沼泽相煤层厚，直接盖层好，含气量和产气量高。

（四）岩浆热变质作用有利于煤层气富集

沁水盆地南部、辽宁阜新与铁法盆地煤层气高产井主要分部于区域岩浆热变质区域。原因是在岩浆活动等热事件作用下，增大了煤层生气量和生气强度，加上生烃史和构造史的良好配置，使得这些地区的含气性普遍较好，含气饱和度普遍较高。而且岩浆的热力烘烤，使煤中有机质挥发，留下很多密集成群的浑圆状或管状气孔，提高了储层的孔隙度；岩浆侵入的动力挤压与冷却收缩，产生的外生裂隙与内生裂隙（割理）叠加，使煤层渗透性增强，因此煤层气井往往高产。但是，如果在火山岩侵入体与煤层接触带附近，由烘烤作用形成天然焦，则对煤层气勘探不利。

例如辽宁阜新刘家区块，该区块1999年至今施工了70余口煤层气地面开发井，单井产气量1000～8500m³/d，通过近年来刘家区煤层气开发实践证明，在靠近辉绿岩墙、岩床附近的煤层被侵入体烘烤，使煤变质程度增高，煤层气含量大，内、外生裂隙极其发育，是煤层气开发的理想区域。

（五）地下水滞留区有利于中、高煤阶煤层气保存

地下水动力状态也是影响煤层气高产富集的因素之一。承压水区水动力处于弱径流－滞留区，表现为地层水矿化度较高，水动力较弱，有利于煤层气的保存和富集，统计结果表明一般中高煤阶煤层含气量随地层水矿化度增高而增高（图4-1），因此中高煤阶高矿化度有利于煤层气的保存。

沁水盆地南部高煤阶区下二叠统山西组矿化度大于1000mg/L的地域覆盖了包括郑庄、大宁、潘庄、樊庄、赵庄南在内的广大地区。这一地区高矿化度地下水的存在，是本组含水层等势面在该区坡度极为平缓或存在“洼地”的必然结果，共同反映出地下水高度滞流的重要特征，对煤层中煤层气的保存极为有利。

图4-1 沁水盆地南部煤层气含气量与矿化度的相关性图

（六）适宜的水文地质条件有利于低煤阶地区生物成因气生成

低煤阶煤层热成因气生气量较少，但如有充足的大气淡水补给、低矿化度、低硫酸盐、低温、缺氧，适宜的水动力条件下有利于甲烷菌的大量生长，具备大量生物气生成的地质条件，配合良好的保存条件，易于生物成因煤层气藏的形成。

准噶尔盆地南缘位于天山北麓，天山溶水补给使得地层水矿化度较低，适宜的水动力条件有利于生物气的生成。该地区昌试1甲烷δ¹³C为-64.6‰～-41.9‰，清水河901孔侏罗系天然气甲烷δ¹³C同位素为-52.1‰，δH 同位素为-233‰（生物成因气小于-180‰），C_I/C_1-5为0.999，显示出生物成因气的特点（图4-2）。

图4-2 准噶尔盆地南缘次生生物气生成模式图

（七）地应力低值区煤层渗透性好，有利于煤层气开采

构造应力是控制煤层渗透率最主要的因素，煤层渗透率与地应力一般呈负相关关系。

构造应力场中的低应力分布区往往是裂缝高密度分布带，煤的割理系统发育程度决定了煤层渗透性的好坏，影响着煤层气井的产量及勘探后期井网设计和强化处理方案的实施。煤层割理发育，渗透率高，有利于大面积疏通吸附于煤颗粒基质表面的气态吸附烃解吸。

宁武盆地南部高应力分布区位于西部地区，该地区断层发育，煤岩割理裂隙不发育，渗透性差，而低应力分布区位于该区中东部地区，是高密度裂缝分布带，煤层渗透性好，煤层气井产气效果较好（图4-3）。

图4-3 大宁—吉县地区煤储层渗透率与原地应力关系图

沁水盆地南部潘庄—大宁地区后期抬升幅度大，地应力得以释放，处于低应力区，虽然煤岩演化程度高（最高R_O大于4%），但煤层割理裂隙发育，渗透性较好，一般可达到1×10^-3μm²以上，煤层气井产气效果好。

（八）盆地边缘斜坡带或构造高部位有利于煤层气高产

处于盆地上斜坡带或构造高部位是煤层气富集高产的有利部位，原因有以下几点：

（1）构造高部位往往为低势区，是烃类运移指向区。上斜坡带煤层早期煤层埋藏深，生气条件好，煤层后期抬升幅度大，形成低势区，成为烃类运移指向区，配合区域性分布稳定的直接盖层，易于形成高含气、高饱和煤层气藏。

（2）构造高部位割理发育，煤层渗透性好。上斜坡带处于盆地后期构造幅度大，煤层埋藏相对较浅，处于地应力相对低值区，张性裂隙发育，煤层渗透性好，利于煤层气井高产。

（3）构造高部位在整体降压情况下煤层气井具有输入型的产气特征。在整体降压情况下，高部位容易优先形成面积降压，处于构造高部位的煤层气井一般产水量小，产气量大的特征。

例如大宁—吉县地区，该地区构造形态呈“一隆、一坳、两斜坡”特征，既古驿—窑渠隆起、薛关—峪口坳陷和东西两个斜坡带（图4-4）。分析认为位于古驿—窑渠背斜轴部煤储层裂隙系统发育，处于地应力低值区，煤层含气量高，顶底板封盖性好，试采效果好，是煤层气富集高产最有利部位。该地区高产井如：吉试1井（日产气2847m³）、吉试3井（日产气1525m³）、吉试5井（日产气6800m³）、吉试13井（日产气2446m³）均位于背斜的轴部，而位于背斜翼部低部位的吉试4井（日产气64m³）、吉试10井（日产气58m³）、吉试14井（日产气10⁴m³）产气量均较低。

图4-4 大宁—吉县地区吉试10井—吉试6井构造剖面图

另外，沁水南部、韩城、三交—柳林、宁武南等地区均表现出高产井位于封盖条件好的构造高部位或者上斜坡带。