煤层气成藏机理研究进展综述.docx

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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。

本文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，由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

1.1　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。

由于地质条件的差异,上述发达国家除了加拿大由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。

1.2　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：

一方面是由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

2.1　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由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这一来源，主要原因是,研究者一般认为早期生成的原始生物成因煤层气埋藏较浅且上覆盖层胶结固化不好，不能被大量地保留在煤层中[17～18]；晚期形成的生物煤层气需要特定的环境，在煤层气中所占的比重可能不大。

近年来国外在此方面的研究取得了一些新的进展，最为引人注目的是次生生物煤层气以及催化生成机理的研究。

A.R.Scot等研究证实了圣胡安盆地次生生物煤层气的存在；J.W.Smith等[19]测定了澳大利亚悉尼和博文（Bowen）盆地二叠系烟煤中煤层气的组成和同位素组成,提出了这两个盆地煤层气的生成机理，并证实了两个盆地的煤层气以次生生物煤层气为主;波兰的UpperSilesian和Lublin盆地晚石炭世含煤地层煤层气也为次生生物煤层气[20～21]。

目前对次生生物煤层气的生成机理达成的共识是：

成煤后，因构造运动煤层被抬升到近地表，含菌的地表水下渗进入煤层，在相对较低的温度下，使煤化过程中产生的湿气、正烷烃及其它有机质经细菌降解和代谢作用而生成次生生物煤层气[22]，次生生物煤层气代表了一种重要的煤层气源。

国内也开展了对次生生物煤层气的研究，陶明信等[17]研究证实了淮南新集矿区的煤层气中有53%以上为次生生物煤层气，但与此同时国内的学者也经研究指出，不能受美国“次生生物气成藏”理论的影响，盲目地把我国煤层气同位素普遍偏轻的现象笼统解释为次生生物煤层气，我国煤层气同位素偏轻主要是因为煤层气发生了分馏效应[23]。

总体来说与外国学者们所取得的成果相比，我国在煤层气生成机理尤其是次生生物煤层气的生成机理及其资源意义方面的研究还有相当大的差距，今后有待加强研究工作。

2.2　煤层气的赋存机理煤

层中煤层气赋存的多少，关系到煤层中煤层气的含量以及煤层气在煤层中的流动规律，因此对煤层气赋存机理研究是十分重要的。

煤层气以溶解气、游离气和吸附气三种方式赋存于煤层的孔隙、裂隙双孔隙系统空间之中。

割理孔隙度一般都较小且被水充满,其中溶解气、游离气较少，因此主要作为煤层气渗流运移的主要通道。

煤层气主要以吸附状态存在于煤的基质微孔中，吸附气占总含气量90%～95%以上，正是由于煤的这种吸附特性决定了煤的储集能力。

煤层气以游离态、吸附态、溶解态三种方式在煤层中赋存，三种状态处于一个动态平衡过程中[16]。

在地层温度、压力及水动力条件变化时，煤层气的赋存状态也相互转换，由吸附状态转化为溶解状态、游离状态,或由游离状态、溶解状态改变为吸附状态。

其赋存机理如下所示：

煤层气主要以吸附状态存在于煤的基质微孔中以及三种赋存状态以动态平衡形式共存，有别于常规天然气依赖圈闭作用富集成藏。

由此，煤层气赋存机理的研究主要集中在煤层气吸附机理的研究上；吸附机理的研究进展主要体现在对经验性的吸附公式以及吸附模型的建立上；目前最为基础和常用的吸附模型Langmuir单分子等温吸附理想模型和BET多分子层吸附模型。

此后国内外的研究主要是围绕着常规吸附模型来描述的；Y.H.Lee等[24]研究了低压下气体单层吸附能力与煤层孔隙结构对甲烷采收率的影响，观察到了吸附滞后现象；吴俊[25]用Langmuir吸附模型参数计算煤表面能的方法，并讨论了表面能与煤变质程度的关系，刘红岩等[26]探讨了煤岩吸附时间与煤级、煤灰分、煤岩组成、解吸温度等的关系，结果表明煤岩组成和煤级的影响较大。

近年来国内外的研究深化了对煤层气吸附机理的认识,目前最新的研究进展主要体现在以下几个方面：

乌克兰科学家Alexeev等[27]采用核磁共振和X射线衍射技术，研究认为煤中有固溶态煤层气赋存形式的存在;已有实验证明了Langmuir吸附模型不能解释由于煤储层非均质性引起的煤层气吸附滞后现象；煤层气在正常地层超临界状态条件下的吸附特征仍处于初期探索阶段。

2.3　煤层气的运移机理

煤层气藏是一种压力圈闭气藏，其运移是指煤储层内煤层气的解吸扩散渗流过程，运移的结果是导致煤层气的相对富集和贫化。

煤层气的运移包括解吸—扩散—渗流三个过程。

煤层气的开采实际上也经历了解吸、扩散、渗流三个阶段，首先煤基质内表面上吸附的煤层气因孔隙压力降低而解吸，扩散至裂隙中转变为游离煤层气，然后由于裂隙和井孔之间的压力梯度及煤层气的浓度梯度产生煤层气渗流，最终由煤层气井产出。

因此研究煤层气的运移机理对于提高煤层气的产气量有着重要意义。

2.3.1　解吸机理

解吸是煤层中的吸附气由于自由气体压力减小而转变为游离气的过程，由于煤层气在煤层中的解吸和吸附是两个可逆的过程，因此以往对解吸机理的研究主要是对煤层气吸附机理的研究，力求从吸附机理的反向对煤层气吸附机理进行探讨。

目前,最新的研究进展：

霍永忠[28]通过实验分析了气体在煤储层内的解吸特征，并分析了煤储层气体解吸特征与物质组成、煤阶和孔隙结构的关系，结果证明了物质组成和煤阶是影响煤储层中气体解吸效率的最主要因素。

陈振宏[29]等利用煤层气成藏物理模拟及热变模拟实验等手段，研究了不同煤阶煤层气的吸附、解吸特征,结果显示:

高煤阶煤层气藏吸附平衡时间长且较分散，煤层气藏解吸效率较低，开发难度较大；低煤阶煤层气藏吸附平衡时间短而集中，相对解吸速率高，煤层气藏开发较容易。

2.3.2　扩散机理

由于煤基质的孔隙直径很小，与甲烷分子的直径在一个数量级上，由基质孔隙表面上解吸出来的煤层气在其中的渗透率极低,达西渗流可以忽略不计，故认为煤层气在煤基质孔隙中的运移是扩散过程[30]。

煤层气的扩散实质上是指煤层气解吸后煤层气分子由高浓度区向低浓度区的运动过程，煤层气的高浓度区域即煤层气的解吸区，低浓度区域及煤层气运移扩散区。

许多学者从事煤层气扩散理论方面的研究，并提出了诸多模型来描述扩散过程，李斌[31]建立了煤层裂缝中气-水两相渗流及微孔非平衡吸附器解吸扩散过程的数学模型，韦重韬[32]建立了多煤层扩散逸失地质模型和数学模型。

目前对于扩散机理，学术界达成的共识是:

煤层气的扩散运移遵循菲克扩散定律；煤层气的扩散速率与吸附时间、裂隙间距的平方成反比，裂缝发育密度越高，裂隙间距越小的，越有利于煤层气的扩散。

2.3.3　渗流机理

一般认为，在中孔以上的孔隙和裂隙中，气体的流动为渗流,因此煤层气在经历解吸—扩散后,进入煤裂隙（割理和构造裂隙）中的运移为渗流流动运移。

国外不少学者对煤层气渗流机理做了大量研究[33]，并建立了一系列的渗流模型，目前国外最为完善的渗流模型及数值模拟模型为COMET3模型（采用了双孔单渗模型，并假定气体与水的渗流都遵循达西现行渗流规律）。

国内最早由周世宁院士[34]提出煤层瓦斯的渗流方程，以此建立了煤层气在煤层中流动的渗流理论，随后的研究主要建立煤层气渗流模型以及对数学模型的修改和完善。

最新的研究进展是：

杨胜来等[35]采用实验方法，研究了煤层气的渗流特征，包括有效覆压、气体压力、气体性质、温度等因素对煤层气渗透能力的影响，比较了甲烷在煤层试样、砂岩试样和煤粉试样中渗流性能的差异。

研究表明,煤层试样的渗透率受有效覆压的影响很大，其应力敏感性程度超过砂岩岩样。

李涛等[36]采用非平衡态吸附模型，研究单相煤层气在煤体和割理中的流动规律。

在考虑煤层气渗透率随拟压力变化的前提下，建立并求解了拟稳态和不稳态流动模型。

3　存在的问题

我国煤层气资源丰富，但由于地质条件复杂，煤层气藏有着自身特殊的成藏规律和成藏过程，有关煤层气的成藏机理研究还存在着一些亟待解决等问题，主要表现在以下4个方面:

（1）近年来，次生生物煤层气一直是煤层气领域研究的热点，在我国煤层气资源丰富，含煤盆地中低阶煤所占的比例很大，因此多数含煤盆地中也有次生生物煤层气，但目前仍缺乏足够的证据；对煤层气生成机理中金属元素的催化作用研究甚少。

（2）煤层气在煤层中赋存形式是否有固溶态，能否采用多种技术手段进行探测证明，煤层气在正常的地层条件下呈超临界状态赋存，在超临状态下煤层气的吸附具有哪些基本规律，受控于哪些因素目前仍认识不清。

（3）当前国内外对煤层气解吸机理的研究仅仅停留在对吸附机理的研究和对吸附/解吸可逆实验研究阶段，缺少必要的大样量的煤层气解吸模拟实验；对煤层气解吸速度的制约因素缺少系统的研究和总结；多元气体竞争吸附与弱势解吸实验研究仅仅是初探。

（4）中国的煤层气藏与国外的煤层气藏相比往往具有更加致密的渗透性特征，目前对煤层气在致密煤层介质中渗流规律和渗流机理的研究仍相当薄弱。

5　发展趋势

经过多年的努力，煤层气成藏机理研究得到了很大的发展，但依然没有达到规律清晰机理明确的程度，加之我国的煤层气研究起步较晚，地质条件特殊，因此要建立符合我国地质条件的煤层气系统理论体系，仍然需要做很多工作。

对于煤层气的成藏机理研究，笔者认为应该以下几个方面将是未来主要的研究方向。

（1）加强我国含煤盆地中次生生物成因煤层气的调查和研究力度，加快对东北、西北低煤阶煤层气的勘探和开发，并开展对煤层气催化生成机理的研究。

（2）深化对煤层气赋存状态及吸附机理的研究，从超临界吸附角度研究煤层气的吸附特征，建立相应的理论模型，力求对煤层气赋存三态动平衡做出定量的描述，指导煤层气的开发。

（3）突破传统的煤层气解吸机理研究方式，开展吸附/解吸可逆性的实验研究和吸吸模拟实验研究，摸清煤层气解吸、扩散、渗流三者之间机理的相互作用、相互联系规律。

（4）加强对中国致密煤层介质中渗流规律和渗流机理的研究，揭示中国致密煤层介质中的渗流规律和渗流机理,建立适合中国致密煤层介质特点的渗流模型。

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