煤层气成藏机理概论

侯宛宜，张　吉，马志欣

(1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.中国石油长庆油田分公司苏里格气田研究中心，陕西 西安 710018；3.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018)



煤层气成藏机理概论

侯宛宜1，张吉2,3，马志欣2,3

(1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.中国石油长庆油田分公司苏里格气田研究中心，陕西 西安 710018；3.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018)

[摘要]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。煤层气仅仅依靠吸附作用就可以运聚成藏，它不需要天然的圈闭存在。煤层气的含量主要由煤层厚度、煤变质程度、地质构造条件、顶底封闭条件以及水文地质条件等因素决定。

[关键词]煤层气；生物成因；热成因；成藏机理；赋存机制

煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。俗称“瓦斯”，热值是通用煤的2～5倍，1 m3纯煤层气的热值相当于1.13 kg汽油、1.21 kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。

1国外煤层气成藏理论研究进展

全世界最先取得煤层气勘探开发成功的国家是美国。在当前，世界的煤层气勘探技术先进水平主要以美国为代表。

在美国，煤层气的年产量所占比在世界范围内均属较高水平。 1989 年为 26×108m3,2005年为 491×108m3,2006 年达到 540 ×108m3,达到了美国年天然气总产量的 10 % ,成为美国重要的能源资源。从煤层气开采的20世纪 80 年代初到今日 ,美国先后投入 60 余亿美元，用以进行煤层气的勘探和开发,其中煤层气的基础研究工作占约4亿美元。

经探究可知，美国的煤炭研究是在本地中部的几个含有煤矿资源较多的盆地中开展的，根据研究形成了美国著名的分馏煤气产出理论。这一过程分为 “排水 — 降压 — 解吸 — 扩散 —渗流” 五个部分。经过大量数据分析和数据整合探究，美国研究学者根据美国煤炭产煤所在山脉地势分析煤藏的分布，这对其他地点的煤炭勘测也有着积极的意义。通过勘测发现，处于美国落基山脉的煤炭分布极为特殊是以山脉中心煤炭为主体向四周发散形成的多孔导流。此外该处煤层所处地段纬度较高缺乏氧气，且地形复杂十分不利于勘测。20 世纪 90 年代 ,美国又后续提出 “自然形态以及煤炭矿藏”理论以及“复杂地段的煤炭研究”等命题。而后，在一些比较偏僻的地点进行了白垩式的开发，许多试点证明这种方法在一定程度上取得了成功。

与此同时 ,加拿大的煤层气开发也在飞速发展。加拿大根据本国煤岩储层的实际地质条件，从美国引用相关理论和技术,在连续油管压裂、 二氧化碳注入、 水平羽状井等增产技术中重点发展,由此，开始了加拿大煤层气产的高速发展。这一事实进一步证实了美国学者研究煤层气理论的广泛适用性。

澳大利亚近年来在煤层气方面也有着新发现。 澳大利亚的学者针对本国煤岩储层地质条件,以煤储层的渗透率为重点 ,以原地应力为突破口 ,发展了针对低渗透特点的地应力评价理论 ,并通过水平井高压水射流改造技术获得产气突破。

2我国煤层气开发研究进展

我国的煤层气资源具有渗透率低、地应力分布不均、普遍欠压实的特点。相较美国而言，我国含煤盆地的地质构造背景有着自身的特点，要复杂的多，且大多数的煤田都经历了煤层的改造。这些改造来源于不同期次、不同性质构造及其组合、应力-应变，这是我国煤层气复杂的主要原因。

在漫长的地质发展史上，我国形成了以六大聚煤区为主的丰富的煤炭资源。这些煤炭资源为煤层气的形成和储集创造了良好的基础条件。在这样的背景下，我国煤炭资源种类较多，其资源总量即将达到32万亿 m3。我国有关资料显示我国的煤含量资源资料表明：我国的煤矿产生的气体在地下两千米深处，共开发出将近15亿 m3。

从区域上看，含量较多的煤炭资源的分布制约着我国煤炭分馏气体资源的分布。因而我国的煤炭煤气有着富集高产的特征。在我国六大聚煤区中，煤层气资源量主要分布于华北、西北和华南区。我国大部分的煤层气资源分布在西气东输管运沿线，有很大的开发利用前景。

图1　煤层气的成因与煤级的关系 (据Clayton， 1998等)

3煤层气成藏机理

与常规天然气藏相比，煤层气作为非常规气藏的主要类型之一，成藏特征上与其有一定的相似性，同时还存在着明显的区别。形成煤层气的气体主要是生物气与热成熟气，而存在于常规天然气中的原油裂解气则不是煤层气的成因气。在煤层及其邻近围岩之中赋存的一种自生自储式非常规天然气是为煤层气，它的储集层有着低孔低渗的特征。这些气体主要以吸附、游离、以及溶解三种状态赋存在煤层中，其中以吸附状态为主。因为吸附状态的煤层气可以使煤层中的烃类气体较长时间的以得以保存，减少其的散失。煤层气的分布也有着其独特的特点，一般情况下，只要煤层存在，就会有煤层气的分布。

成藏机理则主要包含煤层气的生储、赋存以及成藏三个过程。

3.1煤层气的生成

就生气而言，传统意义上的煤层气，其成因主要为热成因以及生物成因二种类型(见图1)。表1详细说明了生物成因和热成因的主要阶段。而煤层气的干酪根类型则主要表现为 III 型干酪根。其含量多为低氢高氧，官能团则以含多环芳烃及含氧为主，饱和烃较少。这种类型的干酪根不利于生油，但能够成为有力的生气来源。在生烃过程中主要生成 CH4。

煤层气生成阶段镜质体反射率(%)原生生物成因甲烷<0.30早期热成因0.50～0.80最大量湿气生成0.60～0.80强热成因甲烷开始产生0.80～1.00凝析油开始裂解成甲烷1.00～1.35最大量的热成因甲烷生成1.20～2.00大量湿气生成的最后阶段1.80大量热成因甲烷生成的最后阶段3.00次生生物成因甲烷0.30～1.50

3.1.1生物成因煤层气的生成

生物成因的煤层气，则是在较低的温度条件(一般低于50 ℃)下 ,有机质通过细菌的参与或作用 ,在煤层中生成的以甲烷为主的气体。 具体的途径或方式有两种:一是由 CO2还原而成;另一种则是由甲基类发酵(一般为醋酸发酵)而成，即：

CO2+4H2→CH4+2H2O

CH3COOH→CH4+CO2

CO2还原以及甲基类发酵这两种途径一般在近地表环境的浅层煤层中进行。研究表明,大量生物成因气在煤层中生成需要以下有利条件:大量有机质的快速沉积、充裕的孔隙空间、低温 ,以及高pH值的缺氧环境。通过对煤岩的生物气进行模拟实验，35℃～55℃时的生气作用占主导地位 ,为生气高峰阶段 ,55℃～75℃ 时虽也有生物甲烷产生 ,但产气量相对很少(见图2) 。

众所周知，煤矿是由于多年前动物的遗体埋在地下几百年形成的矿产资源。由于生物资源形成在煤炭形成最早期动物的遗体在低温、缺氧、高盐酸、土地有机成分较多，这些条件都可以在氧气的作用下逐渐氧化形成煤矿。另外生物成因煤层气一般可分为原生和次生生物成因 ,它们在生成机理上有许多相似之处 ,但也有所不同 ,导致后期保存和同位素组成上的差异。

原生生物成因煤炭的形成过程：这是由于早期的生物遗体所处环境处于温度较低且空气比较稀薄的地点即埋藏程度比较深。和原生生物接触较多，通过原生生物的无氧呼吸在类似于沼泥的环境中形成了一些较为特殊的炭。早期形成的煤层或者泥炭中有着较多的水资源,这些水分填充了多数煤炭中的空隙，因此，这个阶段除水资源以外的其他资源均无法过多吸附于煤炭石层中，形成的甲烷和二化碳也只能在水中中和，继而在空气中散失。所以一般提及的气田中的生物成因气，多认为其为次生生物成因气。

图2　煤岩在不同温阶下的生物降解产甲烷量

次生生物煤层气是在成煤作用后，构造运动将煤层抬升并剥蚀到近地表,同时，含菌地表水向下渗透灌入煤层 ,在相对低的温度条件下,煤化过程中产生的有机物，例如湿气、正烷烃等，经细菌降解和代谢作用生成次生生物气。这些气体的地球化学组成与原生生物成因气类似 ,主要的差别在于煤(源)岩的热演化成熟度超过原生生物气的生成阶段 ,其Ro值范围很宽 ,一般为 0.30 %～1.50 % ,并且煤层一般被抬升至近地表 ,煤层地温一般不超过75℃，尤其当本地的气温在38℃左右即最适合甲烷的菌种生存的温度时，煤才能最为有效地被分解成各类有机物，继而经过进行无氧呼吸的原生生物转化成二氧化碳，经过还原性氢的作用产生 含有12C的甲烷,这些参与反应的微生物是经过雨水冲刷从岩石缝等处进入的。

图3　澳大利亚悉尼和博文(Bowen)盆地煤层甲烷生成的

M．Ahmed等人根据有机化学和材料化学的相关原理从科学的角度论证了煤气层在次生生物方面的成因，并从煤的衍生产物中提取出芳香烃和脂肪烃，并结合生物化学对生物降解和生物吸收进行了探讨。以水为能量的微生物、植物等主要在含水层内，通过水分的吸收、转化和分解完成地表输送活动，并发生相应的氧化反应或还原反应，生成二氧化碳，对人体以及环境无污染。随着输送活动的进行，氧气不断进入环境中，并产生还原环境，生成甲烷，具体的反应流程如图3所示。

通过对焦煤样品进行气体环境输送模拟实验，我们可以了解到，尽管煤能源的来源历史悠久，且演化程度较高，但在地表中通过长期的风化、侵蚀、堆积、搬运等物理变化以及相应的化学反应，通过100℃以上的地温作用不断产生生物气(如图2所示)。众所周知，煤层适应生产和利用的生存环境主要位于浅地质层，这一地壳的环境适合微生物、厌氧菌的活动，可以避免氧气和相关活性气体的干扰而长期储存，生物气才得以滞留。因此，煤层的埋藏要防止强烈的氧化还原反应或复杂的化学分解，保证次生生物向甲烷等气体作用并长期存在的前提是：土壤中有适合煤层存在的厌氧环境，煤层由褐色向高煤级转化；边缘的水渗透到煤层中不至因为活性气体的存在而引发干扰性反应；细菌类物质的运动要以益生菌、活性菌为主，高蛋白、高脂肪、高氧化能力的菌类因生存环境的需要而自动被阻挡到煤层的外侧边缘。

3.1.2热成因煤层气的生成

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(图4)。

图4　不同温度下煤成气的产出率(据 Hunt，1979)

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。

3.2煤层气的储集

煤岩是由植物一体转变成的有机岩石，由于植物原始细胞结构的差异及保存完整程度的差异，使得煤基岩块中孔隙类型、大小和结构也不尽相同。

通常认为煤层中孔隙包含基质孔隙和裂缝孔隙两种结构。前者以物理性结构为主，如原生孔隙中的显微组、植物结构、菌类孔隙、热分子孔隙等；后者以次生孔隙为主，分化在不同孔隙内，形成一个稳定的裂缝，不同煤层分子裂缝的粒径不同，分子量也不同，但都是分布于大分子孔隙内部的。由于裂缝通常较小，常小于煤层总孔隙体积的 5%，因而总孔隙度主要由基质孔隙提供。随着煤化作用和热分解作用程度的增加，原生孔隙和此生孔隙都发生较大变化，孔隙的粒径整体呈现变小，并出现大量的微型孔隙，造成中—孔隙的表面积与容积呈现负相关关系(对外经济贸易大学张新民等，1991)。低级煤层的压实作用降低，孔隙变化较大，稳定性受到影响。

对于储存层和运输层来说，首先是吸收游离气，然后再是储存，并正向运输，这也是由于液态水质的物理属性决定的。如压容量保持不变，稳压恒定，游离气储存量大大增加，煤储层对热媒气体的储存潜能与原始气(水)饱和度或水质层空间的储水能力有关。

由于煤层气主要以吸附状态储存于煤的孔隙中 ,其孔比表面和孔体积的数据可以大体反映煤的吸附性能及煤储集层的储集性能。但煤储集层储存能力还与煤层气的保存条件有很大关系 ,即吸附能力很强的煤含气量不一定很高。尽管煤层的基质孔隙直径较小，但连通性较好，且煤的比表面积较大，对气体具有较强的吸附能力。

煤吸附能力的大小 ,取决于孔比表面积和吸附热的高低 ,比表面积越大 ,吸附热越高,煤的吸附能力就越强 。孔比表面积的大小 ,又与孔径结构密切相关 ,在总孔容相同的条件下 ,较小孔径孔隙的孔容比越大 ,孔比表面积就会越大(秦勇，1994)。

3.3煤层气的赋存与运聚成藏

通常煤层气主要以吸附、游离和溶解三种形式赋存在煤层的双孔隙系统中：割理系统和孔隙系统。割理孔隙度较小，且被水充满，溶解态和游离态的气体较少，主要以吸附态存在与煤煤的基质中，所以煤层的吸附性决定了煤层的富集煤层气的能力。

在地层条件下，吸附、游离和溶解的气体处于动态平衡过程中，其中以吸附方式为主，大量的气体被吸附在煤层的孔隙中，而吸附的气体量要远远大于煤层本身的孔隙体积。根据气体的分子直径，低于2 nm 的微孔和亚微孔对气体的吸附能力最强，超过 50 nm 的大孔中主要赋存着游离气。但煤对气体的解吸和吸附属于相反的热力性吸收，虽然煤层吸附气体过程为等温过程，但是由于受到吸附环境变动的影响，煤层气的储存空间和储存含量都有着诸多的不确定性，尤其是煤层气的保存方面，很容易受到水质溶解的关系而改变煤层气的储存情况。

不同类型的地质构造，在其产生、演变、发展、形成的过程中都是构造应力场和力学影响的一个综合过程，由于内外应力的差及应力分布区域的不同，导致了储煤层和封煤层在地表储存和裂隙发育过程中出现差异并长期稳定形成，影响到深层地下水、地热层、地下裂隙的含气量。

煤层气在长期储存的过程中是否能稳定存在，还要依赖于地壳相同深度的内部应力强度，这主要与煤层埋藏的深度有关，覆地性越强，应力作用越明显，化学性质越稳定，不会随地表运动和温度的变化而分解，也不会出现孔隙的明显变化。一般情况下，煤层气的热量在运送过程中会逐步分解，并出现更小孔隙的岩层，根据不同的透气性、喉道性和延伸性，可以分析不同深度不同煤层的压力，以便于合理采取措施进行煤层气的长期储存，如降低温度、提高外部应力等。

断层是地壳运动过程中的正常表现，由于地层断裂带的出现，煤层不断被破坏，连续性和完整性都受到不同程度的影响，无论你是内部环境还是外力基础都受到很大的环境因素作用。然而断层的出现也是必然的，不同的断层带由于性质不同，挤压程度也不同，因此煤层气的保存释放程度也截然不同，导致不同煤层气种类的产生，可以更好地适应环境的变化而储存，如高原地带、丘陵地带、山区等适合哪种煤层气的燃烧，可以据此运送高质量的煤层气。断层包括正断层和逆断层，一般来说，正断层比较普遍，属于开放型，封闭性较差，有利于气体的逸散，而逆断层属于压性或压扭性，具有良好的封闭性。

由于褶皱运动，煤层随着周围应力和压强的变化形成直层或弯曲层，通过相关的外力作用形成褶皱或变形，对于褶皱，主要是在板块交界地带或地壳比较活跃的地带比较明显，这些地方的煤层气含量较高，储存容易。

总的来说，煤层气主要通过吸附作用将气体释放并储存起来，用于工业生产或生活需要。将天然气聚合到一起，作用往往是很大的，可以形成溶解气、裂变物质等，以吸附作用为主，以聚合为辅助功能，在煤层气密度较高的地带形成一定浓度的游离气，有助于煤层气圈的开阔和增强。总的来说，煤层气可以受地势和环境的作用而出现不同的聚集反应。聚集不同，形成的盖层条件也不同，无论是高部位还是低部位，都可以形成气藏。

4结语

通过本文对煤层气成藏机理分析可知，煤层气的形成和储存及运送主要包括三个固定的流程，就煤层气的生成机理而言，传统的煤层气成因主要包含热成因、生物成因二种类型。对于煤层气储集而言，其孔比表面和孔体积的数据可以大体反映煤的吸附性能及煤储集层的储集性能。而煤层气的赋存则主要以吸附方式为主，在地层条件下，吸附、游离和溶解的气体处于动态平衡过程。

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The Occurrence and Accumulation of the Coal-bed Methane

HOU Wan-yi1，ZHANGJi2，3，MA Zhi-xin2，3

(1.Xi’an Shiyou University, Xi′an 710018, Shaanxi , China；2. Research Center of Sulige Gasfield , PetroChina Changqing Oilfield Company , Xi′an 710018, Shaanxi ,China；3.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil & Gas Fields, Xi′an710018, Shaanxi)

Abstract:Coal bed methane is a combustible nature gas, which has great potential in development all over the world. It is a clean, convenient and effective gas which absorb in coal bed. And as a unconventional gas, it has great difference with conventional gas, mainly in the occurrence and accumulation and of cause the way to develop it. The research shows that the main occurrence of the coal bed methane is biogenetic and thermogenic, the thermogenic takes the most important place. As for accumulation, it has adsorption, ionization and dissolution, and the most important part is adsorption. The coal bed methane is mainly store in coal matrix pore. And it could have entire migration and accumulation system just by adsorption, an entrapment may not be needed in this progress. The content of coal bed methane is basically decided by a series of factors such as the thickness of coal seam, the degree of coal metamorphism, the geological structure condition, the closed condition and the hydrogeological condition.

Key words:Coal-bed methane；bio-genesis；thermo-genesis；occurrence mechanism；accumulation mechanism

[中图分类号]P618.11

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)02-0231-04

[作者简介]侯宛宜(1991-)，女，山东寿光人，在读硕士研究生，主攻方向：石油地质。

[收稿日期]2016-01-08