煤层气成藏机理及形成地质条件研究进展

煤层气成藏机理及形成地质条件研究进展

刘德锴 谷亚平

中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院 山东省东营市 257000

摘要：随着常规油气资源不能满足能源需求及各国对矿井灾害的重视，煤层气资源勘探、开发及矿井瓦斯抽采被广泛关注。煤层气产业的发展对于优化国家能源结构，保障能源安全，减少温室气体排放和降低矿井瓦斯灾害具有重要意义。基于此，本文对煤层气成藏机理及形成地质条件研究进展进行深入分析，以供参考。

关键词：煤层气;成藏机理;形成地质条件

引言

煤层气是一种天然的可燃气体，在全世界范围内具有巨大的发展潜力。它吸附在煤层中，具有洁净、方便、高效等特点。煤层气作为一种非常规天然气与常规天然气有巨大的差别，主要体现在在成藏机理和开采方式上。研究调查表明，煤层气的成因机制主要有两种类型，分别为生物成因和热成因，其中以热成因为主要因素。而煤层气的赋存机制，则为吸附、游离和溶解三种，其中吸附方式占到了很大的比例。它主要赋存在煤基质孔隙中。

1煤层气成因机理

1.1生物成因机理

生物成因煤层气是在较低温度条件下，煤中有机质经多种微生物共同降解而形成的产物，其形成过程遵循厌氧发酵4个阶段理论。原始煤和泥炭的大分子结构不能被产甲烷菌直接利用，必须先经过水解发酵菌将其降解为单分子和低聚物，然后在不同酸化细菌和产乙酸或产氢菌作用下，生成部分中间产物或直接生成氢气、二氧化碳和乙酸，最后以上产物在产甲烷菌作用下形成甲烷。基于不同的地质演化时期，生物成因气主要包括原生生物煤层气和次生生物煤层气。原生生物煤层气主要形成于煤化作用早期(镜质体反射率，Ｒo＜0．3%或Ｒo＜0．5%)，生气底物通常为未成熟腐植型有机质。次生生物煤层气则是煤化作用后期，在构造作用下煤层抬升，经地表水携带的微生物作用形成，生气底物主要为前期形成的湿气、正烷烃和其他成熟有机化合物。

1.2热成因机

在目前已开采和发现并储存的煤层中已发现热成因比例极高的天然煤层气体，这标志着热煤层气由理论转化为化学变化中，通过生物成因的制约，演变产生高低不一的煤层。由于不同煤层气体压强不同、温度不同、菌类存在的种类也不尽相同，因此煤在地质层逐渐加深的过程中逐渐释放出挥发性的物质，如氢和氧含量较高的碳，在热煤层气形成的过程中主要挥发出以甲烷为主的热解烃类，随着温度和成熟度的不断增加，前期形成的长链烃类和液态烃类发生热裂解，形成CH4，从而使得CH4的总量增加。根据煤的主要元素组成(C－H－O)的变化，可估算出主要热成因气的产率。热成因的煤层气会在煤埋藏过程中持续形成，直到盆地抬升导致煤层出露地表，地层温度下降到一定程度时停止。

2煤层气藏形成地质条件

2.1煤层厚度

煤层厚度不仅影响煤层气生气量，而且对煤层气逸散和保存有重要作用。煤中有机质含量随煤层厚度增加而增多，所以煤层越厚生气量越大。煤层本身也可作为低渗透的致密岩层，厚煤层可以增加煤层气向顶底板扩散的阻力，从而提高煤层的含气性。当构造影响较小时，同煤阶煤层，煤层越厚，含气量越高。煤层厚度受控于沉积过程的构造沉降、水位和植物残体供给速度，通常泥炭堆积速率与可容空间变化率保持平衡时有利于泥炭堆积，从而形成较厚的煤层。

2.2煤岩组成

沉积环境通过控制煤岩组成影响煤层气的生成和储集。煤中显微煤岩组分是形成煤层气的主要物质来源，不同显微煤岩组分生烃潜力存在明显差异，其中高H/C比的壳质组生油能力最强，镜质组和惰质组以生气为主，而惰质组的芳香化程度高，分子结构稳定，含氧官能团和含氢官能团少，不利于甲烷的生成，所以镜质组含量高的煤层生气能力往往较强。镜质组和惰质组的形成受控于沉积环境，沉积过程覆水条件好，处于还原环境，有利于镜质组生成，而覆水条件差，处于氧化环境，有利于惰质组生成。不同显微煤岩组分对煤层气吸附能力也存在显著差异，镜质组对甲烷吸附能力最强，惰质组次之，壳质组最弱，所以镜质组含量高有利于煤层气的储集。矿物质和水的存在不利于甲烷的吸附，这是因为矿物质占据煤的孔隙空间及煤对水的吸附作用都会减少甲烷的吸附位置，从而影响煤层气的含气量。

2.2构造条件

2.2.1构造运动

构造运动控制着煤层埋藏史和生烃史，对煤层气藏形成的控制表现在构造沉降和构造抬升作用对煤层气的生成、赋存及保存的影响。聚煤期后，构造沉降不断增加煤层的上覆岩层厚度，从而增加煤储层的温度和压力，有利于煤层气的生成和吸附;煤层气生成后期，构造抬升作用则使煤岩上覆地层遭到剥蚀，煤层温度和压力降低，促使煤层裂隙发育，从而导致煤层气解吸和逸散。构造抬升距离再次沉降的时间间隔对后期煤层的含气饱和度有重要影响，长期遭受剥蚀的隆起区，由于煤层气不断逸散，煤层气含量不断减小，煤层再次沉降后，将降低煤层含气饱和度。

2.2.2煤层埋深

煤层埋深随构造运动不断发生变化，是影响煤层温度和压力的主要因素。温度和压力是控制煤层气吸附解吸的关键因素，所以煤层埋深对煤层气藏形成的作用体现在影响煤层气的赋存能力。浅部煤层气藏压力对煤层气的吸附起主导作用，而深部煤层气藏温度对煤层气的吸附起主导作用，这是因为煤储层温度和压力随煤层埋深的增加而增大，煤层对甲烷的吸附量随着压力升高而增加，随着温度的升高而降低，因此存在某一临界深度使得压力升高的正效应弱于温度升高的负效应，从而导致煤层的吸附气向游离气转换，减少煤层气的含量。

2.2.3岩浆活动

岩浆活动对煤层气藏形成的控制体现在影响局部煤层的生气、运移和保存条件，与岩浆侵入方式和岩浆侵入体与煤层的距离有关。岩浆侵入会促使邻近侵入岩体的煤层温度迅速升高发生接触变质作用，从而导致局部热成因煤层气大量的生成，煤层距岩浆侵入体越近，生气量越大，煤层含气量越高。大量热解生成的甲烷及岩浆侵入引起煤灰分的增加使得煤层气吸附过饱和，解吸出的游离气从煤基质表面向外产生突破压力，从而形成裂隙，提高煤层的渗透能力。岩浆侵入后冷却过程一方面会使煤层产生大量次生裂隙，增强煤层气运移通道，另一方面冷却形成的岩床或者岩墙的封闭能力强，有利于其控制范围内煤层气的保存。

2.3水文地质条件

水文地质条件对煤层气藏形成的控制体现在影响煤层气的生成、运移和保存。生物成因煤层气所需的微生物菌落主要来自地层水，地层水的矿化度通过影响产甲烷菌的活性控制生物成因煤层气产量。准噶尔盆地南缘地层水补给不足，矿化度高导致生物成因煤层气含量较低，海拉尔盆地和二连盆地，地层水补给迅速，矿化度低，次生生物气含量高。地下水动力场对煤层气的富集起到双重作用。一方面水的流动可以带走煤层中的煤层气，使煤层气流失，不利于煤层气富集，另一方面水动力场也可起到封堵或封闭作用，防止煤层气逸散，有利于煤层气的富集。水力封闭控气作用和水力封堵控气作用是2种典型的水动力保存作用模式，其实质是压力封闭作用。

结束语

综上所述，学者在分析煤层气成藏机理及形成地质条件方面取得了显著成果。笔者结合相关领域研究成果，依次分析煤层气成因机理、煤层气藏形成地质条件，并得出相应结论。

参考文献

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