第一章 煤及煤层气地质学
煤层气开发地质学及其研究的内容与方法
煤层气开发地质学及其研究的内容与方法一、煤层气开发地质学及其研究的内容1、煤层气地层分析煤层气地质学的研究要求从煤层的地质分析角度，对含气量、孔隙特征及煤层的延展性等进行深入地研究，以判断煤层的开采条件。
具体探讨主要有煤层内地层构造、煤层重力流动特征、煤层含气量、孔隙度、煤层延伸性等。
2、煤层地质探测技术对于煤层气的开发，煤层地质探测技术的开发是重要的研究内容之一。
一般情况下，采用放射性测井和电磁测井等技术对煤层气进行探测，了解煤层的延展性、煤的质量等情况。
3、煤层气勘探开发技术煤层气勘探开发技术是指采用复杂的工艺手段，以实现煤层气开发的技术。
主要技术措施包括煤层孔隙度测试、地层构造解释、岩心切片解释、气藏地质模拟分析等。
4、煤层气开发地质环境保护煤层气开发地质环境保护是指做好煤层气勘探开发的过程中，要充分考虑地质环境的变化，努力减少或防止煤层气开发过程中的污染，确保煤层气开发的可持续发展。
二、煤层气开发地质学及其研究的方法1、实验室测试实验室对煤层的物理性质、流学特性、岩性特征以及煤层气的含量等进行测试，以指导勘探开发煤层气。
实验室测试的常见方法有X射线衍射分析、热重分析和密度测试等。
2、多地形特征、地质判断在煤层气开发的勘查过程中，需要对地形地貌进行调查，进而对气田的位置、开发指标和形成背景进行研究，以便有效开发煤层气。
3、地球物理测量地球物理测量针对煤层的重力流动特征，利用放射性测井、电磁测井等技术，可以有效研究煤层的构造特征、孔隙特征以及含气量等，为指导煤层气的开发提供重要的依据。
4、岩心分析采用岩心分析技术，可以确定煤矿的结构形态、构造特征、煤层的延展性、气藏开发的有效性等情况，为更好地开发煤层气提供重要依据。
煤层气开发地质学理论与方法
煤层气开发地质学理论与方法首先，煤层气的分布与形成机理是煤层气开发地质学的重要研究内容。
煤层气是在煤层埋藏过程中由有机质在高压高温条件下转化而成的天然气。
煤层气的分布受到煤层的厚度、埋深、含气量等因素的影响。
在煤层埋藏过程中，有机质在压力和温度作用下经历干酪根、初级、中级和成熟等不同阶段，形成煤层气。
煤层气的形成机理研究可以为煤层气的勘探和开发提供科学依据。
其次，煤层气的储集是煤层气开发地质学的核心问题之一、煤层气的储集形式主要有吸附储集和自由气储集两种。
吸附储集是指煤层气分子在煤矸石孔隙、裂隙和微孔等微观空间中吸附，形成紧密结合的状态；自由气储集是指煤层气分子在煤体孔隙中以自由状态存在。
煤层气的储集特征受到煤层的孔隙结构、孔隙度、构造变形等因素的影响。
通过对储集特征的研究可以确定煤层气的开发方式和有效开采方法。
此外，煤层气的运移规律也是煤层气开发地质学研究的重要方向之一、煤层气的运移受到多种因素的控制，包括煤层压力、渗透性、孔隙度、温度等。
煤层气的运移机理主要有扩散、脱附和解吸等过程。
研究煤层气的运移规律可以为煤层气开发提供指导，如确定煤层气开发的合理排采策略，优化井网布置等。
在煤层气开发地质学中，还需要开展煤层气资源量评价和勘探技术研究。
通过对煤层气资源量的评价，可以为资源开发提供基础数据。
勘探技术的研究则是为了提高煤层气的勘探效率和开发成功率。
目前，常用的勘探技术包括地球物理勘探、地质钻探和测井技术等。
总之，煤层气开发地质学是研究煤层气在地质中的分布、形成、储集、运移等规律的学科，其理论与方法的研究对于煤层气的勘探和开发具有重要意义。
通过对煤层气开发地质学的深入研究，可以为煤层气资源的高效开发和利用提供科学依据。
煤地质学基础(2)(中国矿业大学 孟召平)
2009年1月中石化华东石油局 煤层气培训班讲稿孟召平 中国矿业大学(北京)第一部分:煤地质学基础第一节 煤炭及煤层气资源分布 第二节 煤田地质学概况及研究进展 第三节 煤的形成 第四节 煤层厚度及其变化分析 第五节 第六节 第七节 第八节 聚煤盆地基本类型 煤的物质组成 煤质分析及煤的分类 煤化作用及煤的变质类型第九节 煤成烃的研究第四节 煤层厚度及其变化分析基本概念 煤层结构及顶底板 煤层厚度的变化的原因 煤层厚度稳定性评价1、基本概念煤层是自然界中由植物遗体转变而成的成层可燃 沉积矿产, 由有机质和混入的矿物质所组成。
煤层是含煤岩系中有机质集中分布的部分,在含煤 岩系中常常赋存于一定的层位,与其它共生的岩石 类型构成特定的沉积序列。
煤层厚度是指煤层顶底板岩石之间的垂直距离。
根据煤层结构，煤层厚度可分为总厚度、有益厚 度和可采厚度。
煤层总厚度是顶底板之间 各煤分层和夹层厚度的总 和； 有益厚度是指煤层顶底板 之间各煤分层厚度的总和; 可采厚度是指在现代经济 技术条件下适于开采的煤 层厚度。
按照国家目前有关技术政策，根据煤种、产 状、开采方式和不同地区的资源情况等规定 的可采厚度的下限标准，称为最低可采厚度。
达到最低可采厚度以上的煤层，称可采煤层。
不同煤层的厚度有很大差 别，薄者仅数厘米，称煤 线，厚者可达二百多米。
考虑到开采方法的不同，可 采煤层的厚度可分为五个厚 度级： 煤厚0.3～0.5米为极薄煤层 0.5～1．3米为薄煤层 1．3～3.5米为中厚煤层 3.5～8.0米为厚煤层 大于8米的为巨厚煤层。
2、煤层结构及顶底板 煤层的结构煤层包含煤分层和岩石 夹层 , 不含夹石层者 称为简单结构煤层 含有夹石层者，则称 为复杂结构煤层。
煤层中的岩石夹层俗称夹矸。
夹矸一般为粘土岩、炭质泥岩或粉砂岩，有时为 石灰、硅质岩、油页岩、细砂岩或砾岩。
如我国广西晚二叠世含煤岩系的煤层中见有灰岩 透镜体 , 富集海相动物化石。
煤层气开发地质学及其研究的内容与方法
煤层气开发地质学及其研究的内容与方法煤层气是一种新型的清洁能源，具有储量大、分布广、开发成本低、环保等优点，是我国能源结构调整和可持续发展的重要组成部分。
煤层气开发地质学是煤层气勘探开发的基础，其研究内容主要包括煤层气地质特征、煤层气成藏规律、煤层气开发技术等方面，本文将从这些方面进行阐述。
一、煤层气地质特征煤层气地质特征是煤层气开发地质学的基础，主要包括煤层气的分布、储量、成因、运移、分布规律等方面。
煤层气的分布主要受煤层的厚度、埋深、煤质、构造等因素的影响，一般来说，煤层气的分布具有明显的地域性和层位性。
煤层气的储量主要受煤层的厚度、埋深、煤质、孔隙度、渗透率等因素的影响，一般来说，煤层气的储量与煤层的厚度和孔隙度呈正相关，与煤层的渗透率呈负相关。
煤层气的成因主要有生物成因、热成因和混合成因三种类型，其中生物成因是煤层气的主要成因类型。
煤层气的运移主要受煤层的渗透性、孔隙度、压力等因素的影响，一般来说，煤层气的运移具有渗流和吸附两种方式。
煤层气的分布规律主要受煤层的构造、地质构造、地质构造演化等因素的影响，一般来说，煤层气的分布规律具有明显的地质构造控制性。
二、煤层气成藏规律煤层气成藏规律是煤层气开发地质学的重要研究内容，主要包括煤层气成藏类型、成藏模式、成藏机理等方面。
煤层气成藏类型主要有单一煤层气藏、多层煤层气藏、煤岩层煤层气藏等类型。
煤层气成藏模式主要有自生型、自生自储型、自生自储自运型等模式。
煤层气成藏机理主要有生物成因、热成因、混合成因等机理，其中生物成因是煤层气成藏的主要机理。
三、煤层气开发技术煤层气开发技术是煤层气开发地质学的重要研究内容，主要包括煤层气开发方法、开发工艺、开发设备等方面。
煤层气开发方法主要有钻井开发、巷道开采、水平井开采等方法。
煤层气开发工艺主要有抽采、压裂、注气等工艺。
煤层气开发设备主要有钻机、压裂车、注气设备等设备。
四、煤层气开发地质学研究方法煤层气开发地质学的研究方法主要包括野外地质调查、地球物理勘探、地球化学勘探、数值模拟等方法。
煤层气开发地质学概念
煤层气开发地质学概念
煤层气开发地质学是研究煤层气的勘探、开发和利用的一门学科。
它主要研究煤层气的成藏规律、分布规律、富集规律、储量评价、开采技术等方面。
煤层气开发地质学是指通过地质学的方法，研究煤层气的地质特征、分布规律、成藏条件和运移特征等，为煤层气的勘探开发提供科学依据。
主要包括以下概念：
1.煤层气：指在煤层中吸附或储存的天然气，主要成分为甲烷。
2.煤储层：指含有煤层气的煤层，具有一定的储气能力。
3.丰度：指煤层气在煤储层中的分布量，通常用亿立方米/平方千
米（EKM/km2）来表示。
4.渗透率：指煤储层中煤层气向孔隙、裂缝或裂隙中运移的能力，
通常用mD（毫达西）来表示。
5.含气量：指煤层中单位质量（或体积）的煤能够释放出的煤层气
量，通常用m3/t（或m3/m3）来表示。
6.吸附：指煤层气吸附在煤储层孔隙中的现象，是煤层气储存的主
要方式之一。
7.储层压力：指煤储层中煤层气所受的压力，是煤层气开采的重要
参数之一。
8.采气半径：指煤层气开采时，从井口到煤储层边界的距离，是评
价煤层气开采效果的重要指标之一。
9.水文地质条件：指煤层气开采区域的地下水分布及其运移规律，
对煤层气开采影响很大。
10.煤层气富集规律：指煤层气在地质历史过程中形成和富集的规
律，对煤层气开采的合理性进行论证和预测。
煤层气地质学考试重点(经典)
第一章绪论1、天然气：（广义）所谓天然气是指自然界一切天然生成的气体。
（狭义）目前仅限于地壳上部存在的各种天然气体，包括烃类气体和非烃类气体。
性评2、天然气的来源机制，可分为无机成因气和有机成因气。
天然气的成因分类可分为4种：生物成因气（细菌气）、油型气（油成气）、煤型气（煤成气）、无机成因气。
3、煤型气（煤成气）:指煤系有机质(包括煤层和煤系地层中的分散有机质)在变质过程中(即热演化)形成的天然气，也称煤成气。
包括煤系气与煤层气两类。
煤系气：是指从生气母岩（煤系地层及煤层）中运移出来聚集在储集层中甚至形成气藏的煤型气，一般均经过较大规模运移。
属常规天然气。
❤煤层气：是指赋存于煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。
属非常规天然气范畴。
（也称煤层吸附气、煤层甲烷或煤层瓦斯。
）4、三重国家需求：资源利用/矿山安全/环保5、全国累计探明面积777km2，探明储量1343亿m3，可采储量621亿m3，初步探明374亿m3。
❤6、我国煤层气研究开发存在的主要问题：①预测理论亟待完善。
②产能预测技术有待解决。
③开发工艺亟待突破。
④投入严重不足。
⑤煤层气基础设施建设不完善。
7、我国煤层气资源存在低压、低渗、低饱和的“三低”现象以及地质变动的特殊性。
我国煤储层的特点和难点：地史复杂、类型多样、改造强烈；低孔、低渗、低相渗、低压、高非均质性。
第二章煤层气的物质组成、性质和利用❤1、煤层气有两种基本成因类型：生物成因和热成因。
生物成因气：各类微生物经过一系列复杂作用过程导致有机质发生降解而形成的。
热成因气：指随着煤化作用的进行，伴随温度升高、煤分子结构与成分的变化而形成的烃类气体。
2、生物成因气阶段：①早期生物气（泥炭~褐煤阶段，Ro,max<0.5%）②热解型煤层气（褐煤~瘦煤阶段，Ro,max0.5~2.0%）以含氧官能团的断裂为主③裂解型煤层气（瘦煤~二号无烟煤，2.0%<Ro,max<3.7%）主要以裂解的方式及芳香核缩合为主④次生生物成因煤层气（褐煤~焦煤，0.3%<Ro,max<1.5%）3、在含煤盆地中，次生生物作用活跃并影响气体成分的深度间隔称作蚀变带，一般位于盆地边沿或中浅部；不发生蚀变的气体一般位于盆地深部，称为原始气带。
【管理资料】煤层气地质学课件分解汇编
成藏模式及开采特征
开采效果
煤层气的产出是一个“排水－降压－解吸－扩散－渗流”的 过程。有效应力效应、基质收缩效应和克林肯伯格效应三种 效应共同作用决定了煤储层渗透率的动态变化过程，而这一 过程对煤层气井的开发效果有直接的影响。根据渗透率及产 气量可以将煤层气的开采效果分为三类：
等维递补灰色－时序组合模型
利用该组合模型，采 用等维递补技术对该 井未来4年的发展趋势 进行预测，如图所示。 从图中可以看出，该 井煤层气排采在近期 一二年内会出现持续 上升的阶段，当达到 一定排采上限后总体 呈一种平稳下降的趋 势。
排采动态分析预测
黄学锋(2004)采用数值模拟方法，从煤层气的流动机理入手，利用Langmuir等 温吸附方程描述煤层气从煤表面的解吸过程，用Fick定律描述煤层气在煤基质 和微孔隙中的扩散，综合考虑了煤层气的解吸、扩散和渗流3个过程，建立了 煤层气储层数学模型，推导数值模型并进行了模拟计算，对气井排采动态进行 分析预测； 傅雪海（2004）选择目前我国某煤层气具体井，从含气饱和度、临界解吸压 力、渗透率、水文地质条件等地质背景出发，结合套压、井底压力、产气量、 排水量等排采参数，剖析影响煤层气产能的主控因素，寻求煤层气稳定、连 续、平衡开发的排采参数配置； 倪小明（2009）根据恩村井田勘探、试井、压裂、排采阶段的资料，对煤层 气开发区块内煤储层原始渗透率、含气性、水平最小与最大主应力、煤层气井 平均日产水量等进行了系统分析；利用模拟软件模拟比较了在其它地质参数不 变的情况下，仅改变某一参数引起的产能差异性。
煤层气地质学
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强磁导引连通技术
v
强磁导引连通技术
主井眼
煤岩地应力、渗透率与割理系统关系
煤层实时跟踪与井眼轨迹控制技术
36
煤层气井排采技术取得重要认识
煤岩强应力敏感特性使其在强抽排条件下引起渗透性下降
渗透率（10-3μm2）
500
美国产量数据 中国产量预测 中国历年瓦斯抽放量
产量（亿立方米）
400 300 200 100 0 1980 1990 2000
2010 年份
2020
2030
截至2007年底，已登记煤层气勘探区块100个（探矿权98个，采矿 权2个），总面积6.5万平方千米 2007年全国煤层气地面产能超过10亿立方米，产量5亿立方米。煤 层气开发的企业主要有中联煤、中石油、中石化、晋煤集团等，集 中在山西沁水盆地南部和辽宁省
煤层气利用新领域 煤层气汽车
压缩煤层气 煤层气液化 通风瓦斯利用 低浓度瓦斯利用
瓦斯液化工厂
三、国内外煤层气开发现状与前景
由于洁净能源、煤矿安全、环境保护等多重效益，自 20世纪70年代以来，煤层气日益受到各个国家的重视。 美国是世界上最早、也是目前唯一实现煤层气工业性 开发的国家。 在美国先例的带动下，中国、加拿大、澳大利亚、英 国、俄罗斯等30余个国家先后进行煤层气开发试验。但均 未进入工业性开发阶段。 中国是开发试验工作较多、并取得一定进展的国家。
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我国煤层气与常规天然气资源量比较
■中东部煤层气资源巨大，可缓解发达区能源紧张状况
煤层气
74.6％资源
常规天然气
66％资源 75％探明储量
约23.4万亿方
分布在中东部
53％产量
分布在中西部
025071班
《煤及煤层气地质学》
（煤层气部分）
吴立群
资源学院煤工系
一、中国煤层气分带
煤层气资源丰富
5大煤层气聚集区、
45个聚煤盆地、119个 勘探目标，煤层气勘探 区总面积41.5万km2， 2000m以浅总资源量 36.81万亿m3 ，可采资 源量约10.9万亿m3（新 一轮国土资源大调查）
●
单井和井组获得工业性气流
华北石油地质局在河东煤田柳林施工的 7口煤层气井，是我国第一个煤层气井网，单 井最高日产量为7050m3/d（煤柳5井） 1999年初由中联公司在潘庄地区施工的 TL-007井日产量达16303m3，是我国第一突破 日产15000m3的高产煤层气井
●
建成煤层气井组12个
1、鄂尔多斯盆地 面积：37万平方公里 资源量：10万亿立方米 煤层：C-P，T-J 构造：相对稳定 煤层埋深：1000米左右
韩城地区
位于陕西省渭南市境内，可供煤层气勘探 开采的区块面积约4350平方公里，1500米 以浅面积1850平方公里，其地质资源量约
2200亿立方米
收集煤炭钻孔400余口，完成二维地震703 公里，完成35口煤层气井
3500m3，产气16.0×104m3，最高日产量达
9428m3/d，在正常排采情况下，日产气量可稳定 在6000～7900m3 。
现已建成37口煤层气生产井网和配套的集气
、售气设施。
3、准噶尔盆地
面积：15万平方公里
资源量：3.8万亿立方米
煤层：T-J， 构造：相对稳定
煤层埋深：1000米左右
31
煤层气是最现实的接替能源
我国煤层气(煤矿瓦斯)利用进展缓慢。2005年，全国利 用量约10亿立方米。煤矿瓦斯利用主要集中在抽采量高的国 有重点矿区。地面钻井抽采利用，主要集中在山西沁水枣园 井组、辽宁阜新刘家井组、晋城潘庄、山西沁南潘河项目等， 采取管汇车运输销售，供周边地区使用。 目前，煤层气主要用于民用和工业用燃料、发电、汽车 燃料、生产炭黑等。其中，瓦斯发电发展较快，至2005 年底， 全国瓦斯发电装机容量约20 万千瓦。生产瓦斯燃气发电机组 的国内主要生产厂家有：山东胜利油田动力机械设备厂、济 南柴油机厂、江苏南通宝驹集团等。工业瓦斯锅炉的国内生 产厂家有：广东迪森、上海新业、青岛四方、太原绿威等。
煤层气 工业的发
煤层气工业
经改造的钻井和完井工艺技术 改进的增产强化措施 新的生产操作方法 特殊的气藏模型
展与国家
能源安全 和可持续
发展战略
息息相关
煤炭工业
安全方面的原因 - 通风 - 井下水平钻孔抽放 - 采动区井抽放
适应于煤层的新技术Fra bibliotek常规天然气工业
绕过煤层进入深部气藏
曲解了煤层产气的机理
行商业性煤层气生产。
美国粉河盆地褐煤煤层气开发
PRB 历年煤层气井数量
18000 16000 14000 12000
关井 生产井
井数
10000 8000 6000 4000 2000 0
1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 时间（年代）
钻井数（口）
796
270 5 10 10 7 18 29 18 17 39 28 23 20 14 10 59
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 年份（年）
缓慢的初始解吸和相对渗透率效应产生“负的气 下降曲线”。在经过几月或几年的排水（降压）后， 气产量增加。这一脱水期延长了项目投资回收期。
常规储层
气体充填孔隙
砂颗粒
气 产 量
常规天然气
回收期
生产时间
煤层
端割理
气 产 量
含微孔隙的煤基质块
煤层气
回收期
生产时间
© ×Ô Á £ 1012m3£ Ê´ ¿ ¨
煤层气开发技术
煤层气成藏模拟技术
快速解吸技术
绳索式取心技术
成藏物理模拟技术，发明专 利，200410074732.1
含气量测定实验由60天 缩短为2天
1000m 井深从井底割心到 地面装罐仅用7分钟
32
应用空气钻井技术，有效缩短钻井周期
优 势
车载顶驱空气钻机：T685
空气钻井改造的轻型2000型钻机
欠平衡钻井技术有效保护煤储层
钻井流体液柱压力低于地层孔隙压力，有利于保护煤层； 大幅度地提高机械钻速，避免钻井液漏失和粘附卡钻事故，降低综合钻井成本。
压风机 增压机 压力表 水平井排气口
1
#
2
#
1
#
2
#
集气管汇
流量计 单流阀
9 5/8”表套× 32.26m 气液两相流 封隔器 458.12-459.5
单位 含煤区 探明面积 （km2） 探明储量 (亿m3) 可采储量 (亿m3) 开发 方式 地 面 开 发 井 下 抽 采
中国石油
中联公司 合计 铁法煤业 阳泉煤业 合计 总计
沁水、韩城
沁水潘庄、枣园
298.06
164.20 462.26
509.47
402.18 911.65 77.30 191.34 268.64 1180.29
2 7/8”油管× 469.22m 490.2-495.2造穴
178mm套管×548.23m
496m以下填砂
35
集成多分支水平井钻井技术，大规模提高产量
多分支水平井单井日产量超过20000m3
煤层识别与跟踪技术（LWD)
Cave well
井眼轨迹设计技术
洞穴连通对接技术
主水平井眼方向 min Kmin max Kmax Cave
中国255口煤层气井按投资主体的分布
“多井低产”是主要特点
截至2008年底，全国煤层气累计钻井2600余口 沁水盆地的煤层气井数约为2000口，占全国总钻井数的80% 直井一般为2000方/日，水平井一般为20000方/日
中国煤层气钻井数增长趋势
1073 1000 800 600 400 200 0
立方米；加拿大
煤层气开发极为 活跃，2007年产
加拿大煤层气产量增长状况
60
年产量（亿立方米）
量60亿立方米；
澳大利亚煤层气 产量也达18亿立
40
20
0 2000 2001 2002 2003 2004 年份 2005 2006 2007
方米
预计2010年产量100亿立方米，其中地面抽采50亿立方米；2020年产量 300亿立方米；2030年产量500亿立方米，与美国现阶段产量相当。
到2003年底，共有煤层气井 16000余口；其中生产井 12150口，关井3960口
由于管理和环境法律的不同，煤层 气井绝大部分分布在怀俄明州
美国煤层气产量增长状况
600
美国煤层气产业
发展迅速，2007 年产量已达540亿
年产量（亿立方米）
500 400 300 200 100 0 1980 1985 1990 年份 1995 2000 2005
● 美国煤层气 ● 中国煤层气
美国1976年打出第一口商业性煤层气井，1981年初步实现煤 层气的工业性生产；1983年煤层气产量为1.7亿立方米，到2002年 建成煤层气井20000余口，煤层气产量达453亿立方米，占全美天 然气供应量的7.8％。20年间煤层气产量增加了265倍。 美国已建立起完善的煤层气工业体系
探明含气面积42平方公里；地质储量51亿
立方米 先导试验井组11口，单井平均日产气量超 过2000方
2、沁水盆地
面积：3.8万平方公里