煤层气富集地质条件与开采工艺

煤层气是地质演化的产物，形成于煤层又赋存于其中。因此，必定受到所处地质环境的控制，煤的物质组成、演化阶段和地质条件不同，煤层气的含量也就不同。煤层气富集的前提是煤层气的生成、储层、盖层、运移、聚集和保存等各个方面条件及其动态发展的有利配置，是诸多地质因素共同作用的结果。因此，了解相关的地质因素对煤层气富集的控制作用特征，可以有效地分析出控制煤层气富集的规律，有利于煤层气的评价、优选和开采。

（1）煤层分布条件和厚度

煤储层的几何特征指煤层在三维空间的展布形式，包括煤层厚度、煤层稳定性、煤层结构等。这些特征对煤储层含气性和物性有一定影响。煤层气的逸散以扩散方式为主，空间两点之间的浓度差是其扩散的主要动力。根据费克定律和质量平衡原理建立的煤层甲烷扩散数学模型可知，在其他初始条件相似的情况下，煤储层厚度越大，达到中值浓度或者扩散终止所需要的时间就越长（韦重韬，1998）。进一步分析可知，煤储层本身就是一种高度致密的低渗透性岩层，上部分层和下部分层对中部分层有强烈的封盖作用，煤储层厚度越大，中部分层中煤层气向顶底板扩散的路径就越长，扩散阻力就越大，对煤层气的保存就越有利，这也许就是一些地区煤厚与含气量之间具有正相关趋势的根本原因。煤层连续分布面积大于200km2、煤层集中段总厚度大于10m，平面上主煤层分布连续稳定，有利于进行工业性勘探。

（2）煤的物质组成

从岩石学的角度，煤是由有机显微组分和无机矿物质组成的。高矿物含量不利于煤层气的赋存，使煤的吸附能力、含气量降低。显微组分不仅影响煤层气的生成，也影响其赋存和含量。从生气的角度，壳质组的生气能力＞镜质组＞惰质组；但从吸附角度，镜质组和惰质组的吸附能力高于壳质组。也就是说在同等条件下镜质组和惰质组的含量越高，对CH4的吸附能力越强，CH4含量越高。这与煤的孔隙特征和表面性质有关，镜质组不仅含较多的小、微孔隙，而且具较强的亲CH4能力。

（3）顶底板岩性

煤层顶底板是封堵煤层气的第一道屏障，是煤储层围岩组合中最重要的岩层。煤层气在其形成过程中或形成以后必须被封存在煤层中才可能形成气藏，这种封存主要取决于煤层顶底板的排替压力。当排替压力高于储层压力时，煤层气可赋存在煤层中不至于散失。煤层顶板多为泥岩、粉砂岩、砂岩，个别情况下为灰岩。一般情况下泥岩、粉砂岩比较致密，孔隙半径较小，排替压力较高，对煤层气有较强的封存能力。单纯从岩性角度考虑，砂岩封存能力不及泥岩或粉砂岩。如果成岩作用较强、砂岩孔隙较小、裂隙节理不发育、排驱压力较高，也可阻止煤层气散失。含煤地层中的中细粒砂岩一般比较致密，对煤层气有一定的封存能力。

（4）煤的变质程度

煤阶表示煤化作用中能达到的成熟度的级别，是影响煤层饱和状态的参数，煤阶一方面决定着产气的数量；另一方面决定着煤内微孔隙的发育程度，影响着煤储层对煤层气的吸附能力。随着煤埋藏深度的增加，煤阶变化过程为泥炭→褐煤（焦煤、瘦煤、贫煤等）→烟煤→无烟煤，煤层含气量随煤级的增加呈现出急剧增高－缓慢增高－急剧增高－急剧降低的阶段性演化特征，煤层含气量阶段性演化与煤化作用的阶段性和跃变性高度一致，也与煤吸附性的演化特征密切相关，揭示出煤化作用机制对煤层含气性具有重要的控制作用。

褐煤－焦煤初期阶段，煤层含气量的急剧增高，主要依赖于煤中微孔的增多、孔比表面积的加大和生气量的增高；焦煤－无烟煤初期阶段，含气量仅缓慢增高，主要原因是新生成孔隙增大的空间有限；无烟煤早期阶段，含气量再度急剧增高，是由于在甲烷不断生成的同时煤中孔隙空间明显增多和吸附性极度增强；无烟煤中－后期阶段，含气量急剧降低。是生气作用停止、镜质组化学结构再次发生重大调整而导致吸附能力趋于消失的结果。

同等条件下，随变质程度的增高，煤层气的生成量和储存量（含气量）增高，这是由于随煤的变质程度增高，煤中的孔隙，特别是小、微孔隙增多，煤的物理、化学性质改变，使煤与CH4的亲和力增强所致。但在超无烟煤阶段，孔隙度急剧下降，CH4的储存空间减少，使含气量降低。

（5）埋深与上覆有效地层厚度(www.xing528.com)

煤层埋深与上覆有效地层厚度是控制煤层气含量的重要因素。一般情况下埋深越大，含气量越高。但当地质历史时期含煤岩系遭受严重剥蚀，煤层曾经经历了浅埋阶段，即使现今的埋深巨大，但由于地质历史时期的抬升造成煤层气的散失，煤层气含量也不会高，为此引入了上覆有效地层厚度的概念——煤层到其上部第一个不整合面之间的地层厚度。上覆有效地层越厚，煤层气含量越高。

（6）地质构造发育情况

断层与褶皱对煤层气含量的控制作用非常明显，一般情况下向斜轴部煤层气相对富集，这主要与向斜轴部煤层埋深较大和地下水相对滞留有关。封闭性断层对煤层气的保存最为有利，开放性断层是煤层气散失的通道，但取决于断层带充水条件，如果断层带富含水，且地下水位较高，则可形成相对高的静水压力，利于煤层气保存，反之煤层气散失严重。

（7）煤体变形

煤体变形增加了煤的孔隙比表面积和吸附能力，从而对含气量的增高有利。众多的瓦斯突出均与破坏程度极高的软煤有关，特别是一些小断层引起的煤体破坏。在一些切穿煤层，但不切穿整个含煤岩系的小断层，无论是正断层还是逆断层，都会在其两侧形成一个糜棱煤带，由于断层两侧岩性的对接关系和上下封闭性岩层的围限，这一糜棱煤带和断层带就是一个煤层气富集体。

（8）岩浆活动

岩浆活动对煤层气的影响主要表现在两个方面：一是区域岩浆热和接触变质使煤的变质程度增高，含气量增高；二是使煤层气的成分改变，形成一些特殊气体，如CO2、N2、H2等。

（9）水文地质条件

煤层气的运移普遍存在，地下水动力条件决定煤层气的运移和富集，地下水的补给、运移、滞留和排泻是煤层气运移或散失的动力。地下水滞留区是地下水运移的目的地，也是煤层气运移的最终场所。因此，在地下水滞留区煤层气富集。

水文地质也是影响煤层气赋存的一个重要因素。煤层气以吸附状态赋存于煤的孔隙中，地层压力通过煤中水分对煤层气起封闭作用。水文地质的控气特征可概括为3种作用：一是水力运移逸散控气作用；二是水力封闭控气作用；三是水力封堵控气作用。其中，第一种作用导致煤层气散失，后两种作用则有利于煤层气保存。