王红岩 李景明 李剑 赵群 刘洪林 李贵中 王勃 刘飞（中国石油勘探开发研究院廊坊分院 河北廊坊 065007）作者简介：王红岩，1971年生，男，江苏徐州人，高级工程师，博士，长期从事煤层气等新能源综合地质研究。地址：河北省廊坊市万庄44号信箱石油分院，邮编：065007。国家973计划项目资助（编号：2002CB211705）。摘要 高低煤阶煤的煤层气在储层物性、地层水矿化度、煤的吸附性和成藏过程方面具有较大差别。国内学者普遍认为高煤阶煤层由于其演化程度较高，割理不发育，煤层的渗透率极低而低估了勘探前景，以至于形成了煤层气勘探的“禁区”。我国地质条件和含煤盆地的构造活动要比美国复杂得多，煤层气的生成和富集有着自身的特点，而且多数煤层在其沉积后经历了多个期次、多个方向的应力场改造，而且大部分高煤阶煤的形成与岩浆热变质事件有关。我国西北地区低煤阶煤的煤层气资源丰富，资源量占全国资源总量的50%。高低煤阶煤的气体成因、物性特征、水文地质条件、含气性和成藏过程与低煤阶煤和国外高煤阶煤明显不同，高低煤阶煤的成藏差异性非常明显，二者在匹配的条件下有可能形成煤层气高产富集区，形成煤层气勘探的有利地区。关键词 煤层气 高煤阶 低煤阶ComParison on Accumulation Performance of CBM in Different Rank Coal Seams of ChinaWang Hongyan，Li Jingming，Li Jian，Zhao QunLiu Honglin，Li Guizhong，Wang Bo，Liu Fei（Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum ExPloration＆Development Langfang 065007）Abstract：Accumulation performances of CBM are quite different in different rank coal seams such as reservoir physical features，salinity of formation water，absorption of coal and accumulation history of It is generally understood that high rank coal seams are so called forbidden area for CBM exploration because of high metamorphic grade，undeveloped cleats and low In fact，the exploration prospects of CBM are CBM accumulation performance of China has its own features which are much more complicated than that of the USand the main reasons are that most of coal seams of China suffered from historical multiphase and multidirectional transformation of stress after sedimentation，moreover，formation of these coal seams were related to the thermal events of There are rich CBMresources in low rank coal seams of northwest parts of China which accounts for 50 percent of total CBM resources of CThe cause of formation of CBM，physical features，hydrogeology conditions，gas contents and accumulation process are quite different between high rank and low rank coals as well as between domestic and Either high rank coal or low rank coal may form favorable CBM accumulation and prospection area under matching geological Keywords：CBM；high rank coal；low rank coal我国高煤阶煤的煤炭资源量巨大，其中煤层气资源量占中国煤层气总资源量的30%〔1〕。由于美国煤层气勘探成功的含煤盆地的煤阶都为中低煤阶，国内学者普遍认为高煤阶煤层由于其演化程度较高，割理不发育，煤层的渗透率极低而低估了勘探前景，所以研究高煤阶煤层气成藏条件，开展高低煤阶煤层气成藏机理对比研究，具有重要科学意义。为了更好地对高煤阶成藏特征进行研究，这里着重通过高低煤阶对比，来探讨高煤阶成藏的特殊性。为了便于对比，将Ro＜7%定义为低煤阶煤层气藏，Ro＞2%视为高煤阶煤层气藏，Ro＞7%～2%视为中煤阶煤层气藏。1 高低煤阶煤层气藏的成因不同，高煤阶以原生和次生热成因煤层气为主，低煤阶煤以原生生物成因煤层气为主煤层气存在生物成因和热成因两种。原生生物成因气是指煤化作用的早期阶段（成岩作用阶段），有机质在微生物作用下降解形成的煤层气；次生生物成因气是指经历了变质作用的中低煤阶煤（Ro＜5+%）抬升后在微生物作用下形成的煤层气；原生热成因气是指有机质在变质作用过程中形成的煤层气；如果原生热成因气经过解吸—扩散—运移—再聚集，则为次生热成因煤层气。高煤阶煤层气藏主要为原生与次生热成因煤层气。以沁水盆地南部煤层气藏为代表。沁南地区煤层主要为高煤阶无烟煤，Ro=2%～0%之间，煤层气主要为热成因。煤层气甲烷δ13C总体偏小，在-6‰～-7‰之间，且随着埋深的增加而变大。这是由于煤层气的解吸—扩散—运移引起同位素的分馏导致。这种次生热成因的煤层气在国内外非常常见。滞流区受解吸—扩散—运移分馏作用的影响小，基本保持了原始状态。可见沁南煤层气藏煤层气的成因在空间上存在分带现象：次生热成因煤层气存在于浅部径流带，原生热成因气存在于深部滞流区。未熟低煤阶煤层气藏以原生生物成因煤层气为主，代表性煤层气藏位于美国粉河盆地。粉河盆地第三系Fort Union组的煤在大部分地区为褐煤（Ro=3%～4%），深部存在高挥发分烟煤，没有达到可以大量产生热成因甲烷的成熟度。其甲烷δ13C值为-0‰～-7‰，δD值为-307‰～-315‰。表明以生物成因气为主，且主要是通过微生物发酵代谢途径形成的〔2〕。低煤阶成熟煤层气藏煤层气的成因非常复杂，既有次生生物成因的，也有原生与次生热成因的。美国的圣胡安和犹因他盆地都存在这三种成因的煤层气。我国阜新盆地白垩系阜新组煤的Ro=6%～72%之间，据同位素和煤层气组分分析，该区煤层气主要为次生热成因，其次为次生生物成因。2 高低煤阶煤吸附能力的差异性很大，高煤阶区域煤层吸附量大，含气量高煤的变质程度决定着煤层气生成量和煤的吸附能力，因而对煤层气含气量起着决定性影响。煤阶越高，煤层气生成量越大。吸附能力随煤阶增高经历了低—高—低三个阶段，在Ro=5%左右时达到极大值[3]。高煤阶煤层气藏含气量最高。沁南煤层气藏含气量一般在10～20m3/t，最高可达37m3/t。除了煤阶影响外，保存条件也起到了一定作用。低煤阶未熟煤层气藏含气量普遍较低。如粉河盆地煤层气含量一般为78～6m3/t，最高不超过4m3/t。低煤阶成熟煤层气藏含气量相对较高，犹他州中部上白垩统Ferron砂岩段Ferron煤层气藏含气量为37～3m3/t，一般在5～10m3/t。阜新盆地煤层气含量一般为8～10m3/t。低煤阶煤层气藏煤层的顶底板因成岩作用微弱而使其封闭能力低于高煤阶煤层气藏。因此对于低煤阶煤层气藏而言，地下水动力封闭显得尤为重要。低煤阶煤层气藏因含气量非常低，因此就必须发育巨厚煤层使得煤层气资源丰度大，高渗透率使得单井排采半径大，这样才可具备商业开发价值。3 高低煤阶在物性方面差异的实质是物性变化二元论，变质程度高，基质致密，煤层物性渗透率偏低高煤阶的沁南煤层气藏，储层渗透率为（1～7）×10-3μm2，一般不超过2×10-3μm2。煤层孔隙主要为微孔和过渡孔，中孔和大孔罕见，孔隙度在15%～69%之间，一般均＜5%，对渗透率几乎没有贡献[4]。割理严重闭合或被充填，对渗透性的贡献微弱。构造裂隙是渗透性的主要贡献者。这种孔裂隙发育特征决定了煤层气由基质孔隙解吸向裂隙扩散困难，吸附时间长，达到产量高峰时间短，稳定低产时间长[5]。低煤阶未熟煤层气储层的基质孔隙度较高，且以大孔所占比例较高，对储层渗透率有一定贡献，因割理密度低而控制储层渗透率的主要因素是构造裂隙；低煤阶成熟煤层气储层渗透性的主要贡献者是割理和构造裂隙；高煤阶煤层气藏因基质孔隙度低且多为微孔，割理严重闭合或被矿物质充填，因此渗透率的主要贡献者是构造裂隙。低煤阶煤层气藏的渗透率一般大于高煤阶煤层气藏。为了便于对比，这里采用吐哈盆地的褐煤和沁水盆地的无烟煤开展模拟工作。褐煤由于演化程度低，裂隙不发育，主要表现为孔隙型。随着煤阶的增加，煤层裂隙发育，基质变得致密，主要表现为裂隙型[6]。图1 高低煤阶运聚压差与系统压力关系图无烟煤高压情况下14MPa的压差就可以突破；低压情况下50MPa的压差可以突破；随着压力的降低，运聚压差增大。表明无烟煤降压基质膨胀物性降低，加压基质收缩物性增高。对于吐哈盆地褐煤，模拟结果相反，高压情况下08MPa的压差就可以突破，低压情况下03MPa的压差就可以突破，褐煤降压基质膨胀物性增大，加压基质收缩物性降低。储层物性变化二元论反映了煤储层随着煤层气不断开采，地层压力不断下降，煤储层特征变化的实质（图1）。4 构造热事件和构造应力场对煤层物性起到决定作用由岩浆侵入引起储层结构和构造改变，增大煤层气储藏空间的作用，称岩浆侵入活动的储藏作用。岩浆的热力烘烤，使煤中有机质挥发，留下很多密集成群的浑圆状或管状气孔，提高了储层的孔隙度；煤基质收缩，产生收缩裂隙；岩浆侵入的动力挤压，产生的外生裂隙与内生裂隙（割理）叠加，使煤层裂隙性质、规模发生变化，裂隙度提高，渗透性增强。煤储层中天然裂隙的壁距对原始渗透率起着关键性的控制作用。天然裂隙壁距是地应力大小和方向的函数，构造应力场主应力差对岩层裂隙壁距和渗透率的影响存在两类效果截然相反的情况。当构造应力场最大主应力方向与岩层优势裂隙组发育方向一致时，裂隙面实质上受到相对拉张作用，主应力差越大，相对拉张效应越强，越有利于裂隙壁距的增大和渗透率的增高。而在最大主应力方向与岩层优势裂隙组发育方向垂直时，裂隙面受到挤压作用，主应力差越大，挤压效应越强，裂隙壁距则减小甚至密闭，渗透率降低。也就是说，构造应力实质上是通过对天然裂隙开合程度的控制而对储层原始渗透率施加影响。5 水文地质条件对高低煤阶煤层气成藏控制的差异性，高煤阶滞流水区域为富气区地层总矿化度高值区的形成反映为闭塞的沉积环境，古气候为半干旱，水体外泄条件差，封闭条件极好，地层水不断浓缩的结果。同时由于断裂活动，导致高矿化度地层水通过断层向上运移，造成矿化度纵向上的分布和高值区的出现。因而，地层水的矿化度是反映煤层气运聚、保存和富集成藏的一个重要指标。沁水盆地东部边界晋获断裂带的北段对中奥陶统含水层组起到明显的横向阻水作用，中段导水性及水动力条件强烈，南段地下水迳流条件极差，是不导水的。南部边界由东部导水段、中部阻水段以及西部导水段组成，特别是中段的阻水性质，对晋城一带煤层气的保存与富集起到了重要作用。西部边界以安泽为界，北段为一阻水边界，南段则由导水性断层组成。内部存在着4条重要的水文地质边界。其中寺头断裂是一条封闭性的断裂，导水、导气能力极差；在沁水盆地中、南部寺头断裂和晋获断裂南段之间的大宁-潘庄-樊庄地区，山西组和太原组含水层的等势面明显地要高于断裂东、西两侧地区，地下水显然以静水压力形式将煤层中的煤层气封闭起来。在寺头断裂西侧的郑庄及其附近地区，地下水迳流强度可能较弱，较有利于煤层气保存[7]。高煤阶地下水滞流区是煤层气聚集的最佳场所，但最近的勘探和研究表明，对于低煤阶煤层气藏，尤其是未熟低煤阶煤层气藏存在例外。吐哈盆地沙尔湖地区煤层气藏古生界地层水总矿化度为20000～160000mg/L，平均矿化度达109300mg/L，平均值较海水（35000mg/L）浓缩了3倍多，具有高矿化度的特点。吐哈盆地低煤阶褐煤含气量测试小于2m3/t，在深度＞300m，煤层厚度大于50m，水矿化度如此之高，含气量如此低，大大低于入们的想像。以往勘探工作证明，高煤阶勘探表明高矿化度对应着好的保存条件。实验利用不同矿化度的水型饱和盐水和蒸馏水进行模拟，来研究褐煤在不同矿化度水的条件下对煤层气的吸附能力。饱和盐水模拟显示当地层压力达到7MPa时含气量达到2m3/t，蒸馏水模拟显示当地层压力达到5MPa时含气量达到2m3/t。矿化度越高，随着压力降低量越小，地层压力梯度降低越快，储层压力越低，造成吸附能力降低，含气饱和度增大，气体大量解吸散失。低煤阶褐煤吸附量低，压力变化不明显，矿化度越高，吸附量越低，含气量越小；地质历史时期，矿化度不断增大。矿化度高造成吸附能力降低，造成地层压力梯度降低，储层压力低，含气饱和度增大，气体大量解吸散失。高变质倾向于高矿化度，预示着良好的保存条件，代表着水力交替作用弱，煤层气保存条件好。6 高低煤阶煤层气藏的差异性主要体现在成藏过程的差异性，高煤阶煤层气成藏过程复杂未熟低煤阶煤层气藏成藏历史简单〔8〕。煤层形成后一般只经历了一次抬升。但现今地下水的补给、运移、排泄和滞流对煤层气藏的调整和改造起决定作用。从煤层的形成直至现今都有气的生成，都对煤层气的成分和同位素特征有影响。但现今的构造格局和地下水赋存状态是影响煤层气生成的关键，也是控制成藏的关键。可见煤层气的生成具有持续性。成熟低煤阶煤层气藏成藏过程相对简单，以深成变质作用为主，即便是存在岩浆活动影响，也仅为接触变质，影响范围有限。现今的构造格局和地下水赋存状态是煤层气藏调整改造的控制因素。煤层气的生成阶段性和持续性并存。埋深最大、热演化程度的时期决定了热成因煤层气的特征。因此，热成因煤层气的形成具有阶段性〔9〕。从煤层抬升到微生物能够活动的深度，次生生物气就开始生成，并一直持续至今。可见次生生物气的生成具有持续性。现今地下水的赋存状态不仅影响次生生物气的生成而且影响热成因气的运移。高煤阶煤层气藏成藏过程复杂。无论存不存在二次生烃，区域岩浆热变质作用都是高煤阶煤层气藏形成的必要条件。煤层气的形成具有明显的阶段性。在达到最高演化程度后就不再有煤层气的生成，进入煤层气藏的调整改造阶段。7 结论中国高煤阶煤层气藏成藏特征主要集中在八个方面：①煤层气成因以原生和次生热成因煤层气为主；②高煤阶煤层吸附量大，含气量高；③滞流水区域为富气区；④煤层基质致密，渗透率低，割理裂隙应力敏感；⑤构造热事件对煤层物性影响较大；⑥要求持续排水降压开采，大型压裂；⑦分支井技术，大幅度提高单井产量；⑧成藏过程复杂。中国低煤阶煤层气藏成藏特征主要集中在六个方面：①煤层气成因以生物降解气（原生、次生）为主；②煤演化程度低，含气量小，含气饱和度高；③低煤阶盆缘缓流晚期生物气成藏；④煤层割理裂隙不发育，基质疏松，渗透率高，应力不敏感；⑤以深成热变质为主，构造热事件影响小；⑥低煤阶自卸压开采机制；⑦竖井开采技术，小型压裂；⑧成藏过程简单，多一次沉降，一次调整。由此可见高煤阶煤层气藏具有三条显著的优点：（1）煤变质程度高，生气量大，煤吸附能力强，含气量大；（2）构造热事件和构造应力场对煤层物性影响较大，构造热事件促进煤层气大量生成，同时改善了储层物性，构造应力通过对天然裂隙开合程度的控制而对储层原始渗透率施加影响；（3）滞流水和高矿化度区域煤层气保存条件好，利用煤层气保存和排水降压开采。参考文献[1]赵庆波等中国煤层气研究与勘探进展勘探，徐州：中国矿业大学出版杜[2]Scott A RComposition and orgin of coalbed gases from selected basin in the United SProceeding of the 1993 International CoalbedMethane Symposium，209～222[3]桑树勋，范炳恒，秦勇等煤层气的封存与富集条件石油与天然气地质，20（2）：104～107[4]傅雪海，秦勇，姜波等煤割理压缩实验及渗透率数值模拟煤炭学报，26（6）：573～577[5]刘洪林，王红岩，张建博煤层气吸附时间计算及其影响因素分析石油实验地质，22（4）[6]王红岩，刘洪林，赵庆波等煤层气富集成藏规律北京：石油工业出版杜[7]王红岩等沁水盆地南部煤层气藏水文地质特征煤田地质与勘探[8]苏现波，陈江峰，孙俊民煤层气地质学与勘探开发北京：科学出版杜[9]Scott ARHydrogeologic factors affecting gas content distribution in coal International Journal of Coal Geology，50：363～387
来稿要求论点明确、数据可靠、逻辑严密、文字精炼，每篇论文必须包括题目、作者姓名、作者单位、单位所在地及邮政编码、摘要和关键词、正文、参考文献和第一作者及通讯作者（一般为导师）简介（包括姓名、性别、职称、出生年月、所获学位、目前主要从事的工作和研究方向），在文稿的首页地脚处注明论文属何项目、何基金（编号）资助，没有的不注明。 论文摘要尽量写成报道性文摘，包括目的、方法、结果、结论4方面内容（100字左右），应具有独立性与自含性，关键词选择贴近文义的规范性单词或组合词（3～5个）。 文稿篇幅（含图表）一般不超过5000字，一个版面2500字内。文中量和单位的使用请参照中华人民共和国法定计量单位最新标准。外文字符必须分清大、小写，正、斜体，黑、白体，上下角标应区别明显。 文中的图、表应有自明性。图片不超过2幅，图像要清晰，层次要分明。 参考文献的著录格式采用顺序编码制，请按文中出现的先后顺序编号。所引文献必须是作者直接阅读参考过的、最主要的、公开出版文献。未公开发表的、且很有必要引用的，请采用脚注方式标明，参考文献不少于3条。 来稿勿一稿多投。收到稿件之后，5个工作日内审稿，电子邮件回复作者。重点稿件将送同行专家审阅。如果10日内没有收到拟用稿通知（特别需要者可寄送纸质录用通知），则请与本部联系确认。 来稿文责自负。所有作者应对稿件内容和署名无异议，稿件内容不得抄袭或重复发表。对来稿有权作技术性和文字性修改，杂志一个版面2500字，二个版面5000字左右。作者需要安排版面数，出刊日期，是否加急等情况，请在邮件投稿时作特别说明。 请作者自留备份稿，本部不退稿。 论文一经发表，赠送当期样刊1-2册，需快递的联系本部。 请在文稿后面注明稿件联系人的姓名、工作单位、详细联系地址、电话（包括手机）、邮编等信息，以便联系有关事宜。
我也是这种情况，不知道是终审后才给消息，还是进入复审就有录用的可能性。
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傅雪海（中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 221008）作者简介：傅雪海，1965年9月生，男，湖南衡阳县人，博士，教授，博士生导师，从事能源地质的教学与科研工作。项目：国家重点基础研究发展规划——“973”煤层气项目（编号：2002CB211704）。摘要 本文从煤层气的赋存方式、超临界吸附、低煤级煤的含气量的测试方法、采动影响区动态含气量、煤层气的多级压力降与多级渗流、煤储层渗透率的气体滑脱效应、有效应力效应、煤基质收缩效应、煤储层压力中水压与气压的关系、高煤级煤产气缺陷及煤层气平衡开发等方面对我国煤层气勘探开发的应用基础研究问题作了简要剖析。指出针对各煤级煤储层特征，实行平衡开发，是保障我国煤层气勘探开发持续、稳定发展的重要措施。关键词 煤层气 动态含气量 动态渗透率 平衡开发Brief Analysis on Several Basic Issues in CBM Exploration and Developme ntFu Xuehai（China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008）Abstract：This article briefly analyzed several basic issues in CBM exploration and development，including CBM existence ways，supercritical absorption，test method of gas content for low rank coal，dynamic gas content in mining impact zone，CBM multi-level pressure dropping and multi-level percolation flow，gas slippage effects of coal reservoir permeability，effective stress effects，coal matrix shrinkage effects，the relationship between gas pressure and water pressure in the coal reservoir，gas problems in high rank coal and CBM balance development and so The author pointed out that the balance development of CBMfor various rank coals is important measure to ensure the continuing and stable development of China's CBMKeywords：CBM；dynamics gas content；dynamic penetration；balance development引言煤层气藏为介于固体矿藏与流体矿藏之间的一种特殊类型压力-吸附矿藏。美国通过30多年的研究，建立了中、低煤级煤生储优势、次生生物气成藏、煤储层双孔隙导流等基础理论体系，形成了煤储层孔、渗、吸附性等物性室内实验测试技术、排水降压开发煤层气技术、与储层物性相适应的完井技术、增产技术、多井干扰技术、储层压力与渗透率现场试验技术、煤层气、水产能数值模拟技术等为核心的煤层气勘探开发技术[1～8]。此理论除在加拿大有一定的适应性外，其他近30个国家或地区应用效果不佳，揭示该理论存在着较大的局限性。我国在各煤级煤矿区施工了600 多口煤层气井、10余个井组，大多进行了试气排采，煤层气、水产能稳定性差，井与井之间、同一口井不同排采阶段之间变化极大，煤层气产量与试井渗透率的关系并不十分一致，甚至高渗透率低产量，低渗透率却具有较高的稳定气产量[9]。这一现实使我国煤层气工作者感到迷惑，严重扰乱了我国煤层气的勘探开发部署。储层参数与排采工作制度怎样配置才能获得稳定、连续的产能呢？不同学者或工程技术人员从自己的专业范围就上述问题的某一方面曾作过一些有益探索，未从整体上去把握。本文就我国煤层气勘探开发工作中面临的应用基础研究问题提出一些想法，与大家一起讨论。1 煤层气的赋存方式与低煤级煤含气性问题1 固溶气问题煤层气由吸附气、游离气、水溶气三部分组成已得到煤层气工作者的公认。但煤与瓦斯突出时的相对瓦斯涌出量是煤层含气量的数倍至近百倍也是不争的事实，就是煤层采动影响区的煤层气和围岩中的煤成气也不可能达到如此高的程度。显然艾鲁尼提出的固溶体是客观存在的，甚至在煤层气总量中的比例远高于艾鲁尼认为的替代式固溶体2%～5%、填隙式固溶体5%～12%这一比例[10]。固溶气（体）可能与天然气水合物——可燃冰类似，在煤与瓦斯突出时被释放出来，由此可见固溶气（体）亦是煤层气的一种重要赋存方式。2 超临界吸附问题平衡水条件下，煤对甲烷的吸附性呈“两段式”演化模式，即朗氏体积先随煤级的增大而增加，后随煤级的增大而降低，其拐点（即极大值点）大约在镜质组最大反射率5%～5%这一区间内，在褐煤和低煤化烟煤阶段受煤岩组分的影响波动性较大[11]。地层条件下，煤层甲烷超临界吸附的现象是存在的。但只有当煤层甲烷压力（气压）超过18MPa（表1）才真正出现超临界流体，实际上在我国煤矿瓦斯实测压力中超过此压力的矿井是比较少的。但对于原位且处于封闭系统的煤储层，储层中水压等于气压，只要煤层埋深超过600m，煤层甲烷就可能成为超临界流体。图1 二氧化碳和乙烷在正常温压梯度条件下的液化区间对于甲烷和氮气，任一埋深储层温度均高于临界温度，无论压力多大，均不会液化；对于二氧化碳，当储层温度低于1℃（表1），对于乙烷，当储层温度低于4℃（表1），而储层压力（气压）高于液化压力，二者可以呈液态形式存在。按正常地温梯度3℃/100m、正 常 储层 压 力 梯 度98MPa/100m，设恒温带深度为20m、温度为10℃，则埋深400m左右，储层温度约为22℃、储层压力为9MPa，此时二者均低于临界温度和压力，二氧化碳和乙烷以气态形式存在；当埋深达到800m，储层温度约为34℃，高于临界温度，二氧化碳和乙烷仍为气态。但当二氧化碳压力大于38MPa、乙烷压力大于98MPa，二氧化碳和乙烷有可能成为超临界流体；只有在400～800m范围内的局部层段（封闭体系），储层温度低于临界温度，储层压力高于液化压力，二氧化碳和乙烷才可能以液态形式存在（图1）。表1 煤层气组分的简明物理性质[12］*在30℃时进行二氧化碳等温吸附实验时得出。对于以甲烷为主，含有二氧化碳、氮气、乙烷的煤层气而言，其超临界状态和液化的温度和压力条件是下一步值得关注的问题之一。3 低煤级煤含气量的测试问题我国煤层含气量现场测试大多是基于MT-77-84解吸法标准得出的，对中、高煤级煤适应性较好，但对于分布在我国东北、西北地区的低煤级煤而言，实测含气量明显偏低，由于低煤级煤孔裂隙发育，取心过程在地层温度条件下快速解吸，到地面由于温度降低，解吸速度变慢，有的甚至没有解吸气，由解吸气推算的损失气也就明显偏低。中国煤田地质总局1995～1998年进行的煤层气资源评价时就没有涉及到褐煤，其他单位和个人大多基于褐煤平衡水等温吸附实验来推算褐煤的含气量，从而计算出资源量。因此低煤级煤储层中的煤层气资源量大小不同是造成我国各单位和个人计算煤层气资源量差异的根本原因。基于低煤级煤层的含水性、孔裂隙特点、温度、压力条件，分别进行吸附气、水溶气和游离气的数值模拟，厘定低煤级煤含气量是我国下一步的研究方向之一。4 采动影响区动态含气性的问题煤矿采动影响区是地面煤层气开发或井下瓦斯抽放的有利部位。煤矿井巷开拓和煤炭生产改变了煤层的地应力场、流体压力场，打破了煤层内游离气、吸附气和水溶气之间的动态平衡关系。煤矿采动影响区因为煤层卸压，裂隙张开或形成新的裂隙，又因为矿井通风，采动影响区与暴露煤壁间连续出现甲烷浓度差，使煤层渗透性、扩散性能大大增强，煤层气发生解吸，并在浓度梯度、压力梯度作用下向巷道或工作面扩散、渗流或紊流。随着巷道和采煤工作面的连续推进，采动影响区内煤层的含气量呈现出动态变化特征。煤矿采动影响区可划分为本煤层采动影响区（水平采动影响区）、邻近层采动影响区（垂向采动影响区）和煤炭资源残留区[13]。本煤层采动影响区又可进一步分为掘进巷道和采煤工作面采动影响区。采动影响区内煤层动态含气量与煤壁暴露时间（采煤或掘进工作面推进速度）和距暴露煤壁的距离有关，任何一点的煤层气流速、流向和瓦斯压力均随时间的变化而变化，即为非稳定流场，求其解析解很困难。只有采用数值模拟的方法，如有限元法、瓦斯压力连续测定法、瓦斯涌出量法、瓦斯排放效率法等来近似地估算[13]。2 煤层气多级压力降与多级渗流问题煤储层是由气、水、煤基质块等多种物质组成的三相介质系统。其中气组分具有多种相态，即游离气（气态）、吸附气（准液态）、吸收气（固溶体）、水溶气（溶解态）；水组分也有多种形态，即裂隙、大孔隙中的自由水、显微裂隙、微孔隙和芳香层缺陷内的束缚水、与煤中矿物质结合的化学水；煤基质块则由煤岩和矿物质组成。在一定的压力、温度、电、磁场中各相组分处于动平衡状态。在排水降压或外加场干扰作用下开发煤层气的过程中，三相介质间存在一系列物理化学作用，其储层物性亦相应发生一系列变化，单一相态的实验研究很难模拟煤储层的真实物性状态。煤储层系由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的三元结构系统[11]。在排水降压开发煤层气的过程中各结构系统压降程度不同，客观上存在着三级压力降，煤层气-水的运移也相应地存在着三级渗流场，即宏观裂隙系统（包括压裂裂缝）——煤层气的层流-紊流场、显微裂隙系统——煤层气的渗流场、煤基质块（孔隙）系统——煤层气的扩散场[14]。扩散作用又包括整体扩散、克努森型扩散和表面扩散，渗流亦存在达西线性渗流和非线性渗流。煤层气开发，上述三个环节缺一不可，且气、水产能受制于渗流最慢的流场。前期研究大多忽略气体的扩散作用，渗流方程只考虑前两个环节，数值模拟气、水产能与实际情况相差甚远，且过于强调宏观裂隙，即试井渗透率的研究，忽略煤岩体实验渗透率及扩散系数的测试分析。因此，与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的解吸—扩散—渗流—紊流多级耦合问题、与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的煤层气产能模拟软件是下一步煤层气勘探开发应用基础研究方向之一。3 储层压力中的水压与气压的关系问题煤储层流体压力由水压与气压共同构成。美国煤储层压力以水压为主，气、水产能稳定、持续；我国煤储层压力构成复杂，气压占有较大比例，不同压降阶段，煤层气、水产能不同，在总体衰减的趋势下呈跳跃性、阶段性变化[15]。水动力势是煤层气富集和开发的最活跃因素，是储层压力或地层能量的直接反映和主要贡献者；水的不可压缩性对裂隙起支撑作用，水动力又是煤储层渗透率的维持者。我国中、高煤级煤层为相对隔水层，煤层本身的水体弹性能较低，气体弹性能较高[16]。美国以单相水流作为介质测试煤储层压力和渗透率的试井方法应用到我国以气饱和为主的煤储层肯定会存在较大缺陷，也就是说用美国的试井方法得出的我国煤储层压力和渗透率是不确切的，由储层压力、含气量和等温吸附曲线计算的含气饱和度、临界解吸压力、理论采收率同样是不确切的。笔者认为处于封闭系统的煤储层，其水压等于气压，处于开放系统的煤储层，其储层压力等于水压与气压之和。煤储层压力构成及其传导、煤储层中气、水介质之间的相互关系，控制了煤层甲烷的解吸、扩散和渗流特征，是目前煤层气开发亟待解决的关键科学问题。4 煤储层动态渗透率问题煤储层在排水降压过程中，随着水和甲烷的解吸、扩散和排出，其渗透率存在有效应力效应、煤基质收缩效应和气体滑脱效应，三种效应综合作用使煤储层渗透率呈现出动态变化[11]。1 有效应力效应有效应力是裂隙宽度变化的主控因素。有效应力增加会使裂隙闭合，使煤的绝对渗透率下降。渗透率越低，相对变化越大，有的减少两到三个数量级。在排水降压开发煤层气的过程中，随着水和气的排出，煤储层的流体压力逐渐降低，有效应力逐渐增大，煤储层渗透率呈现出快速减少、缓慢减少的动态变化过程[11]。2 煤基质收缩效应气体吸附或解吸导致煤基质膨胀或收缩，可用朗格缨尔形式来描述，笔者用CO2作为介质对不同煤级圆柱体煤样（每点只平衡12h）进行过吸附膨胀实验，结果表明煤基质收缩系数随煤级的增大而减少[11]。煤层气开发过程中，储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层气开始解吸，煤基质出现收缩，由于煤储层侧向上受到围限，煤基质的收缩不可能引起煤储层的整体水平应变，只能沿裂隙发生局部侧向应变，使煤储层原有裂隙张开，裂隙宽度增大，渗透率逐渐增高，且中煤级煤增加的幅度大于高煤级煤[11]。3 气体滑脱效应在煤这种多孔介质中，由于气体分子平均自由程与流体通道在一个数量级上，气体分子就与流动路径上的壁面相互作用（碰撞），从而造成气体分子沿通道壁表面滑移。这种由气体分子和固体间相互作用产生的滑移现象，增加了气体的流速，使煤的渗透率增大，且随着储层压力的降低，先缓慢增加，到低压时快速增大。5 高煤级煤储层产气缺陷问题高煤级煤储层渗透率对应力敏感性强，应力渗透率衰减快；高吸附性、微孔性，自封闭性效应明显；高煤级煤束缚水饱和度大，相渗能力低；经历的构造运动期次多，其反复加压和卸压，渗透性损害极大；煤基质收缩能力弱，煤层气开发过程中其渗透率较难得到改善[17]。第一，高煤级煤储层显微裂隙不发育。高煤级煤储层大多经过强烈的构造运动，煤层呈碎裂煤、碎斑煤和糜棱煤。第二，高煤级煤储层应力渗透率衰减很快。流体压力不变、围压不断增大的渗透率实验表明：高煤级煤岩体的渗透率随围压增大呈指数形式降低，且衰减系数远大于中煤级。由于地应力梯度（我国通常为6MPa/100m左右）大于储层压力梯度（正常压力梯度为98MPa/100m），因此，随煤层埋深的增加，煤储层有效应力增大，煤储层渗透率降低。第三，高煤级煤相渗能力低。相对渗透率表明：高煤级煤束缚水饱和度大，介于3%～82%之间，单相水流和气、水双相渗流区域狭窄。气-水双相渗流时，高煤级煤最大气相相对渗透率与最大水相相对渗透率之和介于4%～78%之间，平均为2%，即气相与水相有效渗透率之和约为其克氏渗透率的1/3；束缚水下高煤级煤气相渗透率只有其克氏渗透率的7%～1%，平均为2%，即多相介质条件下，高煤级煤有效气相渗透率不及其克氏渗透率的1/5[11]。在排水降压开发煤层气的过程中，流体沿渗透性较好的区域指进，使指进流体绕过较大面积的被驱替相，形成被驱替相的一座座“孤岛”。高煤级煤束缚水饱和度大，即这样的“孤岛”较多，排水降压困难，煤层气难于解吸，大部分煤层气被残留，然而由于其吸附时间只有1～9d，所以能较快（数月后）达到产气高峰，造成高资源量、低产能之“瓶颈”现象[17]。第四，高煤级煤储层渗透率改善能力弱。多相介质煤岩体吸附/膨胀实验表明，高煤级煤吸附最大，膨胀量低于中煤级煤。反过来，煤的吸附/膨胀与解吸/压缩互为可逆过程，即在煤层气的开发过程中，高煤级煤的收缩能力较弱。数值模拟结果表明煤基质收缩引起的渗透率正效应低于有效应力引起的渗透率负效应，高煤级煤储层渗透率在煤层气排采过程中逐渐衰减。开展不同煤级煤柱样甲烷吸附（吸附平衡时间长达数月）膨胀实验、测试不同压力降、不同孔裂隙结构的气、水流量和扩散能力是下一阶段煤层气勘探开发的重要研究方向。6 煤层气平衡开发问题煤储层由多元孔裂隙结构组成，煤层气排采时存在多级压力降和多级扩散/渗流场，由于前期受急功近利的思想支配，煤层气井排采常打破煤储层气-水相渗平衡，没有处理好套压、液面降深和井底压力三者之间的关系，因气、水产能的过度增加，势必加速原始储层内能的消耗，使生产的持续时间缩短。因此，在试气排采阶段，针对不同的储层物性条件，多开展关井测压工作，绘制压力恢复霍纳曲线图，求出压力恢复曲线的斜率，再进一步据关井测压前的平均日产量折算成储层内的体积流量，并结合储集系数和压缩系数来估算气井现实条件下储层内的气体流动系数和气相有效渗透率，从而确定该储层的平衡产能[18]。据沁南 TL007 井和铁法 DT3 井产能历史分析，沁南 TL007 井的平衡产能为2000m3/t左右，铁法DT3井的平衡产能为3000m3/t左右[9]。因此，在排采工作制定时，不断调整套压、液面降深和井底压力，维持气、水产能平衡开发，增长井孔服务年限，是下一步煤层气勘探开发所要关注的问题之一。7 结论中国煤层气开发目前处于商业化生产的启动阶段。煤层气超临界状态和液化的温压条件、低煤级煤的含气量测试方法、采动影响区动态含气量、排水降压开发的动态渗透率、煤储层压力构成及其传导、煤储层中气、水介质之间的相互关系、与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的解吸—扩散—渗流—紊流多级耦合理论、与煤储层特征相适应的钻井、完井、增产技术、与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的排采工作制度和产能模拟软件等均是下一步煤层气勘探开发的应用基础研究课题。参考文献[1]Harpalin S，Miphreson M JThe effect of gas pressure on permeability of 2nd US Mine Ventulation Symp，369～375[2]Reeves S R，Decker A DReservoir simulation investigation into the interaction of in-situ stress，pore pressure，and coal rank on coalbed methane exploration Proceedings Gas Technology symposiums，83～91[3]Puri R，Evanoff J CMeasurement of coal cleat porosity and relative In：International Coalbed Methane Symposium，SPE 21491，93～103[4]Palmer L，Mansoori JHow permeability depends on stress and pore pressure in coalbed：A new SPE Reservoir Evaluation ＆Engineering，December，124～136[5]Thotsaphon C，Chen H X，and Lawrence T WImpacts of Permeability Anisotropy and Pressure Interference on Coalbed Methane（CBM）PProceedings-SPE Rocky Mountain Petroleum Technology Conference，Petroleum Technology-Leads the Way，323～329[6]Scott A RHydrogeologic fators affecting gas content distribution in coal International Journal of coal Geology，50：363～387[7]Joshua C ESimplified Prediction of Reservoir Pressure in Coalbed Methane WSPE Eastern Regional Conference Proceedings，49～57[8]David S，Mike KProducing Coalbed Methane at High Rates at Low PProceedings SPE Annual Technical Conference and Exhibition，4035～4042[9]傅雪海，秦 勇，范炳恒等铁法DT3 井与沁南TL-007 井煤层气产能对比研究煤炭学报，29（6）：712～716[10]艾鲁尼AT唐修仪，宋德淑等译煤矿瓦斯动力现象的预测和预防北京：煤炭工业出版杜，142～147[11]傅雪海多相介质煤岩体（煤储层）物性的物理模拟与数值模拟[博士学位论文]徐州：中国矿业大学[12]吴树森界面化学武汉：华东化工学院出版杜，190～200[13]傅雪海，秦勇，周荣福等采动影响区煤层动态含气量数值模拟天然气地球科学，16（3）359～362[14]彭金宁铁法盆地煤储层多级渗流特征研究（硕士学位论文）徐州：中国矿业大学[15]叶建平水文地质条件对煤层气产能的控制机理与预测评价研究[博士学位论文]北京：中国矿业大学（北京校区）[16]吴财芳，秦勇，傅雪海，林伯泉煤基块弹性能及其与地质控制因素之间的关系中国矿业大学学报，34（5）：636～639[17]傅雪海，秦勇，姜波等高煤级煤储层煤层气产能“瓶颈”问题研究地质论评，50（5）：507～513[18]顾谦隆，曹立刚煤层气排采中关井测压和放压实验中国煤田地质，13（1）：25～27
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