【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 抽出率達(dá)40％～70％。 煤層氣開(kāi)發(fā)推動(dòng)了煤層氣利用市場(chǎng)的發(fā)展。煤層氣是優(yōu)質(zhì)潔凈燃料，甲烷濃度達(dá)90％以上，熱值與天然氣相當(dāng)。美國(guó)有完善的天然氣管道系統(tǒng)，生產(chǎn)的煤層氣直接進(jìn)入天然氣管道進(jìn)行銷(xiāo)售。波蘭雷布尼克礦區(qū)也已建立管道系統(tǒng)，連接9座煤礦。近年來(lái)，煤層氣發(fā)電發(fā)展很快。英國(guó)有8座煤礦安裝了煤層氣發(fā)電機(jī)組，其中哈畢斯煤礦的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠裝機(jī)容量為15MW；澳大利亞BHP公司在阿平和陶爾煤礦一共安裝了94臺(tái)煤層氣發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)發(fā)電能力為1000kw；德國(guó)胡戈煤礦安裝的煤層氣發(fā)電機(jī)組功率為6500kw，年發(fā)電量為4800kwh。煤層氣在其它應(yīng)用領(lǐng)域的研究試驗(yàn)也已取得新進(jìn)展，包括將煤層氣加壓液化作為汽車(chē)燃料，或用于生產(chǎn)合成氨、甲醛和碳黑等。 第二章 煤層氣的一般地質(zhì)特征 煤層氣是指儲(chǔ)集在煤層中的天然氣，也稱(chēng)煤層吸附氣、煤層甲烷或煤層瓦斯。它是成煤母質(zhì)在煤化作用過(guò)程中形成的。煤層氣與常規(guī)天然氣不同。煤層既是生氣層，又是儲(chǔ)氣層。生成的甲烷，除一部分運(yùn)移出煤層聚集成煤成氣藏之外，大部分殘留在煤層中，并儲(chǔ)集在煤層的孔隙、裂隙內(nèi)或吸附于煤層的表面上。煤層中的甲烷，只有少量以游離狀態(tài)存在，大部分以單分子層吸附于煤層的內(nèi)表面上。單位質(zhì)量的煤的表面積非常大。據(jù)估算，每噸煤的表面積為929105m2以上，而且在單分子層中甲烷分子的堆積十分密集。因此，煤層中存在著大量的甲烷。 第一節(jié) 煤層氣的成因與儲(chǔ)集產(chǎn)出特征 一、煤層氣的成因圖21 煤層氣的生成過(guò)程煤巖學(xué)中將成煤的原始物質(zhì)分為兩類(lèi)，即高等植物在成煤過(guò)程中形成的腐殖質(zhì)和低等植物在成煤過(guò)程中形成的腐泥質(zhì)；前者形成腐殖煤，后者形成腐泥煤。高等植物在成煤過(guò)程中要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的化學(xué)作用和熱演化作用過(guò)程，即所謂的煤化作用過(guò)程。煤層氣是一種有機(jī)成因的天然氣，是在煤化作用過(guò)程中形成的，其形成過(guò)程與煤同步，而且貫穿于成煤的全過(guò)程（圖2－l）。根據(jù)氣體生成作用的不同，煤層氣的生成可分為生物成因和熱成因兩種。1．生物成因 生物氣主要包括甲烷和二氧化碳，它是有機(jī)質(zhì)在微生物作用下分解形成的，一般產(chǎn)生于泥炭沼澤環(huán)境。有機(jī)質(zhì)分解生成甲烷的過(guò)程，是由種類(lèi)繁多的微生物經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的作用過(guò)程完成的，其中的每個(gè)過(guò)程都會(huì)造成有機(jī)質(zhì)的部分氧化。產(chǎn)甲烷的微生物只有在有機(jī)質(zhì)缺氧分解的最后階段才會(huì)起作用，而且它還依賴(lài)于能將復(fù)雜的有機(jī)化合物轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的甲烷母體的其他細(xì)菌。 大量生物氣的生成，必須具備以下條件：①缺氧環(huán)境；②低的硫酸鹽濃度；③低溫；④豐富的有機(jī)質(zhì)；⑤高PH值；③充足的孔隙空間；⑤快速的沉積。如果能夠滿(mǎn)足這些條件，則經(jīng)過(guò)數(shù)萬(wàn)年的演變，就可以生成大量的生物甲烷。 生物氣的形成有兩種途徑：一是經(jīng)過(guò)二氧化碳還原，二是通過(guò)甲基型物質(zhì)發(fā)酵。大多數(shù)物質(zhì)通過(guò)二氧化碳還原都具有生成甲烷的能力。二氧化碳可以來(lái)自早期的細(xì)菌作用和有機(jī)質(zhì)的熱脫羧作用。發(fā)酵作用是少數(shù)幾種細(xì)菌通過(guò)幾種作用物（通常是醋酸纖維素）的脫羧作用產(chǎn)生的。在作用過(guò)程中，甲基轉(zhuǎn)化為甲烷，羧基則轉(zhuǎn)化為二氧化碳。 盡管這兩種作用在近地表現(xiàn)代沉積環(huán)境中均能發(fā)揮作用，然而根據(jù)化學(xué)和同位素組分分析發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)古代生物氣都是通過(guò)二氧化碳還原產(chǎn)生的。據(jù)研究，生物氣的生成以哪種途徑為主，取決于沉積有機(jī)質(zhì)的埋深和年代。當(dāng)埋藏時(shí)間短、埋深較淺時(shí)，這兩種反應(yīng)過(guò)程都可能會(huì)發(fā)生，只是早期形成的氣體可能會(huì)逸散到大氣中；如果埋藏較深，則甲烷的生成主要靠二氧化碳還原，并能被較好地保存下來(lái)。 生物氣的產(chǎn)生可分為早期和晚期兩個(gè)階段。早期的生物氣形成于低階煤（泥煤階至亞煙煤階，RO＜05％），大部分古生物氣可能都是在這一時(shí)期形成的。晚期的生物氣形成于近代（數(shù)十萬(wàn)年至幾百萬(wàn)年以前），其形成與活躍的地下水系有關(guān)。煤層一般是區(qū)域含水層，為細(xì)菌的活動(dòng)和甲烷的生成，提供了有利的環(huán)境。只要條件具備，晚期生物氣可在任何煤階生成。含水層中最初的微生物作用是需氧的氧化作用，這一作用過(guò)程為后來(lái)的厭氧菌群提供了營(yíng)養(yǎng)源。因此，后期生物甲烷的生成主要是還原其前期氧化作用階段生成的二氧化碳的結(jié)果。生物氣的生氣量較之熱成因氣要小得多，一般為煤層總生氣量的10％左右。2．熱成因 隨著地層埋深的加大，地溫梯度升高，煤層溫度不斷上升，壓力不斷增大，煤化作用增強(qiáng)，大量富氫的揮發(fā)性物質(zhì)和氧被釋放，有機(jī)質(zhì)在深成熱解作用下，形成熱成因甲烷（同時(shí)還包括二氧化碳、氮和水）（圖2－2）。氣體開(kāi)始形成時(shí)的溫度大致相當(dāng)于高揮發(fā)性C級(jí)煙煤階段（RO =0. 5％～0. 77％）。當(dāng)溫度達(dá)到 100～150OC左右時(shí)（RO = l. 0％～2. 0％），生氣量達(dá)到高峰，約為褐煤至無(wú)煙煤總生氣量的70％。 二、煤層氣的儲(chǔ)集產(chǎn)出特征煤層與常規(guī)油氣層有所不同。煤層既是生氣層，又是儲(chǔ)集層。煤層氣以吸附狀態(tài)儲(chǔ)集于圖22 煤化過(guò)程中生成的甲烷氣煤層中，少量以游離狀態(tài)存在于煤的裂隙中。煤層氣產(chǎn)出是煤層降壓、氣體解吸、擴(kuò)散和流動(dòng)等因素的綜合結(jié)果。1．煤層氣的儲(chǔ)集特征 （l）煤的孔隙結(jié)構(gòu) 煤是一種固態(tài)膠質(zhì)體，其孔隙結(jié)構(gòu)包括基質(zhì)孔隙和裂隙孔隙兩部分。 基質(zhì)孔隙 所謂基質(zhì)孔隙，指的是煤的原生孔隙，它是煤層氣的主要儲(chǔ)集空間。根據(jù)巖心分析得到的煤平均孔隙度是基質(zhì)孔隙度。其數(shù)值，除低煤階煤以外，一般均小于10％，中低揮發(fā)性煙煤的孔隙度只有6％或更少。 按照煤層氣工業(yè)的習(xí)慣，煤的基質(zhì)孔隙分為大、中、小三類(lèi)： 大孔 5102μm 中孔 5102—102μm 微孔 102μm 對(duì)煤的孔隙喉道大小的研究表明，孔隙容積主要與中孔有關(guān)，而孔隙的表面積主要與微孔有關(guān)。102μm的微孔占有很大的比例。由于煤層中甲烷儲(chǔ)集的主要機(jī)理是吸附在孔隙的表面，因此，煤層中大部分氣體儲(chǔ)集在微孔隙中，并在壓力作用下呈吸附狀態(tài)。 基質(zhì)孔隙的發(fā)育直接受煤化程度的影響。隨著變質(zhì)程度的加深，微孔隙（102～102μm的孔隙）所占比例不斷增加，而大于3102μm的大孔隙不斷減少。圖24 煤層氣儲(chǔ)存和流動(dòng)的孔隙系統(tǒng)圖23 圣胡安盆地煤層中的割理系統(tǒng)裂隙孔隙 裂隙孔隙是指煤層中的裂縫，按其成因分為兩大類(lèi)，即內(nèi)生裂隙和外生裂隙。圖2－3是一煤樣示意圖。不難看出，煤樣中有許許多多的裂隙存在，它們將煤體切割成許多塊體，如果作一刻面，則如圖2－4所示。 煤中的裂隙，國(guó)外采礦業(yè)一般稱(chēng)為割理。割理的形成是煤化作用的結(jié)果（內(nèi)生裂隙），局部也可由構(gòu)造力引起（外生裂隙）。割理的間距從幾毫米到幾厘米不等，通常發(fā)育為近乎垂直的兩組。占優(yōu)勢(shì)的一組稱(chēng)為面割理，可以延伸很遠(yuǎn)，甚至達(dá)幾百米。另一組稱(chēng)為端割理，它只發(fā)育于兩條面割理之間。兩組割理與層理面正交或陡角相交，將煤體分割成一個(gè)個(gè)斜方形的基巖塊體。據(jù)研究，面割理在褶皺軸呈直角拐彎的地方最為發(fā)育。以煤階而論，焦煤的內(nèi)生裂隙最發(fā)育，在5cm內(nèi)面割理就有30～40條。 由局部構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生的裂隙稱(chēng)為外生裂隙。外生裂隙以各種角度與層理面相交，發(fā)育不規(guī)則，數(shù)量較少。 煤的孔隙性質(zhì)和數(shù)量的變化是煤吸附能力強(qiáng)弱的主導(dǎo)因素。資料表明，大孔隙隨變質(zhì)程度增加而減少，微孔隙隨變質(zhì)程度加深而增加。成煤初期，煤結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率大，褐煤吸附能力較大。在變質(zhì)作用初期，由于壓力的作用，煤的孔隙率減小，長(zhǎng)焰煤吸附能力下降。隨著變質(zhì)作用的加深，在高溫高壓作用下，煤體內(nèi)部生成許多微孔隙，使吸附表面積增加，到無(wú)煙煤階段達(dá)到最大值。無(wú)煙煤階段之后，由于強(qiáng)大的靜壓作用，微孔隙收縮減少，到石墨階段為零，吸附能力完全消失。 （2）煤的滲透性 煤的滲透性是影響甲烷分子在孔隙裂隙中滲流過(guò)程的重要因素。煤的滲透性用滲透率來(lái)表示，它包括絕對(duì)滲透率和相對(duì)滲透率。煤的滲透率通常小于1103μm2。延伸較長(zhǎng)的面割理具有較高的滲透性，常比端割理方向的滲透率高幾倍。另外，煤的滲透率隨壓力或深度的增加而減少。美國(guó)利用對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖成功地繪制出滲透率與深度的關(guān)系，證實(shí)滲透率值隨深度的增加而顯著降低。圖25是美國(guó)皮申斯盆地、圣胡安盆地和黑勇士盆地煤層滲透率與深度的關(guān)系圖。由于圣胡安盆地的煤層淺，故其大部分地區(qū)的滲透率高出皮申斯盆地至少1103μm2。而皮申斯盆地的煤層埋深較大，在超過(guò) 1500m的大部分地區(qū)，滲透率小于 103μm2。 圖25 煤層滲透率與深度的關(guān)系 煤脫水時(shí)孔隙壓力下降，使煤的孔隙度、滲透率、壓縮性有明顯的下降。原始水飽和度很高的煤層，脫水時(shí)應(yīng)力急劇上升，滲透率下降。實(shí)驗(yàn)室樣品分析表明，有效應(yīng)力增加到大約13800kPa時(shí)，將使?jié)B透率下降 1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。預(yù)計(jì)深煤層甲烷井開(kāi)采時(shí)的壓力降可達(dá)到這樣的程度。通過(guò)對(duì)煤樣的多次加壓、卸壓的周期性試驗(yàn)，測(cè)定了其在不同壓力下的滲透率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加壓可使?jié)B透率降低；卸壓時(shí)，滲透率只能得到一定程度的恢復(fù)，造成了滲透率損失。這種現(xiàn)象稱(chēng)滲透率滯后現(xiàn)象。鉆井過(guò)程可使煤層發(fā)生這種現(xiàn)象。如在欠平衡鉆井時(shí)就會(huì)引起滲透率下降。如果用過(guò)平衡鉆井，則會(huì)加劇鉆井液對(duì)煤層的侵害。這說(shuō)明煤層不同于常規(guī)儲(chǔ)集層，其滲透性強(qiáng)烈地取決于孔隙流體壓力的變化。壓裂時(shí)煤層壓縮，壓裂液滲入割理構(gòu)造而不能有效地產(chǎn)生新的裂縫。由于煤層存在滲透性滯后現(xiàn)象，故測(cè)試時(shí)用注入測(cè)試法求得的表皮因子比壓降法求得的表皮因子更合理些。這些現(xiàn)象表明，煤層受應(yīng)力影響而產(chǎn)生的滲透性滯后現(xiàn)象有著廣泛的影響。 在飽含水的煤層中開(kāi)采甲烷，所處的環(huán)境是氣、水兩相流動(dòng)狀態(tài)，氣、水產(chǎn)量會(huì)受到相對(duì)滲透率的影響。煤層甲烷氣井，必須首先進(jìn)行排水，降低含水飽和度，使氣體開(kāi)始流動(dòng)。，比常規(guī)砂巖具有更高的毛細(xì)管壓力，從而使煤層具有很高的束縛水飽和度，同時(shí)也使水的相對(duì)滲透率急劇下降。由于水飽和度總是保持在較高的水平，所以氣的相對(duì)滲透率也處于較低的水平。即使煤層的絕對(duì)滲透率較高，其性質(zhì)也只不過(guò)和致密的砂巖儲(chǔ)層相當(dāng)。這也說(shuō)明，需要對(duì)煤層壓裂才能獲得更好的效益。2．煤層氣的產(chǎn)出特征 為了使吸附在煤表面的甲烷氣進(jìn)入井眼，必須使甲烷分子在煤層中產(chǎn)生流動(dòng)。具體地講，首先必須使其從煤的內(nèi)表面上解吸，然后通過(guò)煤的基質(zhì)和微孔進(jìn)行擴(kuò)散，最后才能穿過(guò)割理系統(tǒng)流動(dòng)。因此，煤層氣的流動(dòng)機(jī)理包括解吸、擴(kuò)散、滲流三個(gè)過(guò)程。 （1）解吸過(guò)程 煤層氣要通過(guò)微孔進(jìn)行擴(kuò)散，首先必須從孔隙表面分離開(kāi)來(lái)，這一過(guò)程稱(chēng)為解吸。甲烷的解吸量受高度非線(xiàn)性解吸等溫線(xiàn)控制。一般說(shuō)來(lái)，地層壓力降至105Pa時(shí)，甲烷才能充分釋放。 （2）擴(kuò)散過(guò)程 甲烷解吸后必須通過(guò)煤基質(zhì)擴(kuò)散。解吸的甲烷分子在煤基質(zhì)微孔隙中擴(kuò)散、流入裂隙的過(guò)程稱(chēng)為擴(kuò)散過(guò)程。擴(kuò)散作用主要受甲烷濃度、擴(kuò)散距離、煤基質(zhì)特征和微孔隙特征等的影響。 甲烷穿過(guò)固體顆粒間的擴(kuò)散是借助自身的濃度梯度實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)榧淄榈臐舛仍诮馕娓浇撸诿旱母罾砻娓浇?，所以，甲烷向濃度低的割理面擴(kuò)散。 甲烷通過(guò)煤基質(zhì)微孔隙擴(kuò)散到割理系統(tǒng)的時(shí)間一般用天（d）表示。據(jù)報(bào)道，所需時(shí)間短至1d，最長(zhǎng)可達(dá)100d以上。美國(guó)通過(guò)煤巖心試驗(yàn)取得的時(shí)間值，最短的是圣胡安盆地，僅為1～5d，而北阿巴拉契亞盆地長(zhǎng)達(dá)100d。 （3）滲流過(guò)程 甲烷分子通過(guò)擴(kuò)散作用到達(dá)割理系統(tǒng)再流至井底的過(guò)程稱(chēng)為滲流過(guò)程。甲烷和水一起按達(dá)西定律與煤的有效相對(duì)滲透率流動(dòng)。影響滲透率的重要因素是煤層裂隙孔隙系統(tǒng)的滲透性。通過(guò)以上分析可以看出，煤層氣是經(jīng)過(guò)解吸、擴(kuò)散后通過(guò)自然裂縫網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)而到達(dá)井底的（圖2－6）。也就是說(shuō)，煤層氣的產(chǎn)出存在三個(gè)階段：第一階段，隨著井筒壓力下降，首先只有水產(chǎn)出。這時(shí)，因?yàn)閴毫ο陆档帽容^少，只有單相流動(dòng)。第二階段，壓力進(jìn)一步下降，有一定數(shù)量的甲烷從煤的表面解吸，形成氣泡，阻礙水的流動(dòng)，水的相對(duì)滲透率下降。但氣不能流動(dòng)，無(wú)論在基質(zhì)孔隙中還是在割理中，氣泡都是孤立的，沒(méi)有相互連接。這一階段叫做非飽和單相流階段。雖然出現(xiàn)氣、水兩相，但只有水相可以流動(dòng)。第三階段，儲(chǔ)層壓力進(jìn)一步下降，水中含氣量已達(dá)到飽和，氣泡互相連接，形成連續(xù)的流線(xiàn)，氣的相對(duì)滲透率大于零，氣體不斷解吸，形成氣—水兩相流動(dòng)階段（圖2－7）。圖27 煤層甲烷產(chǎn)出的三個(gè)階段 圖26 煤層甲烷氣遷移過(guò)程這三個(gè)階段是連續(xù)的過(guò)程，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，它們由井眼沿徑向逐漸向四周的煤層中推進(jìn)。這也是一個(gè)遞進(jìn)過(guò)程。如果脫水降壓時(shí)間越長(zhǎng)，受影響的面積就越大，甲烷解吸和排放的面積也就越來(lái)越大。煤層中甲烷的產(chǎn)量逐年增加，通常在3～5a內(nèi)產(chǎn)量達(dá)到最高，然后逐漸下降，且持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，開(kāi)采期可達(dá)10～20a不等，甚至有開(kāi)采30a以上仍在產(chǎn)氣的井。 第二節(jié) 煤層氣的賦存形式及含氣量 煤層中的甲烷大部分（70％～95％）呈吸附狀態(tài)保存在煤的基質(zhì)孔隙內(nèi)表面上。甲烷在煤層中的儲(chǔ)集依賴(lài)于吸附作用，而不是依賴(lài)于是否有儲(chǔ)集氣體的圈閉存在，因而與常規(guī)砂巖中的天然氣儲(chǔ)集有本質(zhì)的區(qū)別。除了風(fēng)化帶，煤層中都會(huì)含有相當(dāng)數(shù)量的天然氣，因而含煤地區(qū)都應(yīng)列入必須加以研究和評(píng)價(jià)的范圍。 一、煤層氣的賦存狀態(tài) 煤層氣的賦存狀態(tài)有三種基本形式：游離狀態(tài)、吸附狀態(tài)和溶解狀態(tài)；但以吸附狀態(tài)為主，約占總量的90％。 在游離狀態(tài)下，煤層氣以自由氣體狀態(tài)存在于煤的割理和其他裂隙孔隙中，可以自由運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)移的動(dòng)力是壓力。當(dāng)氣體遷移進(jìn)入裂隙網(wǎng)絡(luò)中呈游離狀態(tài)后，可按常規(guī)氣體研究。游離狀態(tài)的煤層甲烷數(shù)量較少。 在吸附狀態(tài)下，煤的內(nèi)表面上分子的吸引力，一部分指向煤的內(nèi)部，已達(dá)到飽和；另一部分指向空間，沒(méi)有飽和，從而在煤的表面產(chǎn)生吸附場(chǎng)，吸附周?chē)臍怏w分子。這種吸附是一種物理現(xiàn)象，是100％的可逆過(guò)程。在一定條件下，被吸附的氣體分子與煤的內(nèi)表面脫離（解吸），進(jìn)入游離相。 煤中的甲烷還可