煤储层含气性及其地质控制

第三章煤储层含气性及其地质控制煤储层含气性可从诸多方面进行表征，如煤层气、煤层含气量、含气饱和度、可解吸收率以及煤层气资源量、资源丰度等。

第一节主要内容：煤层气含量是地层条件下煤中含有天然气体的数量，常用吨煤立方米表示。

在煤层气资源勘探中，煤层含气量是需要确定的最基本参数。

一、煤层含气量测定方法1、USBM直接法采用USBM直接法，煤层含气量由三阶段实测气量构成，即逸散气量、解吸气量和残留气量。

逸散气量是从钻至煤层到煤样装入解吸罐以前自然析出的煤层气量，无法直接测得，通常依据前两小时解吸资料推测。

解吸气量是解吸罐中含气煤样在常压和储层温度下自然脱附出来的煤层气量。

残留气量是上一阶段自然解吸后残留在煤样中的煤层气量。

2、MT77—94解吸法我国多数煤炭企业目前采用中国煤炭行业标准（MT77—94）来测定煤层含气量。

采用这种方法，煤层含气量由损失气量、现场2h解吸量、真空加热脱气量、粉碎脱气量四部分构成。

二、逸散/损失气量的估算解吸气和逸散气（损失气量）是煤层气的可采部分。

三、相态含气量在地层条件下，煤层气含量是吸附气、游离气、水溶气三相动态平衡的结果。

一般来说，煤层气中吸附气占80%—92%，水溶气、游离气在低煤级煤储层中占有较高比例。

溶解气含量甲烷溶解度实验表明：如果矿化度相同，则甲烷在水中的溶解度随压力的增加而增大；当温度低于80℃时，甲烷溶解度随温度升高而降低。

甲烷在煤层水中的溶解度大于去离子水中的溶解度，去离子水中的溶解度又大于相同矿化度水中的溶解度；压力越高，这一趋势越明显。

由此推测，煤层水中所含有机质对甲烷具有较强的吸附作用。

四、我国煤层含气量区域分布规律我国以含气煤层为主，主要分布在西北地区、华南地区东部、华北地区东部和东北地区北部；富气煤层主要分布于华南地区西部、华北地区中部和东北地区南部；极富气煤层分布面积相对局限，主要位于华南地区蓄洪区和西北部、华北地区中南部和北缘。

第二节主要内容：解吸与吸附几乎完全可逆。

一、解吸率与解吸量在由三阶段气（逸散气、解吸气和残余气）所构成的煤层气含气量中，逸散气量与解吸气量之和为理论可解吸量，它与总含气量的百分比成为理论可解吸率。

煤层甲烷解吸率受煤的吸附势、煤层气含气量、储层压力等影响，也与煤层埋藏深度有关。

二、吸附时间在标准温度和标准压力状态下，实测解吸气体累计达到总解吸气量63%时所对应的时间，称为吸附时间。

吸附时间与逸散气无关，它取决于煤的物质组成、煤基块大小、孔隙结构、煤级、天然裂隙间距等地质因素。

三、解吸速率单位时间内的煤层气解吸量，称为煤层气解吸速率。

煤层气解吸速率总体上表现为快速下降，但初期阶段存在一个升高过程。

储层条件下的解吸速率因压降不同将变得更加复杂。

同一地区不同煤层的甲烷解吸速率往往也有较大差异。

四、含气饱和度与理论采收率在地层条件下，煤层实际含气量与理论饱和含气量之百分比，称为含气饱和度，可由煤层含气量、储层压力、等温吸附常数计算出来。

根据含气饱和度可对煤储层进行划分：饱和煤储层，含气饱和度为100%；欠饱和煤储层，含气饱和度低于100%；过饱和煤储层，含气饱和度高于100%。

煤层含气量中可采收气量与总量之百分比，称为煤层气采收率。

煤层气理论可采收率一般采用三种方式进行预测：其一，直接解吸法，根据煤样解吸资料求算解吸率，以解吸率来衡量可采收率；其二，等温吸附法，通过等温吸附实验求得相关参数，进而根据理论关系估算煤层气理论最大可采率；其三，储层数值模拟法，采用基于吸附—解吸—扩散—渗流相关定律建立的煤层气产能数值模拟方法，通过模拟求得煤层气理论抽采率。

解吸率法没有考虑储层实际压力、温度、煤吸附特性、抽采枯竭压力等因素，可靠性较低，一般仅用于煤层气可采潜力的初级评价。

等温吸附法在理论上模拟了储层压力、温度、吸附特性、枯竭压力等因素，虽然没有考虑地层条件下的煤层气扩散—渗流过程，但不失为一种对开发试验有参考价值的评价方法。

第三节主要内容：一、未采动区煤层含气量未采动区煤层含气量也常称为原位含气量，一般采用含气量梯度法、等温吸附+含气饱和度法、地质类比分析法等进行预测。

1、含气量梯度法单位深度内煤层含气量增加的幅度，称为含气量梯度。

采用浅部含气量梯度来预测深度煤层含气量的方法，主要适用于同一构造单元内深部预测区，或不同构造单元中地质条件近似的预测区，是可靠程度较高且应用最广的预测方法之一。

其理论基础为：在构造相对简单的同一构造单元，控制煤层气含量的地质因素基本相同，浅部煤层含气性随深度变化的规律同样适合于深部煤层。

2、等温吸附—含气饱和度法采用等温吸附—含气饱和度法预测煤层气含量的理论基础为：煤层含气性取决于煤的吸附能力和含气饱和度，即含气量为最大吸附量与含气饱和度的乘积。

这种方法的预测精度相对较高，但应用前提要求较为严格。

首先，具备煤的等温吸附实测数据，实验煤样的煤级应与拟预测煤层相似；第二，采用适当方法，对煤层压力有所了解；第三，了解煤储层温度及其随深度的变化规律；第四，合理估算煤层的含气饱和度。

3、地质类比分析法如果预测区及其浅部煤层几乎没有煤质煤岩、煤层含气性、煤吸附性等实测资料，地质类比分析就是预测煤层含气量的唯一方法。

通过对预测区煤层气基本地质条件的综合分析，选择地质条件类似且拥有煤层含气量预测结果的地区，作为预测区煤层含气量预测的重要依据。

4、测井曲线法应用该法的前提是，同一地区内有钻孔煤层高分辨率测井曲线和与之匹配的煤层含气量实测资料，未知区段有同一煤层的高分辨率测井曲线。

二、采动影响区煤层动态含气量采动影响区可划分为三种类型，即本层采动影响区（水平采动影响区）、邻近层采动影响区（垂向采动影响区）和煤炭资源残留区。

1、本煤层采动影响区本煤层采动影响区包括掘进巷道和采煤工作面导致的采动影响区。

影响区内煤层动态含气量与煤壁暴露时间（或采煤工作面推进速度）和距暴露煤壁的距离有关，任何一点的流速、流向和瓦斯压力均随时间而发生变化，即为非稳定流场。

2、邻近层采动影响区受扰动卸压作用的影响，邻近层煤层气会不同程度地发生解吸，在矿井瓦斯抽放中用排放效率来度量。

排放效率受多种因素的影响，如距开采层距离、开采层工作面采高、工作面采长、层间岩石性质、地应力等。

3、煤炭资源残留区煤炭资源残留区是煤层开采之后煤炭资源损失量分布区，包括煤层顶部残煤、煤层底部残煤、各类煤柱等，其含气量一般可为小于2m3/t，不参加煤层气资源量计算。

第四节主要内容：煤层气富集的必要前提，是生成、储集、封盖、运移、聚集、保存等六方面条件及其动态发展过程的有利配置，是构造因素控制之下诸多地质因素耦合作用的结果。

一、煤级与煤层气富集我国矿区或井田煤层平均含气量上限（包络线）呈两个显著演化特征：①包络线（某一煤级平均最高含气量的连线）呈阶段性演化趋势；②位于包络线附近的矿区或井田，均为煤储层封盖条件极好或煤储层渗透率极差的地区。

第一阶段相当于褐煤至焦煤初期阶段，平均最高含气量随煤级增高而呈线性急剧增大。

第二阶段包括焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤初期，煤级增高，平均最高含气量缓慢增大。

第三阶段为低级无烟煤阶段，平均最高含气量急剧增高。

第四阶段从低级无烟煤末期至中级无烟煤末期，平均最高含气量随煤级增高而急剧降低，降至4m3/t以下，在高级无烟煤阶段（镜质组最大反射率大于6%）的煤层中几乎不含甲烷。

二、构造类型与煤层气富集根据形态和动力学特征，与煤层气有关的构造可归纳为向斜构造、背斜构造、褶皱—逆冲推覆构造、伸展构造四个大类，以及10种基本构造类型和14种构造形态。

不同类型地质构造在形成过程中构造应力场及其内部应力分布状况的不同，均会导致煤层气保存条件出现差异，进而程度不等地影响到煤储层的含气性。

三、沉积作用与煤层气富集不同沉积体系中，煤层赋存于成因地层单元（旋回）中的不同位置，与顶板甚至顶板之上一定距离内的围岩构成各式各样的组合关系，形成了再区域上具有一定展布规律的六种储盖组合基本成因类型。

根据对煤储层封盖能力的强弱，上述六种类型又可进一步被归纳为三大类别：第一大类包括浅海—障壁海岸和湖泊两种类型，对煤储层的封盖能力较强；第二大类为滨海三角洲类型，是我国晚古生代含煤地层的主要沉积体系，但封盖能力变化较大；第三大类别包括浅海—无障壁海岸、河流和浅海三种类型，封盖能力总体上较差。

砂岩顶底板在总体上不利于煤层气的保存，煤层气含气量一般与上覆砂岩厚度呈指数下降关系，但其成分结构的不同及成岩后生作用的差异，封盖能力变化较大。

灰岩作为煤储层直接顶底板，只有在构造运动较弱的地区，溶洞、缝合线不发育的致密灰岩才可形成一定的封盖能力。

泥岩是碎屑海岸相和湖泊相成因煤储层的常见顶底板岩石类型，在区域上往往具有一定的稳定性和连续性，故常可被看做煤储层的区域性盖层。

油页岩致密度高、韧性大、裂隙不发育，含油率和水分含量高，导致孔隙率低、渗透率小，是煤储层最理想的封盖层。

煤层顶底板岩层对煤储层的封闭机理，可分为薄膜封闭、水力封闭、压力封闭、浓度封闭等类型。

扩散作用只要存在浓度差就能发生，在煤化作用的各个阶段始终存在。

煤层气通过围岩的扩散作用大于补给作用，则造成煤储层气体不饱和，因此围岩的厚度和结构是影响煤层气逸散和聚集的重要因素。

煤储层的物质组成与吸附性有关，并通过对裂隙发育特征的控制而在一定程度上影响到煤储层渗透率的高低。

四、水文地质条件与煤层气富集水文地质条件对煤层气含气性的控制特征，可概括为三种作用：一是水力运移逸散控气作用；二是水力封闭控气作用；三是水力封堵控气作用。

第一种作用导致煤层气散失，后两种作用则有利于煤层气保存。

水力运移逸散控气作用常见于断层发育区。

水力封闭控气作用常发生在构造简单的宽缓向斜或单斜中，其断裂不甚发育。

水力封堵控气作用常见于不对称向斜或单斜当中。