煤層形成背景與煤層氣儲(chǔ)層特征

李軍1，趙文光2，李娜3，洪國(guó)良2

(1.匯永控股集團(tuán)有限公司，北京 100097；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；

3.中國(guó)石化勝利石油分公司東辛采油廠，山東東營(yíng) 257000)

摘要：煤層氣是氣體以吸附為主的連續(xù)型油氣聚集，是一種自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣。煤層的構(gòu)造、沉積、顯微組分和煤級(jí)是煤層氣形成的基礎(chǔ)。含煤盆地內(nèi)向斜和斜坡中的低幅構(gòu)造、背斜、斷層或褶皺發(fā)育且滲透率高的地區(qū)是煤層氣的高產(chǎn)富集區(qū)。沖積扇、辮狀河、河口灣和潟湖等沉積環(huán)境均可發(fā)育煤，成煤環(huán)境控制了煤的類型、煤質(zhì)、煤層連續(xù)性、煤層厚度及煤層頂、底板巖性。鏡質(zhì)組含量是影響煤層含氣量和煤層物性的重要因素。煤級(jí)是泥炭遭受成巖和變質(zhì)作用的反映，與煤層含氣量、滲透率、孔隙度及煤巖力學(xué)性能密切相關(guān)。煤層厚度、孔隙度、滲透率、壓力、含氣量、含氣飽和度及煤的工業(yè)分析作為煤層氣勘探開發(fā)的主要儲(chǔ)層參數(shù)，不但是優(yōu)選煤層氣甜點(diǎn)的重要指標(biāo)，而且決定了一個(gè)煤層氣田或項(xiàng)目的開采方式和產(chǎn)氣量。

關(guān)鍵詞：煤層氣；煤級(jí)；儲(chǔ)層；煤的工業(yè)分析；煤層含氣量

中圖分類號(hào)：P618.11

作者簡(jiǎn)介：第一李軍(1980年生)，男，工程師，2008年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，主要從事煤礦地質(zhì)研究。聯(lián)系人趙文光的郵箱：Zhaowenguang@petrochina.com.cn。

Coal Formation Background and CBM Reservoir Characteristics

Li Jun1, Zhao Wenguang2, Li Na3, Hong Guoliang2

(1.HuiyongHoldingGroupCo.,Ltd.,Beijing100097,China；2.PetroChinaResearchInstituteofPetroleum

Exploration&Development，Beijing100083,China；3.DongxinOilProductionPlant,Sinopec

ShengliOilfieldCompany,ShandongDongying257000,China)

Abstracts：Coalbed methane, a continuous hydrocarbon accumulation dominated by gas absorption, is a kind of unconventional natural featuring in self-generating and self-preserving. CBM generation is based on tectonics, sedimentation, maceral and rank of coal. CBM concentrates in internal syncline of coal-bearing basins, low-amplitude structure, anticlines, faults in slopes, or the high-permeability areas where folds developed. Coal also developed in such sedimentary environment as alluvial fan, braided river, estuary and lagoon. Coal-generating environment controls the type, quality, continuity, thickness, roof and floor’s lithology of coal. Vitrinite content mainly affects gas content and physical properties of coal reservoir. Coal rank is the result of coal diagenesis and metamorphism, which is closely related to gas content, permeability, porosity and mechanical properties of coal. Coal thickness, porosity, permeability, pressure, gas content, gas saturation and proximate analysis of coal are parameters for CBM exploration and development. They are not only important indicators for selecting CBM sweet spots, but also affect CBM exploitation and yield.

Key words: CBM; coal rank; reservoir; proximate analysis of coal; coalbed gas content

煤層氣是賦存在煤層中，原始賦存狀態(tài)以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主，以游離于煤割理、裂縫和孔隙中或溶解于煤層水中為輔，并以甲烷(CH4)為主要成分的烴類氣體[1]。煤層氣屬于連續(xù)型油氣聚集，又稱煤層甲烷，是形成于煤化作用、目前仍儲(chǔ)集在煤層中的一種自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣。

煤層氣主要成分為甲烷，大部分以單分子層形式吸附在煤基質(zhì)孔隙內(nèi)表面。煤層氣的形成過(guò)程與煤同步，生物成因和熱成因都可以生成煤層氣[2,3]。

全球煤層氣資源量可達(dá)260×1012m3，絕大多數(shù)分布在俄羅斯、加拿大、美國(guó)、中國(guó)和澳大利亞等12個(gè)主要產(chǎn)煤國(guó)或地區(qū)。俄羅斯煤層氣資源量為(17～113)×1012m3，主要集中在通古斯、庫(kù)茲涅茨克、勒拿、泰梅爾、伯朝拉、南雅庫(kù)特、濟(jì)良齊和東頓涅茨盆地。加拿大煤層氣資源量為(17.9～76)×1012m3，主要富集在艾伯塔省。美國(guó)煤層氣資源量為21.2×1012m3，西部落山基脈中—新生界含煤盆地集中了美國(guó)近85%的煤層氣資源。中國(guó)煤層氣資源量為36.8×1012m3，主要富集于鄂爾多斯、沁水、準(zhǔn)噶爾、二連、吐哈和滇東黔西等盆地(群)。目前美國(guó)、加拿大和澳大利亞已實(shí)現(xiàn)了煤層氣產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，中國(guó)也已步入產(chǎn)業(yè)化早期階段。

1 煤的形成背景

1.1 含煤盆地構(gòu)造特征

含煤盆地是指原始含煤沉積盆地，可以保持原始沉積盆地的基本面貌，但大多數(shù)由于后期構(gòu)造變動(dòng)和剝蝕作用而被分割為一系列后期構(gòu)造盆地。含煤盆地的形成、演化和結(jié)束，是古構(gòu)造、古地理、古氣候及古植物等多種因素綜合作用的產(chǎn)物[4，6，7]。一般情況下，古構(gòu)造和古地理是含煤盆地形成、演化的主要控制因素，古氣候、古植物提供了聚煤的物質(zhì)基礎(chǔ)。

含煤盆地的構(gòu)造成因歸納為坳陷型、斷陷型和構(gòu)造—侵蝕型3種類型[4]。美國(guó)圣胡安盆地是形成于晚白堊世—早始新世的坳陷型含煤盆地，具有南部緩、北部陡的特點(diǎn)(圖1)。具有穩(wěn)定區(qū)域構(gòu)造背景的含煤盆地不僅有利于煤層氣成藏，而且有利于煤層氣開發(fā)，尤其是盆地內(nèi)構(gòu)造相對(duì)活動(dòng)的區(qū)域。含煤盆地內(nèi)向斜和斜坡中的低幅構(gòu)造、背斜、斷層或褶皺發(fā)育區(qū)都是煤層氣富集有利區(qū)。沁水盆地煤層氣富集區(qū)位于盆地內(nèi)的寬緩向斜，鄂爾多斯盆地東緣的對(duì)稱背斜煤層氣富集。如果富集區(qū)的煤層具有較高的滲透率或割理發(fā)育，那么這些富集區(qū)也是煤層氣的高產(chǎn)區(qū)。

圖1　美國(guó)圣胡安盆地構(gòu)造剖面圖 ① Stone W J, Lyford F P, Frenzel P F, et al.,Hydrogeology ang water resources of San Juan Basin, New Mexico.New Mexico Bureau of Mines and Mineral Resources, Hydrologic Peport 6, 1983;70. Fig.1　Tetonic profile of San Juan Basin,USA

中國(guó)的沁水、鄂爾多斯和準(zhǔn)噶爾等含煤盆地聚煤后經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，煤層遭受不同程度的破壞改造，構(gòu)造復(fù)雜；美國(guó)圣胡安盆地、澳大利亞蘇拉特盆地在聚煤之后，構(gòu)造穩(wěn)定。

1.2 煤形成的沉積環(huán)境

成煤環(huán)境控制了煤的類型、煤質(zhì)、煤層連續(xù)性、煤層厚度及煤層頂、底板巖性等，是煤層氣地質(zhì)研究的重要組成部分[4]。準(zhǔn)確地說(shuō)，成煤環(huán)境應(yīng)為煤前身——泥炭的沉積環(huán)境，即形成泥炭時(shí)的古地理環(huán)境。泥炭的形成要求地面在潛水面附近(通常在其上或下1m左右)且易于積水，主要出現(xiàn)在高地下水位至地表淺水滯留帶與碎屑沉積不活躍的地方，可發(fā)育在沖積扇、辮狀河、河口灣和潟湖等多種環(huán)境[5～8]。

沼澤是常年積水或極其潮濕區(qū)域，其沉積物主要是由富含有機(jī)質(zhì)的淤泥和粉砂質(zhì)組成。泥炭沼澤發(fā)育于陸相成煤環(huán)境，主要出現(xiàn)在河流泛濫平原或三角洲平原。河流泛濫平原泥炭沼澤成煤的特點(diǎn)是煤層層位較穩(wěn)定，厚度變化大，硫含量低，灰分含量變化較大，常有沖刷現(xiàn)象；三角洲平原泥炭沼澤是發(fā)育在以三角洲平原為主的泥炭沼澤化而形成的聚煤環(huán)境，煤層分布面積廣、厚度較大，但常被分流河道沖刷而變化較大，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，灰分含量變化大，硫含量一般較低[5，9]。這類沼澤易受海水或湖水進(jìn)退的影響，泥炭層夾有較多的海相或陸相碎屑或碳酸鹽沉積物。潮坪沼澤由于常被海水淹沒(méi)，多為覆水沼澤，還原性強(qiáng)，煤鏡質(zhì)組含量高，割理發(fā)育，煤層氣吸附量大[10]。

1.3 煤顯微組分

在光學(xué)顯微鏡下能夠識(shí)別出來(lái)的組成煤的基本成分稱為顯微組分，按煤的成分和性質(zhì)分為有機(jī)顯微組分和無(wú)機(jī)顯微組分，由植物遺體變化而成的為有機(jī)顯微組分，而煤中的礦物雜質(zhì)則為無(wú)機(jī)顯微組分。煤有機(jī)顯微組分通常分為鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組，并可進(jìn)一步分為顯微亞組分。

鏡質(zhì)組是煤中最常見(jiàn)、最重要的顯微組分，是由成煤植物的木質(zhì)纖維組織經(jīng)腐殖化和凝膠化作用而形成的顯微組分。鏡質(zhì)組含量是影響煤層含氣量和煤層物性的重要因素之一，因此顯微組分定量分析是煤層氣勘探中煤層評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容[11]。

1.4 煤級(jí)

有機(jī)質(zhì)被埋藏、壓縮、脫水后形成泥炭，隨著泥炭埋深增加，受到更高的溫度和壓力作用，將更多的水分和揮發(fā)物排除出去，碳含量增加，泥炭就轉(zhuǎn)變成煤。 煤級(jí)又稱煤階，是泥炭遭受成巖和變質(zhì)作用的反映，與煤層含氣量、滲透率、孔隙度及力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，是煤層氣勘探開發(fā)研究的重要內(nèi)容。分別處于低變質(zhì)、中等變質(zhì)和高變質(zhì)階段的煤相應(yīng)地被稱作低煤階煤、中煤階煤和高煤階煤(圖2)。

中國(guó)煤層氣開采以中高煤階煤為主，國(guó)外以中低煤階煤為主。沁水盆地煤層氣開采區(qū)以中高煤階的煙煤和無(wú)煙煤為主，美國(guó)圣胡安盆地煤層氣4開采區(qū)則以中煤階的高揮發(fā)分B煙煤—中揮發(fā)分煙煤為主。

2 煤層氣儲(chǔ)層特征

2.1 煤層厚度

煤層是煤層氣生成與富集的載體和物質(zhì)基礎(chǔ)，其厚度是煤層氣儲(chǔ)量評(píng)估及勘探開發(fā)中的重要參數(shù)。煤層厚度分為總厚度和凈厚度。煤層總厚度是指單一的、垂向上連通的煤層從頂部到底部煤的累計(jì)厚度，包括了低滲透、薄層劣質(zhì)煤甚至非煤夾矸。煤層凈厚度是指對(duì)煤層氣生產(chǎn)有實(shí)際價(jià)值的煤層厚度，相當(dāng)于常規(guī)油氣中的產(chǎn)層厚度。澳大利亞蘇拉特盆地煤層凈厚度為10～50m。

圖2　煤級(jí)與氣體生成圖 [10] Fig.2　Coal rank and methane generation

2.2 煤層孔隙度

煤層通常發(fā)育基質(zhì)孔隙和裂縫孔隙，構(gòu)成雙重孔隙系統(tǒng)(圖3)?；|(zhì)孔隙是煤層氣的賦存空間，裂縫孔隙對(duì)煤層氣運(yùn)移和產(chǎn)出具有決定作用[12]。

圖3　煤層雙重孔隙系統(tǒng)示意圖 Fig.3　Sketch map showing the dual-pore system of coalbed

煤層孔隙按孔徑可劃分為微孔(0.8～2nm)、中孔(2～50nm)和大孔(>50nm)[13]。微孔主要與煤中生物高聚物芳香族分子結(jié)構(gòu)的保存相關(guān)，90%～98%的煤層氣吸附在微孔表面[13，14]。煤顯微組分中的孔隙存在差別，鏡質(zhì)組中孔隙比較發(fā)育，以粒間孔、礦物鑄模孔及氣孔為主；惰質(zhì)組孔隙豐富，以中孔和大孔為主。惰質(zhì)組中的絲質(zhì)體內(nèi)可發(fā)育連通好的孔隙，可作為流體運(yùn)移的通道[13]。隨著惰質(zhì)組含量的增加，煤內(nèi)中孔和大孔比例相應(yīng)增加。殼質(zhì)組是孔隙最不發(fā)育的顯微組分，在木栓體、角質(zhì)體和樹脂體中很難見(jiàn)到孔隙。一般來(lái)說(shuō)，隨著煤變質(zhì)程度的增強(qiáng)，微孔比例不斷增加，大孔比例不斷降低。掃描電鏡觀察表明，高揮發(fā)分A煙煤、高揮發(fā)分B煙煤及部分高揮發(fā)分C煙煤中各種類型孔隙豐富，以粒間孔和植物胞腔孔為主；部分高揮發(fā)分C煙煤、中揮發(fā)分煙煤及部分低揮發(fā)分煙煤孔隙大量減少，孔徑也減小，出現(xiàn)了較豐富的氣孔，植物組織孔是主要孔隙；半無(wú)煙煤、無(wú)煙煤可見(jiàn)孔隙較少且孔徑很小。

一般來(lái)說(shuō)，大孔包括割理、裂縫及絲質(zhì)體中的較大孔隙，煤表面吸附不了的氣體以游離態(tài)存在于大孔中。裂縫孔隙是大孔的主體，是在成煤及變質(zhì)過(guò)程中，煤受到自然界各種應(yīng)力作用所形成的。裂縫孔隙按成因分為內(nèi)生裂縫孔隙和外生裂縫孔隙，形成于煤化作用過(guò)程的內(nèi)生裂縫孔隙即為割理，是裂縫孔隙的主體。割理分為面割理和端割理，面割理形成早于端割理，是割理的主體，在割理中通常起主導(dǎo)作用(圖2)。構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的局部裂縫有時(shí)與割理重疊，改造割理并使之復(fù)雜化。煤層割理占總孔隙的比例小，一般小于5%。煤層割理中初始?xì)怙柡投纫话愫艿?，大多?0%以下。煤層割理和裂縫溝通基質(zhì)，增加了煤層的滲透性，在煤層氣開采過(guò)程中起著非常重要的作用。在黑勇士盆地，煤層割理發(fā)育的氣井產(chǎn)量是煤層割理少或不發(fā)育氣井產(chǎn)量的2～4倍。

礦物成分同樣影響煤層孔隙的發(fā)育程度。由于礦物主要充填大孔和中孔，隨著礦物含量的增加，微孔相對(duì)體積分?jǐn)?shù)增加，導(dǎo)致煤層有效孔隙度降低，滲透性變差。

2.3 煤層滲透率

煤層滲透率是表征煤層中煤層氣和煤層水滲透性的重要參數(shù)，是決定煤層氣能否開發(fā)的重要考核指標(biāo)之一。煤基質(zhì)滲透率非常低，流體流動(dòng)和壓力傳遞主要依賴于割理和裂縫。煤層基質(zhì)滲透率與煤級(jí)、煤的組分和灰分關(guān)系密切。褐煤、長(zhǎng)煙煤和氣煤滲透率高，肥煤和焦煤次之，瘦煤、無(wú)煙煤最差；煤中惰質(zhì)組含量越高，煤層滲透率就越高；煤中灰分含量越低，煤層割理發(fā)育，滲透率就越高。

煤層滲透率受煤層埋深影響較大，煤層埋深較淺時(shí)滲透率高，埋深增加到一定深度時(shí)煤層滲透率會(huì)急劇降低。皮申思、黑勇士和圣胡安盆地煤層埋深每增加1000ft(304.78m)，煤層滲透率降低約20%，在7000ft(2133.50m)左右煤層滲透率降至0.1mD。煤層滲透率小于1mD時(shí)，煤層氣經(jīng)濟(jì)性明顯下降，小于0.1mD時(shí)壓裂不起作用。

滲透率對(duì)煤層氣產(chǎn)量影響很大，煤層滲透率高，排水降壓快，壓力傳導(dǎo)范圍大，氣體解吸速度快，解吸氣量多，產(chǎn)氣量及采出程度相對(duì)較高；煤層滲透率低，排水降壓慢，壓力傳導(dǎo)范圍小，氣體解吸速度慢，解吸氣量少，產(chǎn)氣量及采出程度相對(duì)較低(圖4)。煤層滲透率受壓力影響較大；但初始孔隙度低、楊氏彈性模量高的煤層滲透率則受壓力影響較小。在煤層氣解吸過(guò)程中，體應(yīng)變程度與煤層氣組分有一定關(guān)系，與氣體的蘭格繆爾體積成正比。如果煤層氣組分單一，那么體應(yīng)變與氣體吸附量呈線性關(guān)系，體應(yīng)變值可通過(guò)等溫吸附曲線預(yù)測(cè)。解吸造成煤層微孔收縮在煤層氣項(xiàng)目末期達(dá)到最大，這是因?yàn)榇蟛糠置簩託饨馕⒖桌塾?jì)收縮量達(dá)到最大，同時(shí)單位壓力解吸量增加。

圖4　煤層滲透率與煤層氣產(chǎn)量關(guān)系模擬圖 [15] Fig.4　Stimulation of the correlation between coalbed permeability and coabed methane production

2.4 煤層壓力

煤層靜水壓力梯度低于8.0kPa/m的為負(fù)壓系統(tǒng)，高于11.0kPa/m為超壓系統(tǒng)，在8.0～11.0kPa/m之間為正常壓力系統(tǒng)[11]。超壓系統(tǒng)發(fā)育在美國(guó)西部中—新生代等地質(zhì)年代較新的含煤盆地，低滲透煤層生烴是造成超壓的原因之一。

通常煤層靜水壓力決定了煤層含氣量，靜巖壓力對(duì)煤層滲透率和煤層氣生產(chǎn)影響較大。煤層滲透率通常隨著靜巖壓力的增加而減?。灰虼?，美國(guó)開采煤層氣埋深一般小于1200m。大于這一深度滲透率急劇下降，經(jīng)濟(jì)效益顯著減少。美國(guó)粉河盆地滲透率大于1mD的煤層埋藏較淺，能夠滿足煤層氣商業(yè)開發(fā)的要求。在存在承壓水導(dǎo)致的超壓盆地，靜巖壓力相對(duì)減小，煤層滲透率較大。不同的沉積盆地煤層滲透率與深度的關(guān)系不同，這取決于煤層靜水壓力梯度、水平構(gòu)造應(yīng)力的大小和方向。

2.5 煤的工業(yè)分析

按照煤的定義，煤是指質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%、體積分?jǐn)?shù)大于70%的有機(jī)質(zhì)。煤的工業(yè)分析又稱煤的技術(shù)分析或應(yīng)用分析，是分析煤組分的實(shí)驗(yàn)室方法。煤的灰分、揮發(fā)分、水分和固定碳工業(yè)分析參數(shù)主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，而這些參數(shù)又與煤層氣密切相關(guān)。

煤灰分是煤燃燒后剩下的殘?jiān)?，在很大程度上影響煤層吸附氣量和滲透率?；曳趾吭礁撸簩游綒饬吭缴?；灰分含量越低，煤層中的裂縫越發(fā)育，滲透率越高?；曳峙c礦物組分是兩個(gè)不同的概念，但在應(yīng)用時(shí)常把灰分與礦物組分等同。美國(guó)粉河盆地Fort Union組煤層灰分含量為4%～10%，一般小于5%[3]。

揮發(fā)分主要由煤樣加熱后生成的碳?xì)浠衔锛拔锢砦揭酝獾乃M成。揮發(fā)分不是煤的固有組分，與煤的成因、顯微組分及煤級(jí)等相關(guān)。煤工業(yè)分析中測(cè)定的揮發(fā)分是煤在嚴(yán)格規(guī)定條件下加熱時(shí)的熱分解產(chǎn)物，改變?nèi)魏螌?shí)驗(yàn)條件都會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)不同程度的影響；因此，中國(guó)規(guī)定在900℃加熱7min的條件來(lái)對(duì)其進(jìn)行測(cè)定[11]。煤的揮發(fā)分隨煤級(jí)的增高而降低。

煤中水分是指空氣干燥狀態(tài)下吸附或凝聚在煤顆粒中的水分，測(cè)定值稱為空氣干燥基水分，簡(jiǎn)稱水分[12]。水分一般與煤級(jí)密切相關(guān)，由于微孔和大孔數(shù)量可能與煤級(jí)相關(guān)，因此低揮發(fā)分煙煤中水分含量最低(圖5)。在褐煤和亞煙煤中，水分可作為一個(gè)煤級(jí)指標(biāo)。水分占據(jù)了吸附空間，減弱了煤對(duì)甲烷的吸附能力。美國(guó)圣胡安盆地Fruitland煤組煤層水分含量在盆地南部平均為10%，在北部只有2%。美國(guó)粉河盆地Fort Union組煤層水分含量較高，為22%～30%[3]。

圖5　水分與煤級(jí)關(guān)系圖 [16] Fig.5　Correlation between moisture and coal rank

煤的固定碳是煤在隔絕空氣加熱條件下，有機(jī)質(zhì)分解的殘余物。煤中除去灰分、水分和揮發(fā)分即可得到固定碳含量。固定碳含量隨煤級(jí)增加而增加。

2.6 煤層含氣量

煤層含氣量是指地下煤層溫度、壓力條件下單位質(zhì)量煤所含氣體的體積，常用單位為cf/t或m3/t。煤層含氣量是確定煤層氣資源量、儲(chǔ)量及儲(chǔ)量豐度的重要參數(shù)，可與煤層氣分布面積、厚度、儲(chǔ)層壓力、煤層物性、吸附等溫線等一起綜合分析其高產(chǎn)富集條件，預(yù)測(cè)產(chǎn)氣能力，確定勘探開發(fā)方案。煤層含氣量也是煤層氣開發(fā)中的一個(gè)非常重要的參數(shù)，它直接影響著煤層氣產(chǎn)量。在其他條件相同的情況下，煤層含氣量越大，煤層氣產(chǎn)量越高。

2.7 煤層含氣飽和度

對(duì)于常規(guī)氣藏而言，含氣飽和度是指原始狀態(tài)下儲(chǔ)層內(nèi)天然氣體積占連通孔隙體積的百分?jǐn)?shù)。對(duì)于煤層氣開發(fā)而言，理解煤層含氣飽和度很重要。煤層含氣飽和度與煤層孔隙無(wú)關(guān)，它是指在一定的煤層溫度和壓力條件下，單位體積煤層實(shí)際含氣量與理論吸附量的比值。在自然狀態(tài)的煤層中，煤層含氣飽和度只有欠飽和與飽和兩種情況。如果考慮煤層中的游離氣量，煤層含氣飽和度則有可能出現(xiàn)過(guò)飽和。

在實(shí)際操作中，大多應(yīng)用等溫吸附曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖6)。臨界解吸壓力是在一定溫度下，煤層壓力降至煤層氣開始解吸時(shí)的壓力，也稱為煤層氣飽和壓力。如果煤層實(shí)際壓力高于臨界解吸壓力，煤層含氣飽和度則為欠飽和，必須降低壓力到臨界壓力才能使煤層氣開始解吸。欠飽和狀態(tài)下的實(shí)際吸附量與煤層廢棄壓力(PA)對(duì)應(yīng)吸附量之差即為可采部分(圖6)。

圖6　欠飽和煤層氣示意圖 [17] Fig.6　Sketch map of undersaturated coalbed methane

圖7　欠飽和煤層等溫吸附曲線實(shí)例圖 [11] Fig.7　Isothermal adsorption curve of undersaturated coalbed

煤層含氣飽和度不確定時(shí)，預(yù)測(cè)飽和程度對(duì)煤層氣項(xiàng)目的開發(fā)和經(jīng)濟(jì)性很重要。在干煤中，飽和煤層在壓力下降初期便開始解吸，表現(xiàn)為開采初期即為氣水同產(chǎn)；在欠飽和煤層中，欠飽和程度決定了降壓的幅度，表現(xiàn)為開采初期產(chǎn)水，壓力降低到臨界解吸壓力時(shí)才開始?xì)馑a(chǎn)[18]。圖7是通過(guò)中揮發(fā)分煙煤的干燥無(wú)灰基等溫吸附曲線展示欠飽和的實(shí)例。含氣量比吸附量小2.5cm3/g的欠飽和煤層，在煤層壓力為15MPa時(shí)，壓力必須降低6MPa時(shí)才能達(dá)到臨界解吸壓力；如果煤層初始?jí)毫χ挥?.5MPa，同樣的欠飽和程度只需降低1MPa即可降至臨界解吸壓力。

3 結(jié)束語(yǔ)

含煤盆地的構(gòu)造、沉積控制了煤的形成；煤顯微組分及煤階控制了煤層氣的形成，是煤層氣富集的基礎(chǔ)。煤層厚度、滲透率、壓力等煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)是煤層氣勘探開發(fā)中的重要指標(biāo)。因此，有必要在含煤盆地構(gòu)造、沉積等研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)優(yōu)選預(yù)測(cè)煤層氣有利勘探目標(biāo)，尋找能夠經(jīng)濟(jì)開采的煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)。

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