煤層氣儲(chǔ)層研究進(jìn)展

黃孝波，李賢慶，王萌，凌標(biāo)燦，孫杰

（1.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；3.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 101601）

煤層氣儲(chǔ)層研究進(jìn)展

黃孝波1，2，李賢慶1，2，王萌1，2，凌標(biāo)燦3，孫杰1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；3.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 101601）

煤層作為煤層氣儲(chǔ)層，具有容納氣體和允許氣體流動(dòng)的能力。與常規(guī)的砂巖儲(chǔ)層不同，煤層氣在煤層中主要呈吸附態(tài)形式存在，其儲(chǔ)集性能受多種因素的影響。我國的煤田大多成煤時(shí)間早，經(jīng)歷的構(gòu)造期次多，地質(zhì)條件復(fù)雜，造成我國煤層氣儲(chǔ)層物性非均質(zhì)性強(qiáng)，研究難度較大。文中總結(jié)了煤層氣儲(chǔ)層的物性特征、儲(chǔ)集狀態(tài)、煤巖特征、實(shí)驗(yàn)方法4方面的研究進(jìn)展，指出煤儲(chǔ)層的滲透性、孔隙度、外生裂隙、割理、微裂隙等特征可以表征其物性；溫度、壓力、含氣量、水動(dòng)力條件、應(yīng)力狀態(tài)可以反映其儲(chǔ)集狀態(tài)；煤巖類型、煤體結(jié)構(gòu)、煤層厚度、顯微組分組成、變質(zhì)程度、灰分等也影響其特性。最后，探討了煤層氣儲(chǔ)層研究存在的問題及下一步研究方向。

煤層氣；儲(chǔ)層物性；孔滲性；煤巖特征；非均質(zhì)性；實(shí)驗(yàn)方法

煤層氣是指與煤同生共體、以甲烷為主要成分、主要以吸附狀態(tài)賦存在煤層之中的非常規(guī)天然氣。我國煤層氣已經(jīng)在沁水和鄂爾多斯盆地東緣等地實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化開發(fā)，年產(chǎn)量達(dá)到20×108m3。煤層氣產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，使得煤層氣基礎(chǔ)研究不斷取得新的進(jìn)展。

煤層作為煤層氣的儲(chǔ)層，具有2方面的特征：一是在壓力作用下具有容納氣體的能力；二是具有允許氣體流動(dòng)的能力。煤層氣儲(chǔ)層研究，包括儲(chǔ)層孔滲性、裂隙與割理的發(fā)育程度、溫度壓力、水動(dòng)力條件、煤巖特征、變質(zhì)程度、含氣性、吸附與解析特性等內(nèi)容，近年來取得了較大進(jìn)展［1-3］。筆者通過大量文獻(xiàn)資料調(diào)研，對(duì)我國煤層氣儲(chǔ)層的物性特征、儲(chǔ)集狀態(tài)、煤巖特征和實(shí)驗(yàn)方法的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

1 物性特征

煤巖作為煤層氣的源巖和儲(chǔ)層，是孔隙和割理-微裂隙雙重孔隙介質(zhì)。由于煤層氣在儲(chǔ)層中要經(jīng)過吸附、解吸、滲流、擴(kuò)散等過程才能被采出，因此，與常規(guī)的砂巖儲(chǔ)層相比，煤層氣儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能除了受到孔隙度和滲透率的影響外，還受到割理、外生裂隙、微裂隙的影響。煤巖的孔滲性是衡量儲(chǔ)層儲(chǔ)集和流通性能的重要特征。

目前國內(nèi)通常引用前蘇聯(lián)學(xué)者霍多特的煤巖孔隙度分類方法，即將煤中孔隙分為大孔、中孔、小孔（過渡孔）、微孔4類。煤巖既有大量的微孔，又有顯微裂隙和宏觀裂隙，可以簡化為“雙重孔隙”結(jié)構(gòu)模型或“三元裂隙-孔隙”結(jié)構(gòu)模型［4］。

煤儲(chǔ)層的孔隙性包括孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布、孔隙連通性等，受煤階、煤巖組成、煤層結(jié)構(gòu)等因素影響很大。煤層氣的吸附及擴(kuò)散、滲透能力都與煤儲(chǔ)層的孔隙性密切相關(guān)。煤儲(chǔ)層的總孔隙空間由氣體液體能進(jìn)入的有效孔隙空間和完全封閉的孤立孔隙空間（“死孔”）構(gòu)成［4］。煤層氣主要儲(chǔ)存于早煤基質(zhì)孔隙中，在宏觀裂隙或者外生裂隙中運(yùn)移，而顯微裂隙（割理或內(nèi)生裂隙）能溝通孔隙和宏觀裂隙，改善儲(chǔ)層連通性，孔隙是煤層氣的主要儲(chǔ)集空間和擴(kuò)散滲流通道［3］。

煤層的滲透率主要取決于其壓實(shí)程度及裂隙系統(tǒng)的發(fā)育程度，而裂隙系統(tǒng)又受構(gòu)造作用的控制，它是衡量可采性的重要指標(biāo)。一般隨煤層埋深和熱演化程度的加深，煤層孔隙半徑變小，滲透性變差，當(dāng)煤層的割理發(fā)育且相對(duì)開啟時(shí)，滲透性變好［5］。煤基質(zhì)收縮膨脹或有效應(yīng)力變化導(dǎo)致的煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)，造成煤儲(chǔ)層滲透率在煤層氣排采過程中呈規(guī)律性變化［6-7］；影響滲透率的另一個(gè)重要因素就是喉道，具有很明顯的“短板效應(yīng)”，無論總孔隙度有多大，喉道的大小和形狀決定了煤巖的滲透率。

割理是連通孔隙和宏觀裂隙的橋梁［3］，也是煤儲(chǔ)層中普遍發(fā)育的裂隙系統(tǒng)（見圖1），更是決定滲透率和煤層氣開發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵因素。割理的發(fā)育受控于煤巖組分和不同煤巖類型的分層情況［8］。Law等認(rèn)為割理的頻率從褐煤到煙煤再到無煙煤，呈先增大再減小的趨勢(shì)［9］，中等變質(zhì)的煤層內(nèi)割理最發(fā)育。Levine認(rèn)為煤儲(chǔ)層的滲透率與割理寬度的立方成正比，與割理的間距成反比［10］。

圖1 煤中割理系統(tǒng)

2 儲(chǔ)集狀態(tài)特征

煤層氣以游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)3種基本形態(tài)保存在煤巖之中，其中以吸附態(tài)為主。這3種形態(tài)處于動(dòng)態(tài)變化之中，取決于煤層的變質(zhì)程度、埋深和賦存環(huán)境等［11］。煤層的含氣性是決定煤層氣產(chǎn)能及開發(fā)潛力的重要因素，受煤層的生氣、儲(chǔ)氣及保存條件的控制，而所有影響這些條件的地質(zhì)因素都會(huì)影響煤層的含氣性分布［12］。

煤的吸附與解吸特性是決定煤層含氣性的重要因素之一，也是目前研究的重點(diǎn)［7］。溫度和壓力是影響煤層氣吸附/解吸特征最為敏感的因素。煤層氣解吸階段性、解吸效率、解吸量受控于微孔與小孔的發(fā)育程度和分布規(guī)律。鐘玲文認(rèn)為，壓力在吸附/解吸過程中起主導(dǎo)作用［13］。

煤儲(chǔ)層的埋深是影響煤層氣含氣量的一個(gè)重要因素。羅憲指出影響煤層氣賦集的地質(zhì)因素中以埋藏深度最為顯要［14］，權(quán)巨濤在磁西勘查區(qū)鉆探過程中也有類似的發(fā)現(xiàn)［5］。我國深部煤層氣（埋深大于1 000 m）具有十分可觀的資源前景［15-17］，雖然與淺部的煤儲(chǔ)層特點(diǎn)有相似之處，但是處在高溫高壓的環(huán)境中，深部煤儲(chǔ)層則有很多不同。國內(nèi)對(duì)煤儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)、滲透性、吸附/解吸特征、煤巖結(jié)構(gòu)、高應(yīng)力狀態(tài)下煤巖形變等的研究報(bào)道很少。

水動(dòng)力條件是決定煤層氣能否保存下來的關(guān)鍵因素。在微滲濾作用下，礦物結(jié)晶水、吸著水、薄膜水和毛細(xì)水等非流動(dòng)水在煤層頂?shù)装迳闲纬删W(wǎng)絡(luò)狀的滲濾水，對(duì)煤層氣起到一定保護(hù)作用；處于逆斷層中停滯的水，阻止煤層氣向上運(yùn)移，起到了水動(dòng)力封堵作用。水動(dòng)力封堵作用有可能形成異常高壓，桑浩田認(rèn)為異常高壓形成機(jī)制可分為水動(dòng)力封閉性和自閉性2類［18］。由水動(dòng)力封閉形成的煤層氣藏的滲透性一般比較好，在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平下可以進(jìn)行開采。

區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力條件是影響割理裂隙發(fā)育的客觀條件。唐鵬程認(rèn)為古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制割理延伸方向［8］。在外力作用下，煤的原生結(jié)構(gòu)將遭受破壞而形成構(gòu)造煤（破裂煤、碎粒煤和糜棱煤），原生結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)對(duì)煤儲(chǔ)層的孔滲性產(chǎn)生2種不同的結(jié)果，一是煤巖破碎增大煤儲(chǔ)層的孔隙性，二是導(dǎo)通煤系地層之間的含水層，產(chǎn)生礦物充填堵塞孔隙。

3 煤巖學(xué)特征

煤的變質(zhì)程度對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的影響呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。陳振宏等從煤巖化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)上，解釋了不同煤階的煤儲(chǔ)層對(duì)煤層氣的吸附/解吸作用差異的原因［19］。許多學(xué)者在煤變質(zhì)作用程度對(duì)煤層孔隙度的控制作用上一致認(rèn)為［20］，隨著煤階的升高，煤的孔隙度呈現(xiàn)高—低—高的變化規(guī)律。

但是，對(duì)于煤的變質(zhì)作用對(duì)吸附和解吸的認(rèn)識(shí)存在分歧。張群等認(rèn)為在Ro為0.54%～4.25%時(shí)，煤的吸附能力隨煤階增高呈增高的趨勢(shì)［21］；Laxminarayana等則認(rèn)為二者是一個(gè)“U”型的關(guān)系［22］，即在中揮發(fā)分煙煤階段，煤的吸附能力取極小值。蘇現(xiàn)波等研究認(rèn)為，隨煤階的增高煤的吸附能力經(jīng)歷4個(gè)階段［23］。傅雪海認(rèn)為中國煤儲(chǔ)集層吸附時(shí)間的長短，似與煤階沒有特定關(guān)系［24］。李小彥認(rèn)為解吸樣品吸附時(shí)間的變化與煤階沒有明顯的關(guān)系［25］。鐘玲文等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，煤鏡質(zhì)體組分體積分?jǐn)?shù)大于60%時(shí)的吸附量與煤化程度的關(guān)系［13］為：在Ro為0.5%～1.2%時(shí)，吸附量隨著煤化程度增高而減??；當(dāng)Ro為1.2%～4.0%時(shí)，吸附量隨著變質(zhì)程度增加而增加；Ro大于4.0%之后，吸附量隨著變質(zhì)程度的增加急劇變小，直至很少吸附或基本不吸附。

此外，對(duì)于吸附/解吸速率與煤巖類型的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者有著不同的認(rèn)識(shí)，劉洪林等認(rèn)為從光亮煤到暗淡煤［26］，吸附時(shí)間明顯增大。Gamson［27］，Crosdale［28］，Laxminarayana等［22］認(rèn)為暗淡煤解吸要比光亮煤解吸得快，而也有學(xué)者［29-30］認(rèn)為吸附時(shí)間與煤巖類型關(guān)系甚小。

我國大部分高煤階煤的形成都與構(gòu)造熱事件有關(guān)，高煤階煤儲(chǔ)層具有明顯的改造作用［31-32］。巖漿的烘烤作用使煤大量地生烴、排烴，同時(shí)在煤巖中形成很多氣孔，有機(jī)質(zhì)的揮發(fā)也增加了儲(chǔ)層的孔隙度；煤巖基質(zhì)收縮也產(chǎn)生了大量的收縮裂隙；構(gòu)造和巖漿的動(dòng)力擠壓作用產(chǎn)生外生裂隙疊加到割理系統(tǒng)中，大大改善了儲(chǔ)層的孔隙性和滲透性。尤其是靠近侵入體的天然焦，柱狀節(jié)理密集發(fā)育，增大了煤層氣儲(chǔ)藏空間。

煤巖完全燃燒后殘余的成分為灰分，主要來源于煤巖的礦物質(zhì)。劉洪林認(rèn)為可以通過附近砂巖和煤割理的填充物的形態(tài)和類型來區(qū)分判斷構(gòu)造的期次和流體性質(zhì)［32］。

煤巖的非均質(zhì)性是影響勘探選區(qū)、生產(chǎn)井布置、壓裂、排采的難題。李夢(mèng)溪通過沉積環(huán)境研究指出［33］，泥炭坪形成的煤層的非均質(zhì)性最弱，三角洲較弱，河流相最強(qiáng)。趙賢正等從區(qū)域構(gòu)造方面對(duì)沁水盆地的非均質(zhì)性進(jìn)行研究［34］，指出高煤階煤熱演化僅是煤層含氣性、滲透性及流體壓力的基礎(chǔ)，后期構(gòu)造改造是導(dǎo)致沁水南部高煤階煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性的根本原因。

煤巖組分不僅影響煤層的生烴能力，也是影響煤層氣儲(chǔ)層含氣性的內(nèi)在因素。甘華軍等研究認(rèn)為［35］，在高惰性組、低鏡質(zhì)組含量時(shí)，惰質(zhì)組對(duì)煤儲(chǔ)層孔隙度的控制作用更為明顯，孔隙度變化與變質(zhì)程度關(guān)系不是很大；而在高鏡質(zhì)組、低惰質(zhì)組含量時(shí)，煤儲(chǔ)層的孔隙特征與變質(zhì)程度呈規(guī)律性變化。煤的基質(zhì)孔隙與割理-裂隙受煤巖的顯微組分影響［36］。

4 實(shí)驗(yàn)方法

目前在煤層氣儲(chǔ)層研究中運(yùn)用比較廣泛的實(shí)驗(yàn)方法主要有：壓汞法、低溫液氮吸附法、鏡質(zhì)組反射率、掃描電鏡、核磁共振、測(cè)井、地震反演等，并取得了一定的成果［37-39］。

利用孔隙度測(cè)試和壓汞實(shí)驗(yàn)，不僅可以確定煤樣的孔隙含量和不同孔徑段的孔隙在總孔隙中所占的百分比，而且利用進(jìn)汞、退汞曲線形態(tài)和退汞效率可以確定各孔徑段孔隙之間的連通性［3-4，20］。

地震反演技術(shù)在煤儲(chǔ)層研究上也取得了許多進(jìn)展。目前，常用于煤層氣滲透性預(yù)測(cè)的地震技術(shù)主要有疊前方位AVO反演和地震反射層的曲率屬性分析。

煤層氣儲(chǔ)層研究中運(yùn)用層序地層學(xué)劃分層序，預(yù)測(cè)儲(chǔ)層分布、賦存規(guī)律，解釋儲(chǔ)層滲透性變化［38］。地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)與滲透性有很好的相關(guān)性，可以用來估算煤儲(chǔ)層的滲透性。數(shù)學(xué)建模技術(shù)可以對(duì)含氣性、滲透率等進(jìn)行預(yù)測(cè)［39］。

5 存在問題及研究方向

經(jīng)過幾十年的研究，煤儲(chǔ)層領(lǐng)域的許多研究成果已經(jīng)運(yùn)用到煤層氣勘探和開發(fā)實(shí)踐中。但是，煤層氣儲(chǔ)層研究仍然存在如下主要問題：1）煤層氣儲(chǔ)層的吸附/解吸性能與煤變質(zhì)程度、煤巖類型、煤巖組分之間的關(guān)系不明確，對(duì)影響煤的吸附/解吸效率的主控因素研究不夠；2）煤層氣儲(chǔ)層表征研究不夠精細(xì)；3）煤層氣儲(chǔ)層的非均質(zhì)性研究不夠深入；4）對(duì)深部溫度、壓力條件下煤層氣儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)、滲透性，以及構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層物性的影響研究較少；5）不同地質(zhì)條件下煤層氣儲(chǔ)層的成因機(jī)理和綜合評(píng)價(jià)研究不夠。

基于上述問題，筆者以為，我國煤層氣儲(chǔ)層下步的研究方向主要包括：1）從沉積環(huán)境、構(gòu)造作用、煤巖類型、煤巖顯微組分、變質(zhì)程度、溫度、壓力、水動(dòng)力條件等多方面角度，深入研究不同煤層氣儲(chǔ)層的物性特征、賦存狀態(tài)和煤巖特征，研究不同煤階煤層氣的地質(zhì)控制因素；2）深入研究不同類型煤的吸附/解吸性能，研究影響煤巖吸附/解吸能力的主導(dǎo)因素；3）加強(qiáng)煤層氣儲(chǔ)層精細(xì)表征研究，尤其是定量化的儲(chǔ)層表征研究，深入研究不同煤層氣儲(chǔ)層的成因機(jī)理，發(fā)展煤層氣儲(chǔ)層的綜合評(píng)價(jià)技術(shù)；4）加強(qiáng)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層橫向（區(qū)域水平）和縱向（層間、層內(nèi)）的非均質(zhì)性研究；5）借鑒美國成功的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)我國深部煤層氣儲(chǔ)層的探索性研究。

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（編輯 楊會(huì)朋）

Research progress in coalbed methane reservoir

Huang Xiaobo1，2,Li Xianqing1，2,Wang Meng1，2,Ling Biaocan3,Sun Jie1，2
(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China; 2.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China; 3.College of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China)

As a reservoir of coalbed methane(CBM),the coal seam enables gas to flow and accommodate in it.Different from the conventional sandstone reservoir,the major CBM in the coal seam exists in the adsorbed form and the CBM reservoir is impacted by a lot of factors.Most coalfields in China were formed relatively earlier,experienced many times of tectonics and had complex geological conditions.Thus,the CBM reservoir in China has strong heterogeneity and is difficult to study.This paper summarizes the characteristics of physical property,occurrence state,coal petrology and experimental method of CBM reservoirs.It is suggested that the porosity,permeability,cracks,cleats and micro-cracks can reflect the physical property of CBM reservoir.Temperature,pressure, gas content,hydrodynamic condition,stress state can also reflect the status of CBM reservoir.Coal petrology,coal structure,thickness, macerals composition,metamorphic grade and ash content can impact the characteristics of CBM reservoir.Finally,the main problems and next research orientation in CBM reservoirs are further discussed.

coalbed methane;physical property of reservoir;porosity and permeability;characteristics of coal petrology; heterogeneity;experimental method

國家科技重大專項(xiàng)“深煤層儲(chǔ)層物性及地質(zhì)因素研究”（2011ZX05042-001）和“中國煤層氣有利區(qū)塊評(píng)價(jià)與勘探部署建議”（2011ZX05033-004）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)“不同含煤盆地煤層氣生成動(dòng)力學(xué)研究”（2010YM01）、煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主科研課題“煤系有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)組成、變質(zhì)演化和地質(zhì)成因”（SKLCRSM10B04）資助

TE132.2

：A

1005-8907（2012）03-0307-05

2011-11-01；改回日期：2012-03-13。

黃孝波，男，1987年生，在讀碩士研究生，主要從事煤層氣地質(zhì)方面的學(xué)習(xí)和研究工作。E-mail：hxb411916@163.com。

黃孝波，李賢慶，王萌，等.煤層氣儲(chǔ)層研究進(jìn)展［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：307-311. Huang Xiaobo，Li Xianqing，Wang Meng，et al.Research progress in coalbed methane reservoir［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（3）：307-311.