煤層氣成藏機(jī)理研究進(jìn)展綜述

1、精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，歡迎閱讀下載煤層氣成藏機(jī)理研究進(jìn)展綜述煤層氣成藏機(jī)理研究進(jìn)展綜述摘要：煤層氣是貯存于煤層及其鄰近圍巖之中的一種自生自儲 式非常規(guī)天然氣，其成藏機(jī)理包括煤層 氣從生成、賦存到運(yùn)聚成藏的整個過程。 是在大量調(diào)研國內(nèi)外前人研究成果的基 礎(chǔ)上，簡要介紹了煤層氣成藏機(jī)理的研 究歷史；系統(tǒng)的總結(jié)和分析了煤層氣在 生成、賦存、運(yùn)移機(jī)理方面的研究現(xiàn)狀 及研究進(jìn)展；指出了煤層氣研究方面目 前存在的問題以及未來的發(fā)展趨勢；為 系統(tǒng)地開展煤層氣成藏機(jī)理研究，建立 符合我國地質(zhì)條件的煤層氣基礎(chǔ)理論提 供參考。關(guān)鍵詞：煤層氣；成藏機(jī)理; 吸附；解吸；擴(kuò)散；滲流 隨著國

2、民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國對天然氣的需 求量逐年增加，僅靠常規(guī)天然氣的勘探 和開發(fā)已不能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需 要，尋找新的天然氣資源補(bǔ)充和接替常規(guī)天然氣資源成為迫在眉睫的問題。煤 層氣是貯存于煤層及其鄰近圍巖之中的 一種自生自儲式非常規(guī)天然氣，又稱煤 礦瓦斯氣，其主要成分為甲烷，還有少 量的二氧化碳、一氧化碳、氮?dú)獾?。?煤層氣而言，煤層既是氣源巖，又是儲 集巖。煤層具有一系列獨(dú)特的物理，化 學(xué)性質(zhì)和特殊的巖石力學(xué)性質(zhì)，因而使 煤層氣在生成、賦存、運(yùn)移、成藏過程 等方面與常規(guī)天然氣有著明顯的區(qū)別。 勘探、開發(fā)并利用煤層氣資源不僅可以 變廢棄物為資源，而且對于改善我國的 能源結(jié)構(gòu)、凈化環(huán)境都有著十分

3、重要的 意義。美國是世界上最早實(shí)現(xiàn)煤層氣工 業(yè)性開采的國家，也是唯一擁有比較完 善的煤層氣勘探開發(fā)理論、勘探經(jīng)驗(yàn)、 方法以及技術(shù)的國家。我國是世界上煤 炭資源和煤層氣資源量最豐富的國家之 一，于勘探開發(fā)起步較晚，成藏基礎(chǔ)理 論和技術(shù)方面都存在若干關(guān)鍵性難題 1,隨著勘探開發(fā)的進(jìn)一步深入，有必 要對有關(guān)的煤層氣成藏機(jī)理研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，以明確這一領(lǐng)域的最新研 究進(jìn)展、目前存在的問題以及未來的發(fā) 展趨勢。1煤層氣成藏機(jī)理的研究歷史國外研究世界上的主要發(fā)達(dá)國家如美國、加拿大、澳大利亞、英國等國 先后開展了一系列煤層氣的勘探實(shí)驗(yàn)工作，除了美國在圣胡安盆地和黑勇士盆 地等已進(jìn)入商業(yè)開發(fā)階段外，其他國

4、家 均處于研究探索階段26。作為世界上 勘探開發(fā)煤層氣最先進(jìn)的國家，自 上世紀(jì)80年代初，美國以西部的圣胡安 和中部的黑勇士盆地為研究和勘探基 地，進(jìn)行了系統(tǒng)的煤層氣生成、賦存和 運(yùn)移成藏理論研究工作，形成了關(guān)于煤 層氣產(chǎn)出 排水一降壓一解吸一擴(kuò)散 滲流”過程認(rèn)識上的突破，經(jīng)過理論研究 與開發(fā)實(shí)踐的多輪反饋提出了北美西部 落基山造山帶高走廊的煤層氣成藏模 式，建立了以煤儲層雙孔隙導(dǎo)流、中煤 級煤生儲與成藏優(yōu)勢、低滲極限與高煤。以級煤產(chǎn)氣缺陷、多井干擾等為核心的煤 層氣勘探開發(fā)基礎(chǔ)理論體系7精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝閱讀下載 3 上述理論為指導(dǎo)，美國取得了西部煤層 氣

5、勘探開發(fā)的成功，然而美國西部的煤層 氣理論并不適用于東部，這表明美國的煤 層氣勘探開發(fā)理論具有很大的局限性。1998年，美國的煤層氣理論又取得了新 的突破，在發(fā)育低階煤（褐煤）的汾河盆地 成功地實(shí)現(xiàn)了商業(yè)開發(fā)，繼而提出了 生 物型和次生煤層氣成藏理論”，完善了煤 層氣的生成機(jī)理。于地質(zhì)條件的差異，上 述發(fā)達(dá)國家除了加拿大于地質(zhì)條件與美 國相似外，其它國家在煤層氣開發(fā)實(shí)踐 上多未獲得成功，這表明美國以中階煤為 主體的煤層氣成藏理論有著自身理論上 的重要缺陷，主要原因是美國西部的含 煤盆地地質(zhì)條件簡單且有利于煤層氣開 發(fā)，相應(yīng)建立的煤層氣理論大部分只是 一種經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，不可能對煤層氣深層次 的成藏機(jī)

6、理研究具有指導(dǎo)和借鑒意義。國內(nèi)研究我國的煤層氣理論研究最早可以追溯到上世紀(jì)50年代的遼寧撫 順礦務(wù)局龍鳳煤礦的煤礦瓦斯抽放活 動，當(dāng)時的抽放活動只是為了煤礦的生精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，歡迎閱讀下載產(chǎn)安全。真正意義上的煤層氣研究起步于20世紀(jì)0年代國家 七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目 我國煤層甲烷的富集條件及資源評價0年代中期我國開始引進(jìn)美國的勘探開采技術(shù)，并參照美國的有關(guān)理 論進(jìn)行煤層氣的研究和開發(fā)試驗(yàn)，總體 來說當(dāng)時的成效不大。直到2002年以后, 國家973計(jì)劃中國煤層氣成藏機(jī)制及經(jīng) 濟(jì)開采基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目的實(shí)施，隨著對煤 層氣成藏機(jī)理等一系列基礎(chǔ)理論研究的 深入，從而開創(chuàng)了我

7、國煤層氣產(chǎn)業(yè)的新 局面。多年來，盡管我國的煤層氣基礎(chǔ)理 論研究有了較大的進(jìn)展，但并沒有形成 理論突破，目前我國還沒有成功開發(fā)的煤 層氣田。究其原因，國內(nèi)學(xué)者達(dá)成的共 識是：一方面是于中國具有與北美大陸 完全不同的成煤和煤化作用地質(zhì)條件， 地殼具有多期疊加性，構(gòu)造具有復(fù)雜多 樣性，美國的煤層氣基礎(chǔ)理論對我國的 煤層氣勘探開發(fā)不具有可借鑒的實(shí)際指導(dǎo)作用；另一方面中國的煤儲層具有自身的顯著特性，中國煤層氣藏有自 精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝閱讀下載 5 身特殊的成藏條件和成藏規(guī)律，而國內(nèi) 的煤層氣成藏基礎(chǔ)理論研究則相對薄 弱?？傊?，雖然我國煤層氣工作者在此 研究領(lǐng)域進(jìn)行了大

8、量的相關(guān)研究914,但對中國煤層氣的生成賦存和運(yùn)移 可采規(guī)律仍認(rèn)識不清，遠(yuǎn)未達(dá)到機(jī)理清 晰、規(guī)律明確的程度，理論上的低水平在 一定程度上嚴(yán)重制約著中國煤層氣開發(fā) 技術(shù)商業(yè)化、國產(chǎn)化的進(jìn)程，難以形成 煤層氣產(chǎn)業(yè)，因此亟待建立符合中國地質(zhì) 條件的煤層氣系統(tǒng)理論體系、有效資源 評價體系和開發(fā)系統(tǒng)決策體系。需要特 別指出的是，建立符合我國特殊地質(zhì)條件 和煤層氣藏的煤層氣生成、賦存、運(yùn)移 規(guī)律，形成新的煤層氣基礎(chǔ)理論是前期工 作的關(guān)鍵，這對于我國的煤層氣產(chǎn)業(yè)盡 快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化具有十分重大的戰(zhàn)略意義 和理論應(yīng)用價值。2煤層氣成藏機(jī)理的研究現(xiàn)狀及研究進(jìn)展煤層氣的生成機(jī)理煤層氣是一種潛力巨大的資源，研究其生成機(jī)

9、理，對于了解煤層 氣的賦存、運(yùn)移，煤層氣資源評價，指 精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝閱讀下載 6 精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，歡迎閱讀下載導(dǎo)煤層氣勘探開發(fā)和合理利用都具有重 要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的煤層氣成因概念 包括：熱成因、生物成因、混合成因等 15,不同成因類型的煤層氣具有不同的 生成機(jī)理，研究煤層氣的生成機(jī)理即是對 各種成因煤層氣生成機(jī)理的系統(tǒng)研究。 生物成因煤層氣主要形成于煤化作用的 早期階段，即泥炭沼澤或低煤級煤（褐煤） 階段。大量生物氣生成所需要的條件是： 缺氧、低溫、低硫酸鹽、高pH值、淺埋 深、適當(dāng)?shù)目紫犊臻g、含有大量有機(jī)物 的迅速沉

10、積環(huán)境16。生物氣的生成一般 通過兩個途徑，一是還原二氧化碳，二 是甲基類發(fā)酵（一般為醋酸發(fā)酵）。熱成因 煤層氣主要形成于煤層低煤階向高煤階 演化的過程中，這個時期隨著埋深增加， 溫度和壓力隨之增加，煤層中熱解揮發(fā) 出以甲烷為主的熱解燒類。隨著煤化作 用的加深，煤層氣的生成量也逐漸增多。 長期以來在煤層氣的勘探開發(fā)中，多數(shù) 國家主要是從熱成因氣的角度考慮煤層 氣的氣源，而很少考慮生物成因煤層氣精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝閱讀下載 # =精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，歡迎閱讀下載=這一來源，主要原因是，研究者一般認(rèn)為早期生成的原始生物成因煤層氣埋藏較

11、 淺且上覆蓋層膠結(jié)固化不好，不能被大 量地保留在煤層中1718晚期形成的生物煤層氣需要特定的環(huán) 境，在煤層氣中所占的比重可能不大。近年來國外在此方面的研究取得了 一些 新的進(jìn)展，最為引人注目的是次生生物 煤層氣以及催化生成機(jī)理的研究。等研 究證實(shí)了圣胡安盆地次生生物煤層 氣的存在；等19測定了澳大利亞悉尼和 博文（Bowen）盆地二疊系煙煤中煤層氣 的組成和同位素組成，提出了這兩個盆地 煤層氣的生成機(jī)理，并證實(shí)了兩個盆地 的煤層氣以次生生物煤層氣為主；波蘭的 Upper Silesian和Lublin盆地晚石炭世含 煤地層煤層氣也為次生生物煤層氣 2021。目前對次生生物煤層氣的生 成機(jī)理達(dá)成

12、的共識是：成煤后，因構(gòu)造 運(yùn)動煤層被抬升到近地表，含菌的地表 水下滲進(jìn)入煤層，在相對較低的溫度下, 使煤化過程中產(chǎn)生的濕氣、正烷燒及其精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝閱讀下載 8 精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝閱讀下載 11 它有機(jī)質(zhì)經(jīng)細(xì)菌降解和代謝作用而生成 次生生物煤層氣22,次生生物煤層氣代 表了一種重要的煤層氣源。國內(nèi)也開展 了對次生生物煤層氣的研究，陶明信等 17研究證實(shí)了淮南新集礦區(qū)的煤層氣 中有53%以上為次生生物煤層氣，但與 此同時國內(nèi)的學(xué)者也經(jīng)研究指出，不能 受美國 次生生物氣成藏”理論的影響， 盲目地把我國煤層氣同位素普遍偏輕的

13、 現(xiàn)象籠統(tǒng)解釋為次生生物煤層氣，我國 煤層氣同位素偏輕主要是因?yàn)槊簩託獍l(fā) 生了分儲效應(yīng)23。總體來說與外國學(xué)者 們所取得的成果相比，我國在煤層氣生 成機(jī)理尤其是次生生物煤層氣的生成機(jī) 理及其資源意義方面的研究還有相當(dāng)大 的差距，今后有待加強(qiáng)研究工作。煤層氣的賦存機(jī)理煤層中煤層氣賦存的多少，關(guān)系到煤層中煤層氣的含量 以及煤層氣在煤層中的流動規(guī)律，因此 對煤層氣賦存機(jī)理研究是十分重要的。煤層氣以溶解氣、游離氣和吸附氣三種 方式賦存于煤層的孔隙、裂隙雙孔隙系統(tǒng)空間之中。割理孔隙度一般都較小且 被水充滿,其中溶解氣、游離氣較少，因 此主要作為煤層氣滲流運(yùn)移的主要通 道。煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在于煤的

14、基質(zhì)微孔中，吸附氣占總含氣量 90% 95%以上，正是于煤的這種吸附特性決 定了煤的儲集能力。煤層氣以游離態(tài)、 吸附態(tài)、溶解態(tài)三種方式在煤層中賦存， 三種狀態(tài)處于一個動態(tài)平衡過程中16。 在地層溫度、壓力及水動力條件變化時， 煤層氣的賦存狀態(tài)也相互轉(zhuǎn)換，吸附狀 態(tài)轉(zhuǎn)化為溶解狀態(tài)、游離狀態(tài)，或游離狀 態(tài)、溶解狀態(tài)改變?yōu)槲綘顟B(tài)。其賦存 機(jī)理如下所示：煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在于煤的基質(zhì)微孔中以及三種賦 存狀態(tài)以動態(tài)平衡形式共存，有別于常 規(guī)天然氣依賴圈閉作用富集成藏。此， 煤層氣賦存機(jī)理的研究主要集中在煤層 氣吸附機(jī)理的研究上；吸附機(jī)理的研究 進(jìn)展主要體現(xiàn)在對經(jīng)驗(yàn)性的吸附公式以 及吸附模型的建立上

15、；目前最為基礎(chǔ)和 常用的吸附模型Langmuir單分子等溫吸 精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝閱讀下載 10 =精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，歡迎閱讀下載=附理想模型和BET多分子層吸附模型。 此后國內(nèi)外的研究主要是圍繞著常規(guī)吸 附模型來描述的；等24研究了低壓下氣 體單層吸附能力與煤層孔隙結(jié)構(gòu)對甲烷 采收率的影響，觀察到了吸附滯后現(xiàn)象； 吳俊25用Langmuir吸附模型參數(shù)計(jì)算 煤表面能的方法，并討論了表面能與煤 變質(zhì)程度的關(guān)系，劉紅巖等26探討了煤 巖吸附時間與煤級、煤灰分、煤巖組成、 解吸溫度等的關(guān)系，結(jié)果表明煤巖組成 和煤級的影響較大。近年來

16、國內(nèi)外的研 究深化了對煤層氣吸附機(jī)理的認(rèn)識，目前 最新的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾個方 面：烏克蘭科學(xué)家Alexeev等27采用核 磁共振和X射線衍射技術(shù)，研究認(rèn)為煤 中有固溶態(tài)煤層氣賦存形式的存在；已有 實(shí)驗(yàn)證明了 Langmuir吸附模型不能解釋 于煤儲層非均質(zhì)性引起的煤層氣吸附滯 后現(xiàn)象；煤層氣在正常地層超臨界狀態(tài) 條件下的吸附特征仍處于初期探索階 段。煤層氣的運(yùn)移機(jī)理煤層氣藏是一種壓力圈閉氣藏，其運(yùn)移是指煤儲層內(nèi)煤層氣的解吸擴(kuò)散滲流過程，運(yùn)移 的結(jié)果是導(dǎo)致煤層氣的相對富集和貧 化。煤層氣的運(yùn)移包括解吸 一擴(kuò)散一滲 流三個過程。煤層氣的開采實(shí)際上也經(jīng) 歷了解吸、擴(kuò)散、滲流三個階段，首先 煤

17、基質(zhì)內(nèi)表面上吸附的煤層氣因孔隙壓 力降低而解吸，擴(kuò)散至裂隙中轉(zhuǎn)變?yōu)橛?離煤層氣，然后于裂隙和井孔之間的壓 力梯度及煤層氣的濃度梯度產(chǎn)生煤層氣 滲流，最終煤層氣井產(chǎn)出。因此研究煤 層氣的運(yùn)移機(jī)理對于提高煤層氣的產(chǎn)氣量有著重要意義。解吸機(jī)理解吸是煤層中的吸附氣于自氣體壓力減小而轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x氣的過 程，于煤層氣在煤層中的解吸和吸附是 兩個可逆的過程，因此以往對解吸機(jī)理 的研究主要是對煤層氣吸附機(jī)理的研 究，力求從吸附機(jī)理的反向?qū)γ簩託馕?附機(jī)理進(jìn)行探討。目前，最新的研究進(jìn)展: 霍永忠28通過實(shí)驗(yàn)分析了氣體在煤儲 層內(nèi)的解吸特征，并分析了煤儲層氣體解吸特征與物質(zhì)組成、煤階和孔隙結(jié)構(gòu) 的關(guān)系，結(jié)果證明了物

18、質(zhì)組成和煤階是 影響煤儲層中氣體解吸效率的最主要因 素。陳振宏29等利用煤層氣成藏物理模 擬及熱變模擬實(shí)驗(yàn)等手段，研究了不同 煤階煤層氣的吸附、解吸特征，結(jié)果顯示: 高煤階煤層氣藏吸附平衡時間長且較分 散，煤層氣藏解吸效率較低，開發(fā)難度 較大；低煤階煤層氣藏吸附平衡時間短 而集中，相對解吸速率高，煤層氣藏開 發(fā)較容易。擴(kuò)散機(jī)理于煤基質(zhì)的孔隙直徑很小，與甲烷分子的直徑在一 個數(shù)量級上，基質(zhì)孔隙表面上解吸出來 的煤層氣在其中的滲透率極低，達(dá)西滲流 可以忽略不計(jì)，故認(rèn)為煤層氣在煤基質(zhì) 孔隙中的運(yùn)移是擴(kuò)散過程30。煤層氣的 擴(kuò)散實(shí)質(zhì)上是指煤層氣解吸后煤層氣分 子高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運(yùn)動過程，煤 層氣的

19、高濃度區(qū)域即煤層氣的解吸區(qū)， 低濃度區(qū)域及煤層氣運(yùn)移擴(kuò)散區(qū)。許多 學(xué)者從事煤層氣擴(kuò)散理論方面的研究， 并提出了諸多模型來描述擴(kuò)散過程，李斌31建立了煤層裂縫中氣-水兩相滲流 及微孔非平衡吸附器解吸擴(kuò)散過程的數(shù) 學(xué)模型，韋重韜32建立了多煤層擴(kuò)散逸 失地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型。目前對于擴(kuò)散 機(jī)理，學(xué)術(shù)界達(dá)成的共識是：煤層氣的擴(kuò) 散運(yùn)移遵循菲克擴(kuò)散定律；煤層氣的擴(kuò) 散速率與吸附時間、裂隙間距的平方成 反比，裂縫發(fā)育密度越高，裂隙間距越 小的，越有利于煤層氣的擴(kuò)散。滲流機(jī)理一般認(rèn)為，在中孔以上的孔隙和裂隙中，氣體的流動為滲流，因此煤層氣 在經(jīng)歷解吸一擴(kuò)散后，進(jìn)入煤裂隙（割理 和構(gòu)造裂隙）中的運(yùn)移為滲流流動

20、運(yùn)移。 國外不少學(xué)者對煤層氣滲流機(jī)理做了大 量研究33,并建立了一系列的滲流模 型，目前國外最為完善的滲流模型及數(shù) 值模擬模型為 COMET3模型（采用了雙 孔單滲模型，并假定氣體與水的滲流都 遵循達(dá)西現(xiàn)行滲流規(guī)律）。國內(nèi)最早周世 寧院士 34 提出煤層瓦斯的滲流方 程，以此建立了煤層氣在煤層中流動的 滲流理論，隨后的研究主要建立煤層氣精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝閱讀下載 15 精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，歡迎閱讀下載滲流模型以及對數(shù)學(xué)模型的修改和完 善。最新的研究進(jìn)展是：楊勝來等 35 采用實(shí)驗(yàn)方法，研究了煤層氣的滲流特 征，包括有效覆壓、氣體

21、壓力、氣體性 質(zhì)、溫度等因素對煤層氣滲透能力的影 響，比較了甲烷在煤層試樣、砂巖試樣 和煤粉試樣中滲流性能的差異。研究表 明，煤層試樣的滲透率受有效覆壓的影響 很大，其應(yīng)力敏感性程度超過砂巖巖樣。 李濤等36采用非平衡態(tài)吸附模型，研究 單相煤層氣在煤體和割理中的流動規(guī) 律。在考慮煤層氣滲透率隨擬壓力變化 的前提下，建立并求解了擬穩(wěn)態(tài)和不穩(wěn) 態(tài)流動模型。3存在的問題 我國 煤層氣資源豐富，但于地質(zhì)條件復(fù)雜， 煤層氣藏有著自身特殊的成藏規(guī)律和成 藏過程，有關(guān)煤層氣的成藏機(jī)理研究還 存在著一些亟待解決等問題，主要表現(xiàn) 在以下4個方面：（1）近年來，次生生物煤層氣一直是煤層氣領(lǐng)域研究的熱 點(diǎn)，在我國煤層氣資源豐富，含煤盆地 中低階煤所占的比例很大，因此多數(shù)含精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝閱讀下載 15 =精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，歡迎閱讀下載=煤盆地中也有次生生物煤層氣，但目前 仍缺乏足夠的證據(jù)；對煤層氣生成機(jī)理 中金屬元素的催化作用研究甚少。 （2）煤層氣在煤層中賦存形式是否有固溶 態(tài)，能否采用多種技術(shù)手段進(jìn)行探測證 明，煤層氣在正常的地層條件下呈超臨 界狀態(tài)賦存，在超臨狀態(tài)下煤層氣的吸 附具有哪些基本規(guī)律，受控于哪些因素 目前仍認(rèn)識不清。（3）當(dāng)前國內(nèi)外對煤層氣解吸機(jī)