1、煤層氣的定義和基本特征從礦產資源的角度講，煤層氣是以甲烷為主要成分（含量85% ,是在煤化作用過程中形成的，儲集在煤層氣及其臨近巖層之中的，可以利用開發技術將其從煤層中采出并加 以利用的非常規天然氣。對煤層氣而言，煤層既是氣源巖，又是。煤層具有一系列獨特的物理、化學性質和特 殊的巖石力學性質，因而使煤層氣在貯氣機理、孔滲性能、氣井的產氣機理和產量動態等 方面與常規天然氣有明顯的區別（詳見表 1.1）,表現出鮮明的特征。表1.1煤層氣藏與常規天然氣藏基本特征的對比特征煤層氣常規天然氣氣藏類型層狀的沉積巖局部圈閉氣源自生外源儲基層巖性有機質高度富集的可燃有積巖，易受 入井液、水泥等的傷害幾乎是10

2、0%勺無機質巖石，不易受 傷害雙重空隙結構煤基質塊中的孔隙是主要的孔隙，占 總空隙體積德絕大部分；裂隙系統是 天然氣裂隙，占總空隙體積的次要部 分，它們基本上等間距分布，并使煤 具后/、連續性主要發育于石灰巖、白云巖，頁巖 及致密砂巖中。天然裂隙（包括節 理、裂隙、溶道、洞穴等）將粒間 孔隙分割成一個個方塊，裂隙是隨 機分布的氣體的貯存氣體的絕大部分貝吸附在煤的內表面 上，孔隙空間中很少或沒有游離氣氣體以游離態貯集在巖石的孔隙空 間中流動機理在基質中的流動是由濃度梯度引起的 擴散，然后由于壓力梯度的作用在裂 隙中引起滲濾流動是由壓力梯度引起的層流，并 服從達西定律；在近井地帶可出現 紊流氣產出

3、機理解吸-擴散-滲流在氣體自身的壓力梯度作用下流動氣井生產狀況氣產量隨時間而增加，直至達最大值， 然后大降。起初主要產水，氣水值隨 時間而增大氣產量開始最大，然后隨時間而降 低。起初，很少或者沒有水產出， 但氣水值隨時間而減少機械性能由于煤具有脆性和裂隙較發育，因而 是一種較弱的巖石，這使鉆井的穩定 性較差，并影響水力壓裂的效果。在 一定條件下，可采用特殊的洞穴完井 技術。楊氏模量在700Mp胸圍內巖石較堅硬，通常鉆井的穩定性不 成問題。楊氏模量在7000MPa也圍內儲層性質易被壓縮，孔隙體積壓縮系數在 0.01MPa1范圍內，因而孔隙度、滲透 性對應力較敏感，在生產期間后明顯 的變化壓縮性很

4、小，孔隙體積壓縮系數在 104MPa范圍內，孔隙度、滲透性 在生產期間的變化不明顯資料來源：張新民中國煤層氣地質與資源評價2002年煤層氣生成煤層氣成因類型及形成機理從泥炭到不同變質程度煤的形成過程中，都有氣體的生成。根據氣體生成機理的不同, 可以將煤層氣的成因類型分為生物成因和熱成因兩類。生物成因氣主要形成于煤化作用的 未成熟期，而熱成因氣主要形成于煤化作用的成熟期和過成熟期。生物成因氣生物成因氣主要由甲烷組成，它是由各種微生物的一系列復雜作用過程導致有機質發 生降解作用而形成。生物成因氣又可以根據產生階段的不同分為原生生物氣和次生生物氣。（1）原生生物氣原生生物氣是在煤化作用早期（R0.5

5、%）,在較低的溫度下（一般低于50 0C）,在煤 層埋藏較淺處（400m，在細菌的參與和作用下，微生物對有機質發生分解作用而形成的 以CH為主要成分的生物生成氣。在原生物生成氣生成的具體途徑和方式有兩種，一種是由 CO還原而成；另一種由甲基類發酵（一般為醋酸發酵）而成。生物氣的形成應具備的主要 條件是：缺氧環境；低硫酸鹽濃度；低溫；豐富的有機質；高PHS;足夠的空間。（2）次生生物氣Rice （1981）和Scott （1994）等人認為在近地質時期，煤層被抬升，活躍的地下水系 統和大氣淡水形成了微生物活動的有利環境，在相對較低的溫度下，微生物降解和代謝煤 層中已經形成的濕氣、甲烷和其它有機化

6、合物，生成次生物成因氣（主要是CO和CH）。次生物成因氣的地球化學組成與原生生物成因煤層氣相似，主要差別在于煤巖的熱演化階 段。在次生生物氣的形成階段，R0值范圍很寬，一般為0.30%1.50%,且煤層一般被抬升 到淺部。次生生物氣生成和儲存的條件是：煤層埋藏并煤化到褐煤或較高煤級；區域 隆起或抬升；適宜的滲透性；盆地邊緣有流水回灌到煤層中； 有細菌運移到煤層中； 有高儲層壓力和圈閉條件。熱成因氣隨著煤變質程度不斷加深，煤層由低階向高階演化，當煤化進入長焰煤階段（R0.5%）, 就開始了熱生氣階段。隨著煤化作用的不斷加深，二氧化碳和水不斷消耗，煤層生氣量不 斷增加，一直到無煙煤葭 田號階段（即

7、 R6.00%）為止。根據生成階段的不同，熱成因氣 又可具體劃分為熱降解氣和熱裂解氣。（1）熱降解氣熱降解生氣階段主要發生在煤化作用的長焰煤到瘦煤階段（即R為0.5%1.9%）。這一階段發生的化學反應主要是在熱力作用下（ 1.9%）。在高溫條件下（2500C）,殘余的干酪根、液態爛和部分重燒發生裂解生氣。這一階段所生成的氣 體以甲烷為主，是重燒含氣量較低的干氣。煤層氣組分及影響因素煤層氣組分煤層氣一般均由CH組成，還包括GH、QH、CH。等及部分CO CS N、H、HS等。根 據Scott于1995年對美國1380口煤層氣生產井氣體成分的統計結果表明，煤層氣的平均成分 為：CH93% CO3%

8、 濕氣 3% N21%煤層氣組分影響因素雖然煤層氣的主要成分是甲烷，但是在不同盆地、不同煤級的儲層、不同煤層氣井之 間，煤層氣的組成經常會出現較大的差異。這是因為煤層氣的形成是長期的煤化作用的結 果，其形成時間比較長，且形成環境復雜特殊，其組分受到多種因素的影響。煤層氣成分 的主控因素包括：煤的顯微組成；煤層氣的成因類型；煤層氣自身的解吸一擴散一 運移；儲層壓力；煤階；水文地質條件。煤層氣成藏層氣成藏的含義常規天然氣藏的定義是建立在圈閉基礎之上的。天然氣藏是指天然氣在單一圈閉中的 聚集。“單一”的含義主要指受單一要素控制、在統一面積內具有統一的壓力系統、統一 的（油）氣、水邊界（戴金星等，19

9、96）,是天然氣在地殼中聚集的基本單位。圈閉“是 地層空間中一個由等氣勢面或等油勢面構成的三維封閉的低氣或油勢空間”（戴金星等， 1996）。儲層、蓋層和遮擋條件（指地層褶曲、斷層、巖性、水動力等）這三要素共同組 成圈閉，再加上氣源的進入就形成了天然氣藏。煤層氣以煤層為儲基層，氣源由煤層自身生成，主要以吸附態存在，它不像常規油氣 藏那樣遵循重力分異原理。常規氣藏在運移、聚集過程中，油、氣、水不斷分異，不論何 種圈閉、何種形態，一般都聚集在位于儲層相對較高處的由高氣勢面封閉構成的低氣勢區 內；而煤層氣則不必受由高氣勢面構成的三維封閉的低氣勢而形成的圈閉的控制，只要有 較好的蓋層條件，能夠維持相當

10、的地層壓力，使煤層能“吸附住” 一定的氣體，無論在儲 層（即煤層）的構造高部位還是低部位，都能形成氣藏。因此，煤層氣藏的定義不建立在圈閉概念之上。煤層氣藏是指在地層壓力（水壓和氣 壓）作用下保有一定數量氣體的同一含煤地層的煤巖體，并具有獨立的構造形態。它是在 煤層熱演化作用過程中形成的，而在后期構造運動中未被完全破壞，呈層狀產出。煤層氣 藏是進行煤層氣勘探和開發的基本地質單元。煤層氣藏形成條件煤層氣藏的形成條件包括儲集和保存兩個方面的條件。儲集條件主要受煤層厚度和煤 變質程度影響，而保存條件主要受蓋層和地質構造作用的影響。另外，由于煤層的埋藏深 度對氣成分、儲層壓力、煤儲層的滲透性有重要影響，

11、因而也是控制煤層氣藏的一個重要 因素。煤層厚度一定厚度的煤層，使煤層氣藏形成的基礎。煤層越厚對煤層氣藏越有利。煤變質程度煤層的生氣量和儲氣能力都受煤變質程度的控制，所以煤變質程度對煤層氣藏的形成 具有重要作用。具表現主要有兩個方面：煤變質程度太低，不利于煤層氣藏的形成。對于褐煤，由于處于生物化學生氣階段, 熱解氣即將開始生成，所以煤層的含氣量不高。同時，由于褐煤煤層透氣性能良好，致使 煤層氣容易逸散。因此，褐煤很難形成有價值的煤層氣藏。但是，當煤層埋藏較深，厚度 很大時，或者有良好的蓋層時，褐煤也可以形成煤層氣藏。煤變質程度太高，煤層已失去儲氣能力，不能形成煤層氣藏。對于超高變質的超無 煙煤，

12、孔隙度很低，儲氣能力十分有限，不能形成煤層氣藏。煤層埋藏深度煤層的埋藏深度是壓力的主要來源，隨著埋藏深度的增加，壓力不斷增大，煤層對甲 烷的吸附能力也隨之提高。具體表現為煤層含氣量隨著埋藏深度的增加而有規律的增長。 此外，如果地質構造條件發生變化，使得煤層發生升降，就會改變壓力，從而影響煤層氣 藏的保存。封蓋條件對于煤層氣藏，氣體主要以吸附態存在，氣藏壓力也比較低，因而它對蓋層的要求不 如天然氣藏那樣嚴格。良好的封蓋條件對煤層氣藏的形成仍然是一個重要條件，它能將不 同煤系地層分隔成各自獨立的系統，使吸附在煤層中的爛類氣體以吸附狀態較長時間地保 存在煤層中，減少溶解氣和游離氣的散失。水文地質條件

13、封閉的水動力系統和水動力受阻形成的高壓是煤層氣吸附和富集的有利條件。如果封 閉的水動力系統被打破，將破壞煤層的壓力平衡，使得吸附氣減少，溶解氣和游離氣發生 散失。煤層氣藏類型目前，煤層氣藏的類型劃分尚未形成統一認識，本文采用王紅巖等提出的分類方法:表1.2常見煤層氣藏類型、特點及實例特點實例水壓單斜型煤層氣藏位于大型沉積盆地的邊緣、構造穩定、 斷裂不發育，煤層分布穩定、范圍廣泛， 煤層埋深2,000 m鄂爾多斯盆地、沁水盆地水壓向斜型煤層氣藏位于老的中小型含煤盆地內，煤層最大 埋深2,500 m ,煤層分布廣泛而穩定， 斷裂和構造活動相對不發育圣胡安盆地（美國）、平 頂山向斜煤盆地氣壓向斜煤層

14、氣藏位于年輕的小型-中型沉積盆地上，煤層埋藏在4,500 m以下、超壓，構造相 對穩定、斷裂相對不發育，煤層分布廣 泛而穩定、低滲透、低產開平向斜斷塊型煤層氣藏位于中小型含煤盆地上 ，煤層埋藏淺， 一般2,000 m ,斷裂發育，構造活動強 烈，水文地質相對簡單兩淮、渭北、豫西背斜型煤層氣藏一般位于中小型含煤盆地內，構造斷裂 中等，水文地質條件簡單湖南白沙礦梅田井田地層-巖性型煤層氣 藏位于中一小型含煤盆地中，以陸相含煤 盆地最為發育，煤層分布范圍小，不穩 定，煤層埋藏深度2,000 m準格爾、吐哈巖體刺竄型煤層氣藏位于有巖漿侵入的各種類型煤盆地中， 構造中等一復雜，斷裂發育東北的鐵法煤田復合

15、類型富集區存在與各種類型的煤盆地資料來源：王紅巖等,煤層氣富集成藏規律.2005煤層氣的開發和利用煤層氣開發煤層氣開發方式最常見的煤層氣開發方式主要有兩種，即：井下瓦斯抽放和地面鉆井開采。（1）井下抽放煤層氣井下抽放煤層氣是從煤礦井下采掘巷道中打鉆孔，在地面通過煤層氣泵來抽取煤層中 的煤層氣。這種開發方式的煤層氣產量較小，甲烷濃度不高（20%50%,而且容易受到煤礦采掘生產的影響，所以它多以煤礦安全生產為目的，煤層氣的利用率較低。1952年中國遼寧省撫順礦務局的龍鳳礦首次開始了較大規模的井下抽采煤層氣活動, 經過50多年的發展，井下抽放煤層氣已經成為中國最主要的煤層氣開發方式。據統計，截 止2

16、005年上半年，中國煤礦高瓦斯礦井 4462處，煤與瓦斯突出礦井911處。在615對國 有重點礦井中，煤與瓦斯突出礦井近 200對，高瓦斯礦井152對，裝備地面固定瓦斯抽采 系統308套。2005年，中國井下抽采煤礦瓦斯近 23億立方米，陽泉、晉城、淮南、松藻、 盤江、水城、撫順等7個礦區年抽采量超過1億立方米。（2）地面鉆井開采煤層氣地面鉆井開采煤層氣是從地面鉆井進入未開采煤層，通過排水降壓解吸出煤層中的煤 層氣，再通過井筒流動到地面。這種開采方式的產氣量大、產氣時間長，甲烷含量高（大 于90% ,所以可以支撐大規模的商業化利用。這種開采方式使得人們看到煤層氣可以通過 井孔排采到地面，像常規

17、天然氣一樣加以利用，從而真正把煤層氣當作一種礦產看待，并 被列入具有重要經濟價值的礦產資源行列。為了保證煤層氣的可采性，并且獲得一定的經 濟效益，這種開發方式對煤層氣資源量、煤層地質構造、含氣量、滲透率、地理環境等都 有較高的要求。美國是世界上最先成功應用這一開采方式的國家，煤層氣已經實現大規模商業化生產。 中國于20世紀80年代開始引進和學習美國的技術，先后在湖南里王廟、河南焦作、山西 陽泉、遼寧撫順等煤礦進行鉆井。20世紀80年代后期至90年代初，國際組織和外國公司 開始介入中國煤層氣的勘探開發，但是取得工業氣流的煤層氣井很少。20世紀90年代初,中國石油煤層氣勘探項目經理部和中聯煤層氣有

18、限公司的成立，標志著中國煤層氣地面開 發的第一個高峰的到來，經過10余年的發展，中國煤層氣地面開發已經形成沁水盆地和鄂 爾多斯盆地兩大熱點區域。2003年首先，沁水盆地南部棗園井組和阜新盆地劉家井組最先 實現了小規模商業開發，標志著中國煤層氣地面開發已經進入商業化階段。煤層氣生產的特點煤層氣以游離狀態、吸附狀態和溶解狀態三種形式賦存于煤層中，而其中吸附態要占 到絕大多數。要獲得工業產量，首先必須使甲烷從煤的表面解吸，然后通過煤的基質和微 孔隙進行擴散，最后在割理和裂縫中滲流達到井底。這就使得煤層氣的產出存在三個連續 的階段：第一階段，只產出水，降低井底壓力；第二個階段，當壓力進一步降低，此時有

19、 一定數量的甲烷從煤的表面解吸出來，形成孤立的氣泡，出現非飽和單相流階段，氣相不 能流動，但阻礙水的流動，水的相對滲透率下降；第三階段，儲層壓力進一步下降，氣量 增加，形成連續的氣相流動，出現氣液兩相流。煤層氣的這種產出特點使得煤層氣生產有 別于常規油氣生產：（1）必須最大限度的降低井底壓力；（2）生產前一般需要先排水，需要進行氣、水地面分離；（3）由于地層壓力較低，產出的氣需要壓縮到輸送壓力；（4）產出的水要進行處理；（5）氣井產量一般較低，但穩產周期相對較長。煤層氣生產中的廢水處理煤層氣在采出過程中伴隨有大量的水產出。產出水一般具有高礦化度，含有大量的懸 浮物，如果不對其進行處理，則會造成一定的環境問題。在采出水經過曝氣池曝氣沉淀除 去煤渣，降低鐵和有機