王紅巖 李景明 李劍 趙群 劉洪林 李貴中 王勃 劉飛
（中國石油勘探開發研究院廊坊分院 河北廊坊 065007）
作者簡介：王紅巖，1971年生，男，江蘇徐州人，高級工程師，博士，長期從事煤層氣等新能源綜合地質研究。地址：河北省廊坊市萬莊44號信箱石油分院，郵編：065007。
國家973計劃項目資助（編號：2002CB211705）。
摘要 高低煤階煤的煤層氣在儲層物性、地層水礦化度、煤的吸附性和成藏過程方面具有較大差別。國內學者普遍認為高煤階煤層由於其演化程度較高，割理不發育，煤層的滲透率極低而低估了勘探前景，以至於形成了煤層氣勘探的“禁區”。我國地質條件和含煤盆地的構造活動要比美國復雜得多，煤層氣的生成和富集有著自身的特點，而且多數煤層在其沈積後經歷了多個期次、多個方向的應力場改造，而且大部分高煤階煤的形成與巖漿熱變質事件有關。我國西北地區低煤階煤的煤層氣資源豐富，資源量占全國資源總量的50%。高低煤階煤的氣體成因、物性特征、水文地質條件、含氣性和成藏過程與低煤階煤和國外高煤階煤明顯不同，高低煤階煤的成藏差異性非常明顯，二者在匹配的條件下有可能形成煤層氣高產富集區，形成煤層氣勘探的有利地區。
關鍵詞 煤層氣 高煤階 低煤階
ComParison on Accumulation Performance of CBM in Different Rank Coal Seams of China
Wang Hongyan，Li Jingming，Li Jian，Zhao Qun
Liu Honglin，Li Guizhong，Wang Bo，Liu Fei
（Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum ExPloration＆Development Langfang 065007）
Abstract：Accumulation performances of CBM are quite different in different rank coal seams such as reservoir physical features，salinity of formation water，absorption of coal and accumulation history of coal.It is generally understood that high rank coal seams are so called forbidden area for CBM exploration because of high metamorphic grade，undeveloped cleats and low permeability.In fact，the exploration prospects of CBM are underestimated.CBM accumulation performance of China has its own features which are much more complicated than that of the U.S.and the main reasons are that most of coal seams of China suffered from historical multiphase and multidirectional transformation of stress after sedimentation，moreover，formation of these coal seams were related to the thermal events of magmatism.There are rich CBMresources in low rank coal seams of northwest parts of China which accounts for 50 percent of total CBM resources of China.The cause of formation of CBM，physical features，hydrogeology conditions，gas contents and accumulation process are quite different between high rank and low rank coals as well as between domestic and overseas.Either high rank coal or low rank coal may form favorable CBM accumulation and prospection area under matching geological conditions.
Keywords：CBM；high rank coal；low rank coal
我國高煤階煤的煤炭資源量巨大，其中煤層氣資源量占中國煤層氣總資源量的30%〔1〕。由於美國煤層氣勘探成功的含煤盆地的煤階都為中低煤階，國內學者普遍認為高煤階煤層由於其演化程度較高，割理不發育，煤層的滲透率極低而低估了勘探前景，所以研究高煤階煤層氣成藏條件，開展高低煤階煤層氣成藏機理對比研究，具有重要科學意義。為了更好地對高煤階成藏特征進行研究，這裏著重通過高低煤階對比，來探討高煤階成藏的特殊性。為了便於對比，將Ro＜0.7%定義為低煤階煤層氣藏，Ro＞2%視為高煤階煤層氣藏，Ro＞0.7%～2%視為中煤階煤層氣藏。
1 高低煤階煤層氣藏的成因不同，高煤階以原生和次生熱成因煤層氣為主，低煤階煤以原生生物成因煤層氣為主
煤層氣存在生物成因和熱成因兩種。原生生物成因氣是指煤化作用的早期階段（成巖作用階段），有機質在微生物作用下降解形成的煤層氣；次生生物成因氣是指經歷了變質作用的中低煤階煤（Ro＜1.5+%）擡升後在微生物作用下形成的煤層氣；原生熱成因氣是指有機質在變質作用過程中形成的煤層氣；如果原生熱成因氣經過解吸—擴散—運移—再聚集，則為次生熱成因煤層氣。
高煤階煤層氣藏主要為原生與次生熱成因煤層氣。以沁水盆地南部煤層氣藏為代表。沁南地區煤層主要為高煤階無煙煤，Ro=2.2%～4.0%之間，煤層氣主要為熱成因。煤層氣甲烷δ13C總體偏小，在-26.6‰～-36.7‰之間，且隨著埋深的增加而變大。這是由於煤層氣的解吸—擴散—運移引起同位素的分餾導致。這種次生熱成因的煤層氣在國內外非常常見。滯流區受解吸—擴散—運移分餾作用的影響小，基本保持了原始狀態。可見沁南煤層氣藏煤層氣的成因在空間上存在分帶現象：次生熱成因煤層氣存在於淺部徑流帶，原生熱成因氣存在於深部滯流區。
未熟低煤階煤層氣藏以原生生物成因煤層氣為主，代表性煤層氣藏位於美國粉河盆地。粉河盆地第三系Fort Union組的煤在大部分地區為褐煤（Ro=0.3%～0.4%），深部存在高揮發分煙煤，沒有達到可以大量產生熱成因甲烷的成熟度。其甲烷δ13C值為-60.0‰～-56.7‰，δD值為-307‰～-315‰。表明以生物成因氣為主，且主要是通過微生物發酵代謝途徑形成的〔2〕。
低煤階成熟煤層氣藏煤層氣的成因非常復雜，既有次生生物成因的，也有原生與次生熱成因的。美國的聖胡安和猶因他盆地都存在這三種成因的煤層氣。我國阜新盆地白堊系阜新組煤的Ro=0.6%～0.72%之間，據同位素和煤層氣組分分析，該區煤層氣主要為次生熱成因，其次為次生生物成因。
2 高低煤階煤吸附能力的差異性很大，高煤階區域煤層吸附量大，含氣量高
煤的變質程度決定著煤層氣生成量和煤的吸附能力，因而對煤層氣含氣量起著決定性影響。煤階越高，煤層氣生成量越大。吸附能力隨煤階增高經歷了低—高—低三個階段，在Ro=3.5%左右時達到極大值[3]。
高煤階煤層氣藏含氣量最高。沁南煤層氣藏含氣量壹般在10～20m3/t，最高可達37m3/t。除了煤階影響外，保存條件也起到了壹定作用。
低煤階未熟煤層氣藏含氣量普遍較低。如粉河盆地煤層氣含量壹般為0.78～1.6m3/t，最高不超過4m3/t。低煤階成熟煤層氣藏含氣量相對較高，猶他州中部上白堊統Ferron砂巖段Ferron煤層氣藏含氣量為0.37～14.3m3/t，壹般在5～10m3/t。阜新盆地煤層氣含量壹般為8～10m3/t。低煤階煤層氣藏煤層的頂底板因成巖作用微弱而使其封閉能力低於高煤階煤層氣藏。因此對於低煤階煤層氣藏而言，地下水動力封閉顯得尤為重要。低煤階煤層氣藏因含氣量非常低，因此就必須發育巨厚煤層使得煤層氣資源豐度大，高滲透率使得單井排采半徑大，這樣才可具備商業開發價值。
3 高低煤階在物性方面差異的實質是物性變化二元論，變質程度高，基質致密，煤層物性滲透率偏低
高煤階的沁南煤層氣藏，儲層滲透率為（0.1～5.7）×10-3μm2，壹般不超過2×10-3μm2。煤層孔隙主要為微孔和過渡孔，中孔和大孔罕見，孔隙度在1.15%～7.69%之間，壹般均＜5%，對滲透率幾乎沒有貢獻[4]。割理嚴重閉合或被充填，對滲透性的貢獻微弱。構造裂隙是滲透性的主要貢獻者。這種孔裂隙發育特征決定了煤層氣由基質孔隙解吸向裂隙擴散困難，吸附時間長，達到產量高峰時間短，穩定低產時間長[5]。
低煤階未熟煤層氣儲層的基質孔隙度較高，且以大孔所占比例較高，對儲層滲透率有壹定貢獻，因割理密度低而控制儲層滲透率的主要因素是構造裂隙；低煤階成熟煤層氣儲層滲透性的主要貢獻者是割理和構造裂隙；高煤階煤層氣藏因基質孔隙度低且多為微孔，割理嚴重閉合或被礦物質充填，因此滲透率的主要貢獻者是構造裂隙。低煤階煤層氣藏的滲透率壹般大於高煤階煤層氣藏。
為了便於對比，這裏采用吐哈盆地的褐煤和沁水盆地的無煙煤開展模擬工作。褐煤由於演化程度低，裂隙不發育，主要表現為孔隙型。隨著煤階的增加，煤層裂隙發育，基質變得致密，主要表現為裂隙型[6]。
圖1 高低煤階運聚壓差與系統壓力關系圖
無煙煤高壓情況下0.14MPa的壓差就可以突破；低壓情況下0.50MPa的壓差可以突破；隨著壓力的降低，運聚壓差增大。表明無煙煤降壓基質膨脹物性降低，加壓基質收縮物性增高。
對於吐哈盆地褐煤，模擬結果相反，高壓情況下0.08MPa的壓差就可以突破，低壓情況下0.03MPa的壓差就可以突破，褐煤降壓基質膨脹物性增大，加壓基質收縮物性降低。儲層物性變化二元論反映了煤儲層隨著煤層氣不斷開采，地層壓力不斷下降，煤儲層特征變化的實質（圖1）。
4 構造熱事件和構造應力場對煤層物性起到決定作用
由巖漿侵入引起儲層結構和構造改變，增大煤層氣儲藏空間的作用，稱巖漿侵入活動的儲藏作用。巖漿的熱力烘烤，使煤中有機質揮發，留下很多密集成群的渾圓狀或管狀氣孔，提高了儲層的孔隙度；煤基質收縮，產生收縮裂隙；巖漿侵入的動力擠壓，產生的外生裂隙與內生裂隙（割理）疊加，使煤層裂隙性質、規模發生變化，裂隙度提高，滲透性增強。
煤儲層中天然裂隙的壁距對原始滲透率起著關鍵性的控制作用。天然裂隙壁距是地應力大小和方向的函數，構造應力場主應力差對巖層裂隙壁距和滲透率的影響存在兩類效果截然相反的情況。當構造應力場最大主應力方向與巖層優勢裂隙組發育方向壹致時，裂隙面實質上受到相對拉張作用，主應力差越大，相對拉張效應越強，越有利於裂隙壁距的增大和滲透率的增高。而在最大主應力方向與巖層優勢裂隙組發育方向垂直時，裂隙面受到擠壓作用，主應力差越大，擠壓效應越強，裂隙壁距則減小甚至密閉，滲透率降低。也就是說，構造應力實質上是通過對天然裂隙開合程度的控制而對儲層原始滲透率施加影響。
5 水文地質條件對高低煤階煤層氣成藏控制的差異性，高煤階滯流水區域為富氣區
地層總礦化度高值區的形成反映為閉塞的沈積環境，古氣候為半幹旱，水體外泄條件差，封閉條件極好，地層水不斷濃縮的結果。同時由於斷裂活動，導致高礦化度地層水通過斷層向上運移，造成礦化度縱向上的分布和高值區的出現。因而，地層水的礦化度是反映煤層氣運聚、保存和富集成藏的壹個重要指標。
沁水盆地東部邊界晉獲斷裂帶的北段對中奧陶統含水層組起到明顯的橫向阻水作用，中段導水性及水動力條件強烈，南段地下水逕流條件極差，是不導水的。南部邊界由東部導水段、中部阻水段以及西部導水段組成，特別是中段的阻水性質，對晉城壹帶煤層氣的保存與富集起到了重要作用。西部邊界以安澤為界，北段為壹阻水邊界，南段則由導水性斷層組成。內部存在著4條重要的水文地質邊界。其中寺頭斷裂是壹條封閉性的斷裂，導水、導氣能力極差；在沁水盆地中、南部寺頭斷裂和晉獲斷裂南段之間的大寧-潘莊-樊莊地區，山西組和太原組含水層的等勢面明顯地要高於斷裂東、西兩側地區，地下水顯然以靜水壓力形式將煤層中的煤層氣封閉起來。在寺頭斷裂西側的鄭莊及其附近地區，地下水逕流強度可能較弱，較有利於煤層氣保存[7]。
高煤階地下水滯流區是煤層氣聚集的最佳場所，但最近的勘探和研究表明，對於低煤階煤層氣藏，尤其是未熟低煤階煤層氣藏存在例外。
吐哈盆地沙爾湖地區煤層氣藏古生界地層水總礦化度為20000～160000mg/L，平均礦化度達109300mg/L，平均值較海水（35000mg/L）濃縮了3倍多，具有高礦化度的特點。吐哈盆地低煤階褐煤含氣量測試小於2m3/t，在深度＞300m，煤層厚度大於50m，水礦化度如此之高，含氣量如此低，大大低於入們的想像。以往勘探工作證明，高煤階勘探表明高礦化度對應著好的保存條件。
實驗利用不同礦化度的水型飽和鹽水和蒸餾水進行模擬，來研究褐煤在不同礦化度水的條件下對煤層氣的吸附能力。飽和鹽水模擬顯示當地層壓力達到1.7MPa時含氣量達到2m3/t，蒸餾水模擬顯示當地層壓力達到2.5MPa時含氣量達到2m3/t。礦化度越高，隨著壓力降低量越小，地層壓力梯度降低越快，儲層壓力越低，造成吸附能力降低，含氣飽和度增大，氣體大量解吸散失。
低煤階褐煤吸附量低，壓力變化不明顯，礦化度越高，吸附量越低，含氣量越小；地質歷史時期，礦化度不斷增大。礦化度高造成吸附能力降低，造成地層壓力梯度降低，儲層壓力低，含氣飽和度增大，氣體大量解吸散失。高變質傾向於高礦化度，預示著良好的保存條件，代表著水力交替作用弱，煤層氣保存條件好。
6 高低煤階煤層氣藏的差異性主要體現在成藏過程的差異性，高煤階煤層氣成藏過程復雜
未熟低煤階煤層氣藏成藏歷史簡單〔8〕。煤層形成後壹般只經歷了壹次擡升。但現今地下水的補給、運移、排泄和滯流對煤層氣藏的調整和改造起決定作用。從煤層的形成直至現今都有氣的生成，都對煤層氣的成分和同位素特征有影響。但現今的構造格局和地下水賦存狀態是影響煤層氣生成的關鍵，也是控制成藏的關鍵。可見煤層氣的生成具有持續性。
成熟低煤階煤層氣藏成藏過程相對簡單，以深成變質作用為主，即便是存在巖漿活動影響，也僅為接觸變質，影響範圍有限。現今的構造格局和地下水賦存狀態是煤層氣藏調整改造的控制因素。煤層氣的生成階段性和持續性並存。埋深最大、熱演化程度的時期決定了熱成因煤層氣的特征。因此，熱成因煤層氣的形成具有階段性〔9〕。從煤層擡升到微生物能夠活動的深度，次生生物氣就開始生成，並壹直持續至今。可見次生生物氣的生成具有持續性。現今地下水的賦存狀態不僅影響次生生物氣的生成而且影響熱成因氣的運移。
高煤階煤層氣藏成藏過程復雜。無論存不存在二次生烴，區域巖漿熱變質作用都是高煤階煤層氣藏形成的必要條件。煤層氣的形成具有明顯的階段性。在達到最高演化程度後就不再有煤層氣的生成，進入煤層氣藏的調整改造階段。
7 結論
中國高煤階煤層氣藏成藏特征主要集中在八個方面：①煤層氣成因以原生和次生熱成因煤層氣為主；②高煤階煤層吸附量大，含氣量高；③滯流水區域為富氣區；④煤層基質致密，滲透率低，割理裂隙應力敏感；⑤構造熱事件對煤層物性影響較大；⑥要求持續排水降壓開采，大型壓裂；⑦分支井技術，大幅度提高單井產量；⑧成藏過程復雜。
中國低煤階煤層氣藏成藏特征主要集中在六個方面：①煤層氣成因以生物降解氣（原生、次生）為主；②煤演化程度低，含氣量小，含氣飽和度高；③低煤階盆緣緩流晚期生物氣成藏；④煤層割理裂隙不發育，基質疏松，滲透率高，應力不敏感；⑤以深成熱變質為主，構造熱事件影響小；⑥低煤階自卸壓開采機制；⑦豎井開采技術，小型壓裂；⑧成藏過程簡單，多壹次沈降，壹次調整。
由此可見高煤階煤層氣藏具有三條顯著的優點：
（1）煤變質程度高，生氣量大，煤吸附能力強，含氣量大；
（2）構造熱事件和構造應力場對煤層物性影響較大，構造熱事件促進煤層氣大量生成，同時改善了儲層物性，構造應力通過對天然裂隙開合程度的控制而對儲層原始滲透率施加影響；
（3）滯流水和高礦化度區域煤層氣保存條件好，利用煤層氣保存和排水降壓開采。
參考文獻
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