煤层气基础知识

1.1.煤层气的定义和基本特征从矿产资源的角度讲，煤层气是以甲烷为主要成分（含量＞85%），是在煤化作用过程中形成的，储集在煤层气及其临近岩层之中的，可以利用开发技术将其从煤层中采出并加以利用的非常规天然气。对煤层气而言，煤层既是气源岩，又是。煤层具有一系列独特的物理、化学性质和特殊的岩石力学性质，因而使煤层气在贮气机理、孔渗性能、气井的产气机理和产量动态等方面与常规天然气有明显的区别（详见表1.1），表现出鲜明的特征。表1.1煤层气藏与常规天然气藏基本特征的对比特征煤层气常规天然气气藏类型层状的沉积岩局部圈闭气源自生外源储基层岩性有机质高度富集的可燃有积岩，易受入井液、水泥等的伤害几乎是100%的无机质岩石，不易受伤害双重空隙结构煤基质块中的孔隙是主要的孔隙，占总空隙体积德绝大部分；裂隙系统是天然气裂隙，占总空隙体积的次要部分，它们基本上等间距分布，并使煤具有不连续性主要发育于石灰岩、白云岩，页岩及致密砂岩中。天然裂隙（包括节理、裂隙、溶道、洞穴等）将粒间孔隙分割成一个个方块，裂隙是随机分布的气体的贮存气体的绝大部分贝吸附在煤的内表面上，孔隙空间中很少或没有游离气气体以游离态贮集在岩石的孔隙空间中流动机理在基质中的流动是由浓度梯度引起的扩散，然后由于压力梯度的作用在裂隙中引起渗滤流动是由压力梯度引起的层流，并服从达西定律；在近井地带可出现紊流气产出机理解吸-扩散-渗流在气体自身的压力梯度作用下流动气井生产状况气产量随时间而增加，直至达最大值，然后大降。起初主要产水，气水值随时间而增大气产量开始最大，然后随时间而降低。起初，很少或者没有水产出，但气水值随时间而减少机械性能由于煤具有脆性和裂隙较发育，因而是一种较弱的岩石，这使钻井的稳定性较差，并影响水力压裂的效果。在一定条件下，可采用特殊的洞穴完井技术。杨氏模量在700MPa范围内岩石较坚硬，通常钻井的稳定性不成问题。杨氏模量在7000MPa范围内储层性质易被压缩，孔隙体积压缩系数在0.01MPa-1范围内，因而孔隙度、渗透性对应力较敏感，在生产期间有明显的变化压缩性很小，孔隙体积压缩系数在10-4MPa-1范围内，孔隙度、渗透性在生产期间的变化不明显资料来源：张新民中国煤层气地质与资源评价2002年1.2.煤层气生成1.2.1.煤层气成因类型及形成机理从泥炭到不同变质程度煤的形成过程中，都有气体的生成。根据气体生成机理的不同，可以将煤层气的成因类型分为生物成因和热成因两类。生物成因气主要形成于煤化作用的未成熟期，而热成因气主要形成于煤化作用的成熟期和过成熟期。1.2.1.1.生物成因气生物成因气主要由甲烷组成，它是由各种微生物的一系列复杂作用过程导致有机质发生降解作用而形成。生物成因气又可以根据产生阶段的不同分为原生生物气和次生生物气。（1）原生生物气原生生物气是在煤化作用早期（R0<0.5%），在较低的温度下（一般低于500C），在煤层埋藏较浅处（<400m），在细菌的参与和作用下，微生物对有机质发生分解作用而形成的以CH4为主要成分的生物生成气。在原生物生成气生成的具体途径和方式有两种，一种是由CO2（2）次生生物气Rice（1981）和Scott（1994）等人认为在近地质时期，煤层被抬升，活跃的地下水系统和大气淡水形成了微生物活动的有利环境，在相对较低的温度下，微生物降解和代谢煤层中已经形成的湿气、甲烷和其它有机化合物，生成次生物成因气（主要是CO2和CH4）。次生物成因气的地球化学组成与原生生物成因煤层气相似，主要差别在于煤岩的热演化阶段。在次生生物气的形成阶段，R0值范围很宽，一般为0.30%～1.50%，且煤层一般被抬升到浅部。次生生物气生成和储存的条件是：①煤层埋藏并煤化到褐煤或较高煤级；②区域隆起或抬升；③适宜的渗透性；④盆地边缘有流水回灌到煤层中；⑤有细菌运移到煤层中；⑥有高储层压力和圈闭条件。1.2.1.2.热成因气随着煤变质程度不断加深，煤层由低阶向高阶演化，当煤化进入长焰煤阶段（R0<0.5%），就开始了热生气阶段。随着煤化作用的不断加深，二氧化碳和水不断消耗，煤层生气量不断增加，一直到无烟煤Ⅱ、Ⅲ号阶段（即R0<6.00%）为止。根据生成阶段的不同，热成因气又可具体划分为热降解气和热裂解气。（1）热降解气热降解生气阶段主要发生在煤化作用的长焰煤到瘦煤阶段（即R0为0.5%~1.9%）。这一阶段发生的化学反应主要是在热力作用下（<2500C而有规律的增长。此外，如果地质构造条件发生变化，使得煤层发生升降，就会改变压力，从而影响煤层气藏的保存。1.3.2.4.封盖条件对于煤层气藏，气体主要以吸附态存在，气藏压力也比较低，因而它对盖层的要求不如天然气藏那样严格。良好的封盖条件对煤层气藏的形成仍然是一个重要条件，它能将不同煤系地层分隔成各自独立的系统，使吸附在煤层中的烃类气体以吸附状态较长时间地保存在煤层中，减少溶解气和游离气的散失。1.3.2.5.水文地质条件封闭的水动力系统和水动力受阻形成的高压是煤层气吸附和富集的有利条件。如果封闭的水动力系统被打破，将破坏煤层的压力平衡，使得吸附气减少，溶解气和游离气发生散失。1.3.3.煤层气藏类型目前，煤层气藏的类型划分尚未形成统一认识，本文采用王红岩等提出的分类方法：表1.2常见煤层气藏类型、特点及实例类型特点实例水压单斜型煤层气藏位于大型沉积盆地的边缘、构造稳定、断裂不发育，煤层分布稳定、范围广泛，煤层埋深<2,000m鄂尔多斯盆地、沁水盆地水压向斜型煤层气藏位于老的中小型含煤盆地内，煤层最大埋深<2,500m，煤层分布广泛而稳定，断裂和构造活动相对不发育圣胡安盆地（美国）、平顶山向斜煤盆地气压向斜煤层气藏位于年轻的小型－中型沉积盆地上,煤层埋藏在4,500m以下、超压，构造相对稳定、断裂相对不发育，煤层分布广泛而稳定、低渗透、低产开平向斜断块型煤层气藏位于中小型含煤盆地上,煤层埋藏浅，一般<2,000m，断裂发育，构造活动强烈，水文地质相对简单两淮、渭北、豫西背斜型煤层气藏一般位于中小型含煤盆地内，构造断裂中等，水文地质条件简单湖南白沙矿梅田井田地层－岩性型煤层气藏位于中－小型含煤盆地中，以陆相含煤盆地最为发育，煤层分布范围小，不稳定，煤层埋藏深度<2,000m准格尔、吐哈岩体刺窜型煤层气藏位于有岩浆侵入的各种类型煤盆地中，构造中等－复杂，断裂发育东北的铁法煤田复合类型富集区存在与各种类型的煤盆地资料来源：王红岩等.煤层气富集成藏规律.20051.4.煤层气的开发和利用1.4.1.煤层气开发1.4.1.1.煤层气开发方式最常见的煤层气开发方式主要有两种，即：井下瓦斯抽放和地面钻井开采。（1）井下抽放煤层气井下抽放煤层气是从煤矿井下采掘巷道中打钻孔，在地面通过煤层气泵来抽取煤层中的煤层气。这种开发方式的煤层气产量较小，甲烷浓度不高（20%~50%），而且容易受到煤矿采掘生产的影响，所以它多以煤矿安全生产为目的，煤层气的利用率较低。1952年中国辽宁省抚顺矿务局的龙凤矿首次开始了较大规模的井下抽采煤层气活动，经过50多年的发展，井下抽放煤层气已经成为中国最主要的煤层气开发方式。据统计，截止2005年上半年，中国煤矿高瓦斯矿井4462处，煤与瓦斯突出矿井911处。在615对国有重点矿井中，煤与瓦斯突出矿井近200对，高瓦斯矿井152对，装备地面固定瓦斯抽采系统308套。2005年，中国井下抽采煤矿瓦斯近23亿立方米，阳泉、晋城、淮南、松藻、盘江、水城、抚顺等7个矿区年抽采量超过1亿立方米。（2）地面钻井开采煤层气地面钻井开采煤层气是从地面钻井进入未开采煤层，通过排水降压解吸出煤层中的煤层气，再通过井筒流动到地面。这种开采方式的产气量大、产气时间长，甲烷含量高（大于90%），所以可以支撑大规模的商业化利用。这种开采方式使得人们看到煤层气可以通过井孔排采到地面，像常规天然气一样加以利用，从而真正把煤层气当作一种矿产看待，并被列入具有重要经济价值的矿产资源行列。为了保证煤层气的可采性，并且获得一定的经济效益，这种开发方式对煤层气资源量、煤层地质构造、含气量、渗透率、地理环境等都有较高的要求。美国是世界上最先成功应用这一开采方式的国家，煤层气已经实现大规模商业化生产。中国于20世纪80年代开始引进和学习美国的技术，先后在湖南里王庙、河南焦作、山西阳泉、辽宁抚顺等煤矿进行钻井。20世纪80年代后期至90年代初，国际组织和外国公司开始介入中国煤层气的勘探开发，但是取得工业气流的煤层气井很少。20世纪90年代初，中国石油煤层气勘探项目经理部和中联煤层气有限公司的成立，标志着中国煤层气地面开发的第一个高峰的到来，经过10余年的发展，中国煤层气地面开发已经形成沁水盆地和鄂尔多斯盆地两大热点区域。2003年首先，沁水盆地南部枣园井组和阜新盆地刘家井组最先实现了小规模商业开发，标志着中国煤层气地面开发已经进入商业化阶段。1.4.1.2.煤层气生产的特点煤层气以游离状态、吸附状态和溶解状态三种形式赋存于煤层中，而其中吸附态要占到绝大多数。要获得工业产量，首先必须使甲烷从煤的表面解吸，然后通过煤的基质和微孔隙进行扩散，最后在割理和裂缝中渗流达到井底。这就使得煤层气的产出存在三个连续的阶段：第一阶段，只产出水，降低井底压力；第二个阶段，当压力进一步降低，此时有一定数量的甲烷从煤的表面解吸出来，形成孤立的气泡，出现非饱和单相流阶段，气相不能流动，但阻碍水的流动，水的相对渗透率下降；第三阶段，储层压力进一步下降，气量增加，形成连续的气相流动，出现气液两相流。煤层气的这种产出特点使得煤层气生产有别于常规油气生产：（1）必须最大限度的降低井底压力；（2）生产前一般需要先排水，需要进行气、水地面分离；（3）由于地层压力较低，产出的气需要压缩到输送压力；（4）产出的水要进行处理；（5）气井产量一般较低，但稳产周期相对较长。1.4.1.3.煤层气生产中的废水处理煤层气在采出过程中伴随有大量的水产出。产出水一般具有高矿化度，含有大量的悬浮物，如果不对其进行处理，则会造成一定的环境问题。在采出水经过曝气池曝气沉淀除去煤渣，降低铁和有机物的含量后，再取上清液通过除盐装置（反渗析膜、电渗析膜、蒸发池或离子交换法）处理达标后，再按以下三种方法来处理：地面排放（将煤层气采出水直接排入附近河流或用于农田灌溉）、地面蒸发（利用地面蒸发池来处理煤层产出水）、回注地下（将煤层气采出水用注水井重新回注地下）。在干旱型地区，煤层气采出水处理达标后可以用于农田灌溉；其他地区可地面排放或回注。1.4.2.煤层气利用和常规天然气一样，煤层气也是燃烧值高而且洁净的燃料气，不仅可以用作燃料，也可以作为化工原料。1.4.2.1.民用燃料煤层气的大规模利用，一直是以民用作为首要的市场需求。由于煤层气热值高且容易调整，不需要净化处理装置，不腐蚀、不堵塞输气设备，所以很适合于民用燃料。1.4.2.2.工业燃料煤层气作为工业燃料主要用于发电厂、加工厂和汽车工业。利用煤层气发电是煤层气的一个非常重要的用途，在世界范围内发展较快。不同型号的煤层气发电设备可以利用不同浓度的煤层气。煤层气