煤储层压力影响因素
1.煤层埋深对煤储层压力的影响
从单一钻孔中不同埋深不同储层试井获得的储层压力发现，随着煤储层埋深增加，煤储层压力增大。同一地区不同钻孔中也有规律，这种现象在各探井储层压力的测试结果中普遍存在。
2.水文地质条件对煤储层压力的影响
静水水位高低与区域水文地质条件有关，当煤储层所处地表低于区域内静水水位，则在承压水力作用下，该地煤储层属超压储层。这样的储层一般位于向斜或向斜内次一级的背斜部位。煤储层一般渗透性差，与外界水力联系差，补给径流不畅，基本上处于封闭状态，为静储量弱含水层。
鄂尔多斯市资源富集，全市含煤区面积约6.1万平方公里。截止2021年，已探明煤炭储量2102亿吨，预测总储量近万亿吨，规划建设矿区15个，其中11个已获国家批复。
鄂尔多斯煤田简介
鄂尔多斯煤田成煤期有石炭二叠纪、晚三叠纪、中侏罗世。按含煤岩分布，该煤田可划分为三个含煤带：东带、西带、中带。
鄂尔多斯煤田是中国最大的多纪煤田，世界特大型煤田之一，地跨陕、甘、宁、内蒙古、晋五省区，东西宽400千米，南北长600千米。
鄂尔多斯煤田中绝大部分地区地质构造和水文地质条件均简单，属中国煤矿开采条件最好之处。但渭北、贺兰山、桌子山煤产地中小型断裂比较复杂。
1、神东基地
神东基地位于陕西以北榆林地区、内蒙古东部东胜地区，以神府煤田、东胜煤田为主。神府煤田探明储量1349.4亿吨，东胜煤田探明储量2236亿吨。占全国煤炭探明储量约1/4。煤种以弱粘煤、不粘煤、长焰煤为主，气煤、瘦煤次之，焦煤、无烟煤较少，主要用于电力、化工、冶金。神东基地以神华集团、伊泰集团和陕西煤业化工等大型煤炭企业为主体开发。
评价：神东基地是我国已探明储量最大的整装煤田。神东基地地质构造、水文地质条件简单，煤层赋存稳定，开采条件较为优越，适合大规模机械化开采。煤质具有低灰、低硫、高发热量的特点，是我国主要的优质动力煤调出基地之一。
2、晋北基地
晋北基地位于山西北部太原以北地区，行政区划上涵盖大同、朔州、忻州、吕梁等地区。以大同煤田、宁武煤田和河东煤田北部等三大煤田为主。其中位于大同煤田的大同矿区探明储量386.43亿吨，位于宁武煤田北部的平朔矿区探明储量167.3亿吨。大同煤田主要生产弱粘煤，以中灰、低硫、特高发热量煤为主，同煤集团为开发主体；宁武煤田位于朔州地区，以气煤为主，由同煤集团、中煤集团主要开发。河东煤田煤种以气煤、焦煤、瘦煤为主，由山西焦煤集团负责开采。
评价：晋北基地主要生产低灰~中灰、低硫、特高热量动力煤，是我国最大的动力煤调出基地之一。除朔南地区煤层埋藏较深外，基地大部分地区煤层深度较浅，赋存较为稳定，开采条件较好。
3、晋中基地
晋中基地位于山西省中部太原市、吕梁市、临汾市，以西山煤田、河东煤田南部、沁水煤田西北部等几大煤田为主。煤炭可采储量约192亿吨。该基地主要以焦煤、肥煤、瘦煤等炼焦用煤为主。所产炼焦煤为低灰~中灰、低~中高挥发分、低~中高硫、特高发热量。该基地主要由山西焦煤集团、中国中煤集团负责开采。
评价：晋中基地是我国最大的炼焦煤生产基地，焦煤、肥煤、瘦煤资源储量分别占全国的35%、40%、70%，煤质优良，地质构造简单，开采条件相对较好。
4、晋东基地
晋东基地位于山西省东南部，包括阳泉、长治、晋城等。由晋城、潞安、阳泉等矿区组成。该基地主要以低灰、低硫、高发热量的优质无烟煤和中灰、中~富硫、高发热量无烟煤为主。主要由阳泉煤业、潞安集团、晋城无烟煤矿业等集团公司为开发主体。
评价：晋东基地是我国最大、最优质的无烟煤生产基地，各矿区地质构造、水文条件总体简单，开采条件相对较好。
5、陕北煤炭基地
陕北煤炭基地位于陕西北部地区，主要包括陕北侏罗纪煤田、陕北石炭二叠纪煤田、陕北石炭三叠纪煤田、黄陇侏罗纪煤田、渭北石炭二叠纪煤田。煤种以特低灰、特低硫、中高发热量不粘煤及长焰煤为主。以神华集团、陕西煤业化工集团为主体开发。其中陕北石炭二叠纪煤田地质条件复杂，开采难度较大。
6、蒙东煤炭基地
蒙东基地主要包括内蒙古东部的呼伦贝尔市、赤峰市、锡林郭勒盟，主要包括内蒙古二连含煤区、海拉尔含煤区。探明储量为909.6亿吨。煤种以褐煤为主，优质炼焦煤、化工用无烟煤较少。
蒙东煤炭基地煤化程度相对较低，煤种以褐煤为主，发热量较低。但蒙东基地煤层埋藏浅，全国五大露天煤矿中，伊敏、霍林河、元宝山三大露天煤矿均处于蒙东地区。
7、两淮煤炭基地
两淮煤炭基地位于我国经济发达、缺煤的东部地区，主要包括淮南、淮北矿区，探明煤炭储量越300亿吨。淮南矿区以高挥发分的气煤为主，其他煤种较少，目前所产气煤主要用于动力用煤。淮北矿区主要煤种为气煤、焦煤、肥煤等，煤种较为齐全，所产煤炭主要用于炼焦。主要由淮南矿业、淮北矿业集团公司、国投新能源公司和皖北电力集团公司为开发主体。
该基地地质构造中等偏复杂，煤炭开采条件尚可。但该基地位于我国经济发达、煤炭资源稀缺的东部地区煤炭消费区，具有一定的销售区位优势。
8、云贵煤炭基地
云贵煤炭基地主要位于云南省、贵州省、四川省，包括贵州六盘水矿区、四川攀枝花矿区等。煤种以气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、和无烟煤为主，煤种较为齐全。该基地大型矿区较少，以数量众多、单井规模小的小煤矿为主。受成煤时代影响，该基地所产煤热量偏低、硫分较高，煤质较差。
9、冀中基地
冀中基地位于河北省邯郸市、邢台市、石家庄市、衡水市等，该基地煤种较为齐全，从低变质的褐煤和高变质的无烟煤均有分布。其中炼焦用气煤、肥煤等主要分布于邯郸煤田、开滦煤田，非炼焦用煤主要分布在蔚县煤田。邯郸煤田主要由冀中能源集团开采、开滦煤田主要由开滦集团负责开采。该地区由于开采历史较长，安全开采难度加大。
10、鲁西煤炭基地
鲁西煤炭基地位于山东中西部地区，包括淄博矿区、肥城矿区、兖州矿区、枣庄矿区。兖州、枣庄矿区以气煤为主。淄博矿区煤种较为复杂，包括贫煤、瘦兖、气煤、焦煤。兖州地区煤矿由兖矿集团主要开采，其他矿区由山东能源集团负责开采。
11、河南煤炭基地
河南煤炭基地主要分布在安阳、鹤壁、新乡、焦作、洛阳、郑州、平顶山等地区。包括鹤壁矿区、焦作矿区、郑州矿区、平顶山矿区等。该基地煤种较为齐全，主要为无烟煤、贫煤、焦煤、肥煤、瘦煤、长焰煤等，其中无烟煤储量最为丰富。其中，炼焦用煤主要产于平顶山、安阳、鹤壁等地区，无烟煤主要产自焦作、郑州和永城地区，动力煤主要产自郑州地区。目前平顶山矿区主要由平煤神马集团开采，其他矿区主要由河南能化集团开采。
12、宁东煤炭基地
宁东基地主要分布在宁夏东北部，包括石嘴山矿区、石炭井矿区、横城矿区、鸳鸯湖矿区等。煤种以低灰、低硫、高发热量不粘煤为主，是煤炭液化和电厂的优质原料。该基地主要由神华宁煤集团负责开采。
13、黄陇煤炭基地
黄陇煤炭基地与陕北煤炭基地毗邻，包括黄陵矿区、华亭矿区，探明储量约150亿吨。该基地以陕西煤业集团和华亭煤业集团为主要开采主体。
14、新疆煤炭基地
新疆煤炭资源猜测储量约2.2万亿吨，占全国猜测储量的40%，于2011年正式被中央列为重点发展的十四大煤炭基地之一。主要分布在准格尔地区、哈土-巴里坤地区、西山地区和塔里木北缘地区。主要煤种为不粘煤、弱粘煤等。
评价：该基地煤炭资源埋藏浅、赋存条件较好，地质水文条件简单，开采条件较为优越。但新疆地区远离内地市场，受交通运输的瓶颈限制，目前煤炭外运量较少。
总结：
总体来看，神东煤炭基地是我国煤炭探明储量、生产量最大的基地，该基地横跨陕西、内蒙省，以优质动力煤为主。山西省自北向南的三大煤炭基地煤质特优、开采条件相对良好，分别是我国最大的动力煤、焦煤、无烟煤调出基地。内蒙东北部地区煤炭埋藏浅、多露天煤矿，但煤质较差。安徽省内的两淮基地煤炭种类较为齐全、距离经济腹地近，但开采时间较长，煤炭资源持续开采能力差。河北、河南地区的冀中煤炭基地、河南煤炭基地也存在煤炭资源枯竭的趋势。宁夏、新疆地区煤炭种类丰富，但距离东部煤炭需求地较远，是我国能源西移战略的资源储备基地。位于云南、贵州的煤炭基地地质开采条件相对复杂，且煤炭含硫、含水高，煤质差。
煤层气是一种自生自储的非常规天然气。与常规气藏不同，对于煤层气藏来讲，煤层既是煤层气的源岩，又是煤层气的储集层。
(一)煤储层的特征
与常规天然气储层相比，煤层气储层具自身的特殊性，煤层气的赋存与常规天然气也明显不同。表4－6列出了煤储层与常规砂岩储层的异同点。
表4－6常规砂岩储层和煤储层的比较表
1.煤的孔隙结构特征
煤层是一种双重孔隙介质，属裂隙－孔隙型储层。图4－11是煤储层孔隙结构的理想模型，割理(cleat)将煤分割成若干基质块，基质块中包含有大量的微小孔隙，是气体储存的主要空间，其渗透性很低割理是煤中的次要孔隙系统，但却是煤层中流体(气体和水)渗流的主要通道。孔隙和割理都是煤储层研究的重要内容。
图4－11煤的双重孔隙系统图 (据Warren和Root，1963)
割理是指煤层中近于垂直层面的天然裂隙，其成因有内生和外生(构造成因)之分，规模有大有小，与煤田地质学上的“裂隙”为同义词。在煤层气地质领域，一般将“割理”和“裂隙”通用。
根据孔隙－割理的物理测试结果，通常将煤中孔隙(包含割理)的空间尺度划分为:<0.01μm为微孔，0.01～0.1μm为小孔，0.1～1μm中孔，>1μm为大孔。
2.煤的割理系统
(1)割理的规模类型:割理的规模存在很大差异，小者数微米长，大者数米长。不同规模的割理在煤层中的发育程度相差较大。不同规模的割理，对气体的渗流起着不同的作用。张新民(2002)等按照割理的规模以及割理与煤层、煤岩类型及煤岩成分的关系对其进行了分类(表4－7)。
表4－7割理的规模类型及特征简述表
续表
(2)割理的三维几何形态:割理系统有互相大致垂直的两组，其中延伸长度大，且发育的一组叫面割理被面割理横切的另一组叫端割理(图4－12)。
图4－12煤中割理系统图 (据张新民等，2002)
割理的长度在层面上可测量到，发育的面割理呈等间距分布，其长度变化范围很大(表4－7)。总体上，煤的光泽越亮、镜煤和亮煤越多、厚度越大，面割理越发育、割理高度越大。面割理高度小到几微米，大到几十厘米。
端割理一般与面割理是互相连通的。端割理的长度受面割理间距的控制，面割理间距越宽，端割理越长。端割理与面割理的高度受控因素相同，主要与煤岩类型和煤岩组分有关。割理的宽度与其规模有关。割理规模越大，宽度亦越大，变化范围一般为1μm至几厘米。
割理形态也是多姿多态的，在层面上主要有:①网状，这种割理连通性好，属极发育②一组大致平行排列的面割理极发育，而端割理极少，这种割理属于发育，连通性属较好③面割理呈短裂纹状或断续状，端割理少见，这种割理连通性差，属于较发育。剖面上，割理主要呈垂直于层理或微斜交层理平行排列。
3.煤层渗透率
宏观孔隙网络组成了连通性好的面割理和连通性稍差的端割理。面割理与端割理正交并垂直于煤层层面。割理是水和气流动的主要通道。被割理网络所包围的完整煤基质块体中的大部分孔隙为微孔隙，在这些煤中，流体主要通过扩散方式运移。故煤层的渗透性主要取决于煤层中割理的渗透性。根据火柴模型(thematchstickmodel)(Sawyer，1990Harpalani和Chen，1997)，割理的孔隙度(Φc)和渗透率(k)可近似为:
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式中:a和b分别为割理的间距和一个割理孔径的宽度。
割理渗透性由割理密度(间距)、裂缝宽度和开启性、范围和连通性控制。这些因素又取决于煤级、煤质(灰分含量)、煤岩组分、煤层厚度、构造变形、煤化作用和原地压力(Ammosov和Eremin，1963Close，1993Laubach et al.，1998)。由于煤层具极强的可压缩性，原地压力可以影响储层渗透性和产量特征。通常，由于超压作用，煤层渗透性随着埋深的加大而减小。因此，美国大多数煤层气产自埋深小于1200m的煤层。煤阶对煤层的渗透性也有显著影响，由表4－8可看出，低煤阶煤层气藏的渗透率一般大于高煤阶煤层气藏。
表4－8世界部分中、低煤阶煤层气藏试井渗透率参数表
(据陈振宏，2007)
4.煤储层的吸附特征
(1)吸附理论:由于煤是一种多孔的固体，具有很大的内部表面积，因而具有吸附气体的能力。所谓吸附，是指气体以凝聚态或类液态被多孔介质所容纳的一种过程。吸附过程可分为物理吸附和化学吸附两种类型。物理吸附是由范德华力和静电力引起的，气体和固体之间的结合较微弱物理吸附是快速的、可逆的。化学吸附是共价键引起的，气体和固体之间的结合力很强化学吸附是缓慢的、不可逆的。
煤是一种优良的天然吸附剂，对各种气体具有很强的吸附能力，这是煤层气与常规储层储气机理不同的物质基础。煤吸附甲烷属物理吸附，理由主要是甲烷的吸附热比气化热低2～3倍，氮气和氢气的吸附也与甲烷一样，这表明煤对气体的吸附是无选择性的大量的吸附试验证明，煤对甲烷等气体的吸附是快速的、可逆的。因此，可以用物理吸附模型来探讨煤吸附气体的机理。
对于物理吸附过程而言，吸附平衡是一个重要的概念。在一个封闭的系统里，固体颗粒表面上同时进行着吸附和解吸这样两种相反的过程。即一部分气体由于吸引力而被吸留在表面上而成吸附气相被吸附住的气体分子，在热运动和振动的作用下，其动能增加到足以克服吸引力的束缚时，就会离开表面而重新进入游离气相。当这两种作用的速度相等(即单位时间内被固体颗粒表面吸留的气体分子数等于离开表面的分子数)时，在颗粒表面上的气体分子数目维持某一个定量，这时就称为吸附平衡。在平衡状态时，吸附剂所吸附的气体量随气体的温度、压力而变化。显然，这是一种动态平衡状态。即吸附量(V)是温度(t)和压力(p)的函数，可表示为
非常规油气资源
在上述函数关系式中，当温度一定时，称吸附等温线当压力一定时，称吸附等压线。最常用的是吸附等温线，即在某一固定温度下，当达到吸附平衡时，吸附量(V)与游离气相压力(p)之间的关系曲线。在煤层气地质及勘探开发中，某一温度(通常为储层温度)下煤的吸附等温线对评价煤层的最大储气能力、预测煤层气含量、确定临界解吸压力、计算煤层气理论回收率等方面具有重要用途。
吸附等温线可以由实验室测试而获得。实际上实验测得的吸附等温线形状很多，大致可归纳为5种类型(图4－13)。图中纵坐标为吸附量a，横坐标p/p0为相对压力，p0是气体在吸附温度时的饱和蒸汽压，p是吸附平衡时气体的压力。等温线形态上的差异，反映了吸附剂与吸附质之间相互作用的差别。
图4－13物理吸附的5种类型等温线图 (据朱陟瑶等，1996)
第Ⅰ类吸附等温线的特征是，在较低相对压力时吸附量迅速增加，达到一定相对压力后吸附量趋于恒定的数值(极限吸附量)。极限吸附量有时表示单分子层饱和吸附量，对于微孔吸附剂则可能是将微孔充满的量。
第Ⅱ—Ⅴ类等温线是发生多分子层吸附和毛细凝结的结果。当吸附剂为非孔的或孔径很大可近似看作是非孔的时，吸附层数原则上可认为不受限制，等温线为Ⅱ、Ⅲ型的。当吸附剂为孔性的(不是微孔或不全是微孔的)，吸附层数受孔大小限制，在p/p0→1时的吸附量近于将各种孔填满所需液态吸附剂的量，吸附等温线为Ⅳ、Ⅴ型的。Ⅱ和Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类型等温线的区别在于起始段曲线的斜率，Ⅱ和Ⅳ型在低压区曲线凸向吸附量轴，Ⅲ和Ⅴ型的是由小变大在形状上，Ⅱ和Ⅳ型在低压区曲线凸向吸附量轴，Ⅲ和Ⅴ型则凸向压力轴。这些区别反映了吸附质与吸附剂表面作用的强弱。
从吸附等温线可以得到吸附质与吸附剂作用大小、吸附剂表面积、孔的大小及形状、孔径分布等信息。
由于煤储层的温度大都在10～50℃范围，远远高于甲烷的临界温度(－82.5712℃)，煤的等温吸附试验一般也是在这一温度范围内进行的，因而不易发生多层吸附煤是一种孔隙结构比较复杂、孔径分布不集中的多孔介质，不可能只在特定孔径的微孔结构中发生吸附，即吸附不是以微孔充填为主的过程(艾鲁尼，1992)，故大多数煤的吸附等温线属Ⅰ类。
由于大多数煤的吸附等温线属Ⅰ类，故可认为煤吸附气体属于单分子层吸附，用Langmuir方程可以较好地描述绝大部分煤的吸附等温线。
Langrnuir(1916)从动力学的观点出发，提出了单分子层吸附理论，其基本假设条件是:①吸附平衡是动态平衡②固体表面是均匀的③被吸附分子间无相互作用力④吸附作用仅形成单分子层。其数学表达式为
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式中:V为吸附量(cm3/g)p为平衡气体压力(MPa)a为吸附常数，反映吸附剂(如煤的最大吸附能力，与温度、压力无关，而取决于吸附剂和吸附质的性质(m3/g)b为压力常数，取决于温度和吸附剂的性质(MPa－1)。
(2)煤对甲烷的吸附能力:张新民等(2002)从110余个煤样(来自从褐煤至无烟煤2号等9个煤级的煤层)的等温吸附实验结果得出在模拟地下煤储层条件的情况下，我国煤对甲烷的吸附能力(以最大吸附量，即Langmuir体积表征)较强，Langmuir体积(VL)值在11.25～51.81cm3/g之间变化(干燥无灰基)(不包括无烟煤1号)。其分布情况如图4－14所示，由于各煤级煤样的数量不均衡，各VL值区间的数据个数并不完全代表我国煤的VL值的分布趋势。
图4－14我国煤样Langmuir体积实测值分布直方图 (据张新民，2002)
(3)煤吸附能力的影响因素:煤的吸附能力受煤本身的物理、化学性质及煤体所处的温度、压力等条件的控制。实验结果表明，煤的吸附能力受煤变质程度、温度、水分含量影响较为显著。
煤变质程度对吸附能力的影响。煤对甲烷的吸附是一种发生在煤孔隙内表面上的物理过程，吸附能力受孔隙特征的影响。在煤变质过程中，孔隙在发生着变化，从而影响着煤的吸附能力。张新民等(2002)认为从褐煤至无烟煤2号煤的吸附能力是随着煤化作用的增加而增大(图4－15，图4－16和表4－9)。成岩作用阶段褐煤的吸附能力明显低于其他各变质阶段的煤，长焰煤至肥煤3个煤阶吸附量增加缓慢，焦煤之后，煤的吸附量开始快速增加，于无烟煤2号煤的吸附能力最强。
图4－1530℃等温吸附Langmuir体积与Rmax关系图
图4－16不同变质程度(Rmax)煤在45℃条件下的等温吸附曲线图
表4－9不同煤阶煤的吸附常数平均值(t=30℃，含平衡水分)
温度对煤吸附性能的影响。等温吸附实验一般采用的温度是30℃或煤储层温度。图4－17、图4－18为两个代表性的煤样分别在25℃、35℃、45℃和50℃条件下实验得出的等温吸附实验曲线。其中图4－17的煤样YQ四－15Rmax为2.69%，图3－18的煤样HJH－8Rmax为0.88%。由图4－17和图4－18可见，不同温度下煤的吸附能力有变化。总体的变化趋势是在压力不变的情况下，随着温度的升高，煤的吸附能力降低。用Langrnuir方程，根据各温度条件下获得的Langmuir体积和Langmuir压力，分别计算2MPa、8MPa、12MPa、20MPa压力下的吸附量将同一压力不同温度的吸附量标绘在“温度－吸附量”坐标图中，即可用线性方程回归温度－吸附量经验公式，如图4－19和图4－20所示。
图4－17YQ四－15煤不同温度下的等温吸附实验曲线图 (据张新民，2002)
图4－18HJH－8煤不同温度下的等温吸附实验曲线图 (据张新民，2002)
图4－19YQ四－15煤在不同压力下温度与含气量关系图
图4－20HJH－8煤在不同压力下温度与含气量关系图
压力对煤吸附性能的影响。在其他条件不变时，随着压力的升高煤对甲烷的吸附能力增大(图4－21)。
图4－21随着压力的增大煤对甲烷的吸附能力也增大
图4－21a.在较高的温度下(虚线)，煤中储存较少甲烷当生气量大于煤的吸附能力时就发生运移图4－21b.随着盆地的抬升冷却生气量降低(实线)，从而导致煤层对甲烷不饱和。大气水中次生生物气的生成和热成因与生物成因气的运移可使煤层重新饱含甲烷。当煤层饱和时，解吸发生的压力就较高，则煤层气解吸只需较少的降压(排水)，甲烷的产量也会较高。
水分对煤吸附性能的影响。张新民等(2002)试验表明，随着煤中水分的增加，Langmuri体积呈减小趋势，这主要是煤的内表面上可供甲烷气体分子“滞留”的有效吸附点位是一定的，煤中水分越高，可能占据的有效吸附点位就越多，相对留给甲烷分子“滞留”的有效点位就会减少，煤的饱和吸附量就会降低。
5.煤储层压力特征
煤储层压力是指煤层孔隙中的流体(包括气体和水)压力。煤储层压力对煤层气含量、气体赋存状态起着重要作用。同时，储层压力也是水和气体从煤的裂隙中流向井筒的能量。当降低煤储层压力，煤孔隙中吸附的气体开始解吸，向裂隙中扩散，在压力差作用下从裂隙向井筒流动。煤层气开采就是根据这一原理，通过排水降低储层压力而采气的。
实际上，原始煤储层压力差别较大。这是由于它受多种因素的影响，如区域水文地质条件、埋深、含气量、地应力等都可对煤储层压力造成影响。一般用压力梯度去衡量储层压力的大小，将储层压力划分为三种类型(表4－10)。正常储层压力应等于9.5～10.0kPa/m，即基本上等于静水压力梯度大于10.0kPa/m为高压储层，小于9.5kPa/m为低压储层。
表4－10储层压力类型划分方案表
(二)煤层气的储存特征
一般说来，煤层气以3种状态存在于煤层之中:①吸附在煤孔隙的内表面上②以游离态分布于煤的孔隙中，其中大部分存在于各类裂隙之中③溶解于煤层内的地下水中。在煤化作用过程中生成的气体，首先满足吸附，然后是溶解和游离析出，在一定的温度和压力条件下，这3种状态的气体处于统一的动态平衡体系中。
上述这3种状态主要是针对甲烷而言，煤中的各种重烃组分是处于气态还是液态，这取决于煤储层的温度和气体压力。在当前开采深度和气体压力范围内，乙烷是气态，其他重烃呈液态。另外，除上述3种状态外，煤层中的气体还有可能以气体水合物晶体的形式存在，其条件是低温高压，如温度在0℃时，形成甲烷(CH4)水合物所需的压力为2.65MPa温度在10℃时，则所需压力为7.87MPa，而在这样的条件只有在深海或永久冻土地带才能出现，在我国煤田内一般是不存在的。由于煤层气成分中乙烷以上的重烃含量很小，所以煤层中烃类物质的相态绝大部分为气态。
1.吸附气
煤层区别于常规天然气储层的主要特征是，大部分气体以吸附的方式储存于煤层中。经测算，吸附状态的气占煤中气体总量的80%～95%以上，具体比例取决于煤的变质程度、埋藏深度等因素(张新民等，1991)。这主要由于煤是一种多孔介质，煤中的孔隙大部分为直径小于50nm的微孔，因而使煤具有很大的内表面积，对气体分子产生很大的表面吸引力，所以具有很强的储气能力。在我国，中、高变质程度的烟煤和无烟煤中实测煤层气含量(干燥无灰基)为10～30cm3/g，最高可达36cm3/g，甚至更高据测算，煤层的储气能力是同体积常规砂岩储气能力的2～3倍，如图4－22所示。
煤中吸附气含量，可以用直接法，通过煤样解吸试验得到也可用以用间接法，通过Langmuir方程计算求得。
2.游离气
在气饱和的情况下，煤的孔隙和裂隙中充满着处于游离状态的气体。这部分气服从一般气体状态方程，由于甲烷分子的自由热运动，因而显现出气体压力。游离气的含量取决于煤的孔隙(裂隙)体积、温度、气体压力和甲烷的压缩系数，即
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式中:Qy为游离气含量(cm3/g)Φ为单位质量煤的孔隙体积(cm3/g)p为气体压力(MPa)K为甲烷的压缩系数(MPa－1)。
图4－22煤与砂岩储气能力比较图 (据Kuuskvaa et al.，1989)
煤中游离气的含量不大。据前苏联科学院艾鲁尼等人的资料，中等变质程度的煤，在埋深300～1200m的范围内，其游离气仅占总含气量的5%～12%。
3.水溶气
水对甲烷有一定的溶解能力。根据煤炭科学研究总院西安分院在20世纪80年代后期进行的系统甲烷水溶试验的结果(表4－11)，一般每升水可溶解零点几升到几升甲烷。与其他气体相比，甲烷在水中的溶解度是较小的。例如，在0℃和常压下，甲烷在水中的溶解度为0.055L/L，而相同条件下乙烷在水中的溶解度为0.098L/L，二氧化碳为1.713L/L，硫化氢为2.67L/L。可以看出，甲烷在水中的溶解度仅为二氧化碳的1/30，是相当低的。尽管如此，当溶解度低的甲烷溶于大量的地下水中，就会有巨大的气体从气藏中运移出去，引起甲烷的散失。在自然界，煤层常常为含水层，当储层压力低到足以使气体能够从煤中解吸出来时，甲烷会因地下水的运动而从煤层中运移出去。
表4－11不同温度、压力和不同矿化度下，水对甲烷的溶解度表
续表
(据张新民等，1991)
(三)煤中气体的流动
在自然界的原始状态下，煤层中的气体以承压状态存在着，气体处于平衡状态，可以将其看作是不发生流动的。但是，当人为活动影响时，如井下采掘活动，气井排水降压等，由于破坏了原始的压力平衡状态，会引起煤层中气体的流动。煤中气体穿过煤层孔隙介质的流动机制可以描述为3个相联系的过程(图4－23)，即:
首先，由于压力降低使气体从煤基质孔隙的内表面上发生解吸其次，穿过基质和微孔扩散到裂隙中，扩散作用是由于在基质与裂隙间存在的浓度差引起的最后，在压力差作用下以达西流的方式在裂隙中渗流。这3种作用是一个互为前提并且连续进行的统一过程，不能割裂开来单独进行。
图4－23煤中气体流动的3个阶段图
1.解吸
当储层压力下降到低于临界解吸压力时，气体分子开始解吸，并遵循给定介质的等温吸附过程。解吸过程与时间有关。解吸过程进行的快慢可以用解吸时间来定性表示。所谓解吸时间，是指总吸附气量(包括残留气)的63.2%释放出来所需要的时间，一般用天或小时来表示。为使气体从不饱和气的煤层中开始解吸并产出，必须将地层压力降低到饱和点以下(图4－24)。
非常规油气资源
2.扩散流
气体穿过煤基质和微孔的扩散流动是由于体积扩散(分子与分子间的相互作用)、克努森(Knudson)扩散(分子与孔壁间的相互作用)和表面扩散(吸附的类液体状甲烷薄膜沿微孔隙壁的转移)共同作用的结果。
当孔隙直径大于气体分子的平均自由运动路程时，以体积扩散为主当孔隙相对于气体分子的平均自由运动路程较小时，以克努森扩散为主。表面扩散受气体分子与孔壁表面之间的持续碰撞作用的控制，在这些表面上气体以吸附状态被传输。在表面扩散中一旦发生碰撞，气体分子就立即被吸附在孔壁上。对整个运移过程来说，表面扩散的作用是不大的。
各种类型的扩散流动都是气体分子随机运动的结果。图4－25可用来说明煤基质中甲烷扩散的过程。由于气体分子的随机运动，可以假定试图穿过某一虚拟内表面发生运动的两边气体的百分率相同。这样，由于靠近基质中心一侧(左)的甲烷浓度大于靠近割理一侧(右)，所以试图从左向右穿越的分子数目就大于试图从右向左穿越的分子数目，于是总的运移方向是从左向右，即从煤基质块向割理流动。
图4－25煤基质中甲烷扩散的过程图
3.达西流
一般认为，在中孔(直径大于100nm)以上的孔隙和裂隙中，气体的流动为渗透，并且可能存在两种方式，即层流和紊流。由于煤层内孔隙的大小、形态、曲率非常复杂，具有明显的不均匀性，因此为了简化煤层中气体流动状态，通常认为煤层中气体流动属于层流渗透，且服从达西(Darcy)定律。即流体的流速v与其压力梯度成正比。它的简单表达式为:
非常规油气资源
式中:k为煤层的渗透率(10－3μm2)μ为流体的绝对黏度，对于甲烷，μ=1.08×10－5Pa·s为流体的压力梯度(Pa/m)。
(四)煤储层箱和含气特征
1.煤储层箱
各个盆地中煤储层的性质不同，具有较好油气通道和甜点的区域只占不到盆地生产区面积的10%。煤层气的经济可采要求众多地质要素聚集在一个适当的时间框架中，而且还须有可操作性及合适的环境。煤层气勘探开发的关键是识别煤储层箱。煤储层箱是指具有相似储层属性的封隔体，包括含气量、渗透率、水和气组分等。
2.煤层含气性特征
煤层含气性指煤层气含量。煤层气含量是指单位重量煤中所含煤层气的体积，单位为m3/t。
煤层气含量和煤层厚度有关，煤层厚度越大，稳定性越好，对煤层气的生成量和资源量规模起决定性作用。煤是煤层气的母质，在同等煤级条件下，煤层越厚生气量越大，煤层气丰度也越高。
煤层集生气层与储集层于一体，故煤的生气量与储集性能对煤的含气量有重要影响。煤层的生气量与成煤物质、煤变质程度有关储气能力与煤的变质程度、煤岩成分、气体压力等因素有关，而压力又与煤储层的埋深、区域水文地质、气生成量有关除煤层自身条件外，煤储层的保存条件对煤层气含量也有重要影响。这些诸多的影响因素以及复杂的相互配置关系造成煤层气含量的差异变化。而这些因素又可归结为4个方面:
(1)煤变质对煤层气含量的影响:煤变质对煤层气含量的影响，主要是通过对煤的生气量和煤的吸附能力的控制作用而体现的。研究表明，煤的生气量随着煤变质程度的增加而增大，且随着煤变质程度的提高，煤对甲烷的吸附能力逐渐增大。这说明在相同的保存条件和煤储层压力条件下，变质程度愈高，煤中吸附的甲烷愈多，即煤层气含量越高。
(2)煤储层埋藏深度对气含量的影响:据Langmuir吸附理论，随着压力的增大，煤对甲烷的吸附量呈非线性增加。随着埋藏深度的增大，煤层的压力增大，煤对甲烷的吸附能力增强，煤层含气量增大。
(3)水文地质与煤层气含量的关系:水动力对煤层气具有水力封闭和水力驱替、运移的双重作用。水力封闭作用有利于煤层气的保存，而水力驱替、运移作用则引起煤层气的逸散及在新条件下的聚集(常规圈闭)。一般讲，地下水压力大，煤层气含量高，反之则低地下水的强径流带煤层气含量低，而滞流区则含量高。
(4)聚煤环境与煤层气含量的关系:含煤地层沉积环境主要有两类，即海陆过渡相沉积环境和陆相沉积环境。海陆过渡相形成的煤层，煤的还原程度高，镜质组含量通常较高，水体中的藻类、浮游动物往往残余成煤，形成富含烃类的沥青质体，构成亮褐煤和烟煤中微粒体的前身。在陆相沉积环境中形成的煤惰质组含量较高，惰质组由于炭化作用而变的惰性，富含碳，在煤化作用过程中挥发性物质少，生气量也少而且煤层中藻类、浮游生物少见。由于镜质组的生气量大于惰质组，沥青质体生烃量比镜质组和壳质组高因此，海陆交互沉积环境中形成的煤层的生气量、储气能力均大于陆相沉积环境中形成的煤层。
张文忠 周尚忠 孟尚志 赵军 莫日和
( 中联煤层气有限责任公司 北京 100011)
摘 要: 柳林区块位于山西省西部，西邻黄河，前期勘探和试生产显示该区块煤层气勘探开发具有广阔的前景。为尽快在该地区实现煤层气商业化生产，最大限度地满足当地对煤层气资源的需求，寻找煤层气富集高产区显得至关重要。本文根据柳林地区煤层气赋存特征与地下水化学场、动力场的耦合关系，探讨了水文地质条件与煤层气富集成藏的关系，结果显示柳林区块地下水顺地层向西部深处流动，越往西部深处水动力越弱，越有利于煤层气的富集成藏。
关键词: 柳林区块 煤层气 水文地质条件 富集成藏
基金项目: 国家科技重大专项 “大型油气田及煤层气开发”项目 62 ( 2011ZX05062)
作者简介: 张文忠，男，工程师，1979 年出生，博士，2009 年毕业于中国地质大学 ( 北京) ，现在中联煤层气有限责任公司工作，电话: 01064297957，邮箱: zwz98413@163. com。
Hydrogeologic Conditions and Its Influence on Coalbed Methane Accumulation in Liulin Block，Shanxi Province
ZHANG Wenzhong ZHOU Shangzhong MENG Shangzhi ZHAO Jun MO Rihe
( China United Coalbed Methane Co. ，Ltd. ，Beijing 100011，China)
Abstract: Liulin Block lies in the west of Shanxi Province，previous exploration and trial production indi- cates that this block has vast potential for future development. For the purpose of realizing CBM commercial produc- tion，it’ s vital to find CBM-rich areas and high-yield areas. According to the spatial coupling relation of CBM ac- cumulation with groundwater geochemical field and dynamic field，this paper discusses the relationship between hydrogeologic conditions and CBM accumulation. The result shows the ground water of Liulin Block flows from northeast to southwest，the hydrodynamic condition is weak in the west and it is more suitable for CBM accumula- tion.
Keywords: Liulin Blockcoalbed methanehydrogeologic conditionaccumulation
煤层气是煤在煤化作用过程中生成，主要以吸附状态赋存于煤层内的以 CH4为主要成分的非常规天然气。煤层气是优质的能源和基础化工原料，具有热值高、污染少、安全性高的特点，是石油和天然气等常规地质能源的重要补充。煤层气同时又是一种有害的危险气体，煤层气中CH4的温室效应约是CO2的21倍，对大气臭氧层造成的破坏是CO2的7倍(赵庆波等，1998)，对生态环境破坏性极强煤层气的易燃易爆性也严重危及着煤矿的安全生产，因此，对煤层气有效利用，对于缓解我国能源供应的紧张局面、减少温室气体排放、提高煤矿的安全生产及拉动其他相关产业的发展具有重要的意义。
柳林区块位于山西省西部，河东煤田中部，西邻黄河，面积约183km2。柳林区块位于鄂尔多斯盆地东缘中部的离石鼻状构造上，主体构造为一个弧顶向西突出的弧状褶皱。区块内断层较少，仅在区块北部发育由聚财塔南北正断层组成的地堑及其派生的小型断层。柳林地区发育煤层14层，其中山西组5层，自上而下编号为1、2、3、4(3+4)、5号煤层太原组9层，自上而下编号为6上、6、7、7下、8+9、9下、10、10下、11号煤层。其中山西组的2、3、4(3+4)、5号煤层，太原组的8+9、10号煤层为煤层气勘探开发的主力煤层(任光军等，2008)。
1 柳林区块水文地质条件概述
1.1 含水层类型及分布
柳林地区有六套主要含水层组，分别是:奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层组、石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组、二叠系上、下石盒子组和石千峰组砂岩裂隙含水层组、三叠系砂岩裂隙含水层组与新近系、第四系砂砾石(岩)孔隙含水层组(图1)。其中石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组和二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组是与煤层气开采直接相关的两套含水层组。
奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层组由上、下马家沟组和峰峰组组成，为一套以石灰岩、泥灰岩、白云岩等碳酸盐岩为主的浅海相沉积，在柳林区块以东外围大面积出露，该套含水层组呈单斜构造，自东向西埋深逐渐增大，含有丰富的岩溶水，是区域的主要含水层系。
石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组主要由石炭系上统太原组间夹于碎屑岩中的5层石灰岩(L1－L5)组成，在区块东部的大沟谷中零星出露，由东向西，埋深逐渐增大(图2)。储水空间主要是构造、溶蚀裂隙以及溶蚀孔洞，富水性在不同地点差别较大。柳林区块东缘岩溶发育，连通性好，接受补给容易，富水性较强。向西随着地层埋深的逐渐增大，灰岩的岩溶、裂隙逐渐变得不是很发育，富水性也逐渐变差，总体来说，该套含水层组的富水性是较强的。
二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组由K3砂岩组成，在柳林区块东界外围有零星出露，含水层砂岩裂隙大部分充填方解石脉或钙质薄膜，开启性、连通性较差，储水空间小，富水性较弱。
二叠系上、下石盒子组和石千峰组砂岩裂隙含水层由下石盒子组K4砂岩及上石盒子组和石千峰组的砂岩组成。K4砂岩节理、裂隙较发育，由于开启性差，且多充填方解石脉或钙质薄膜，再加上补给条件的限制，富水性差。上石盒子组和石千峰组砂岩富水性也较弱。
三叠系砂岩裂隙含水层组以砂岩裂隙含水层为主，在柳林区块西南部与聚财塔地堑中出露，其富水性较差。
图1 柳林区块含水层系划分图
新近系、第四系砂砾石(岩)孔隙含水层组中孔隙发育，接受大气降水补给，形成孔隙潜水，受地形、补给条件及其分布面积的限制，富水性一般不强，经短途径流即排向河道或沟底补给地表水或渗入下伏岩层裂隙中，集中排泄时形成下降泉。
1.2 流体场特征
1.2.1 地下水补、径、排条件
柳林区块地层总体向西倾伏，区域水文地质条件简单，为一西倾宽缓单斜蓄水构造，大气降水和东部灰岩的侧向补给是区块内所有地下水的主要补给源，有时大气降水成为各主要含水层唯一的补给源。地表河流多为季节性河流，不利于地下水补给或者补给量很小。受单斜构造的控制，柳林区块各主要含水层基本上都是在东部地层出露区接受大气降水的补给，然后由浅部流向深部。
图2 柳林区块水文地质简易剖面图
柳林区块地下水水位高程呈北高南低、东高西低的总体背景。地下水主要表现为顺层向深部流动，随侧向距离的延长，径流强度逐渐减弱。在山西组埋深大于500m处，地下水径流速度已经很缓慢，地下水径流基本处于滞流状。煤层底部奥陶系地层也表现出东、北部较高，逐渐向西、南部降低的一致趋势。
根据围岩含水层对煤层供水强弱，将柳林区块煤层水分为三种类型。①煤层顶板为灰岩溶蚀孔型含水层，对煤层供水较为充足，煤层产水量大，石炭系太原组8号煤层属于此种类型②煤层顶板或底板为砂岩孔隙、裂隙型含水层，对煤层供水有限，煤层产水量一般不大，二叠系山西组4号煤层属于此种类型③煤层顶、底板皆为泥质岩，供水性差，渗透到煤层中的水极少，只有在断层或裂隙发育的部位才能提供给煤层，山西组5号煤层属于该种类型。
1.2.2 地下水化学特征
水化学成分是地下水运动的真实记录。煤层水化学研究是为了阐明地下水循环特征。柳林区块煤层水化学成分阴离子以HCO－3为主，含量一般2100～2400mg/L，8号煤层水的HCO－3含量略高于4、5号煤层水其次是Cl－，另外含有少量CO－3和SO2－4。阳离子以Na+占主导，含量1300～1800mg/L，还含有少量K+、Ca2+、Mg2+和NH+4pH值6.7～8.2。
柳林区块4、5号煤层水矿化度高于8、9号煤层水，反映8、9号煤层水的活跃程度较高，4、5号煤层气富集的水文地质条件要好于8、9号煤层。
2 水文地质条件与煤层气富集的关系
2.1 水文地质控气作用
煤系地层的水文地质条件是影响煤层气富集、保存、成藏及开采的重要地质因素之一。不同水文地质条件下，煤层瓦斯的富存条件不同，含气饱和度不同，造成煤层瓦斯含量的差别很大。某些水文地质条件对煤层瓦斯保存有利，而有些水文地质条件对煤层瓦斯保存却十分不利。水文地质控气作用可概括为三种特征:①水力运移逸散控气作用②水力封闭控气作用③水力封堵控气作用(叶建平等，2001)。水力封闭作用和水力封堵作用有利于煤层气的保存，而水力运移逸散作用则造成煤层气的散失。一般而言，地下水压力大，煤层气含量高，反之则低。地下水的强径流带煤层气含量低，而滞流带煤层气含量高。
2.1.1 水力运移逸散控气作用
水力运移逸散控气作用常见于导水性强的断层构造发育区，通过导水断层或裂隙，沟通煤层与含水层，水文地质单元的补、径、排系统完善，含水层富水性与水动力强，含水层与煤层水力联系较好，在地下水的运动过程中，地下水携带煤层中气体运移而逸散。
2.1.2 水力封闭控气作用
水力封闭控气作用发生于断裂不甚发育的宽缓向斜或单斜中，而且断裂构造主要为不导水性断裂，特别是一些边界断层，具有挤压、逆掩性质，成为隔水边界。水力封闭控气作用一般发生在深部，地下水通过压力传递作用，使煤层气吸附于煤中，煤层气相对富集而不发生运移，煤层含气量较高。
2.1.3 水力封堵控气作用
水力封堵控气作用常见于不对称向斜或单斜中。在一定压力差条件下，煤层气从高压力区向低压力区渗流，或者说由深部向浅部渗流。压力降低使煤层气解吸，因此在煤层露头及浅部是煤层气逸散带。如果含水层或煤层从露头接受补给，地下水顺层由浅部向深部运动，则煤层中向上扩散的气体将被封堵，致使煤层气聚集。
2.2 地下水化学特征对煤层气成藏的影响
对于含煤地层来说，不同类型的地下水反映不同的矿化度、盐度，而不同的矿化度、盐度对煤层气藏的影响不尽相同。因此，不同类型的地下水对煤层气成藏起着不同的作用。按地层水的化学性质，可将地层水分为CaCl2型、NaHCO3型和Na2SO4型三类。一般CaCl2型水是深层成因水，往往位于承压区，具有较高的矿化度。承压水封闭区煤层封闭条件较好，煤层气成藏条件有利，但承压水区煤层埋深往往大于1000m，孔渗条件较差，虽利于成藏，但不利于煤层气的开发。低矿化度的Na2SO4型地下水是地表补给水的标志，处于补给区或泄水区附近，煤层埋深较浅或侧向煤层已出露地表，是地表水沿露头区渗入煤层后产生水力交替的产物，常常与甲烷风化带相对应，煤层气成藏条件差。NaHCO3型地下水的矿化度介于前两者之间，煤层埋深主要在250～1000m之间，煤层埋藏适中，水力交替滞缓，在渗入水与地层水的接触面水流相反，产生局部滞流带，地层水流动不畅而形成超压，从而形成封堵型煤层气藏。
2.3 柳林区块煤层气富集特点
柳林区块地层水以NaHCO3型为主，局部地区有CaCl2或Na2SO4型(图3)，总矿化度东低西高，纵向上，总矿化度由浅到深有逐渐增大的趋势，山西组地层水的Cl－含量明显高于太原组，反映了山西组地层水的封闭性要好于太原组。柳林区块上古生界煤系地层水化学特征显示出该区块的地层水与地表连通，但属较稳定承压水动力系统，相对较高矿化度的NaHCO3水型显示其对烃类的较好保存条件，并且在400m左右的埋深，Cl－含量能达到1000mg/L左右，为很有利于煤层气富集的水化学条件(王明明等，1998)。
图3 柳林区块山西组地下水化学类型分布图
综合来讲，可根据柳林地区煤层气赋存特征与地下水化学场、动力场的耦合关系，来探讨水文地质条件与煤层气富集的关系。水文地质参数、水位标高、矿化度、影响半径，都将对煤层气的生产能力产生显著影响。高含气带分布规律与地下水系统划分、水动力条件、矿化度分布规律具有对应关系。就柳林地区的水动力条件和水文地球化学特征来说，地下水顺地层向西部深处流动，且越往西部深处矿化度越大、水动力越弱，对煤层气富集越有利。
3 柳林区块煤层气成藏模式
柳林区块太原组与山西组煤层以焦煤、瘦煤为主，煤层气的富集表现为高含气量与厚煤带的叠合区域。埋深与水动力条件在很大程度上控制了煤层气的富集程度。
3.1 太原组煤层气成藏模式
太原组8+9、10号煤层为单斜水动力封闭成藏(图4)。由于补给区与径流区均在柳林区块外，柳林区块多为弱径流与滞流环境，有利于煤层气的保存。由北东向南西方向，随埋深加大，地层压力增加，煤层含气量相应增高。区块西南方向地下水径流作用弱，理论上有利于煤层气富集保存，虽然吨煤含气量可观，但由于富水性强，储层压力大，排水降压困难。加之煤层在此分岔变薄的趋势，不利于煤层气开发。
图4 柳林区块太原组单斜水压封闭成藏模式图
3.2 山西组煤层气成藏模式
山西组3+4、5号煤层顶板主要为泥岩封盖，局部为粉砂岩，顶底板含水性较弱，虽然存在顶板砂岩裂隙含水层，但整体上不存在水动力运移逸散作用，含气饱和度达90%以上，为区域有效盖层气压封闭成藏(图5)。煤层厚度与埋深是煤层气富集的主控因素，柳林区块煤层含气量整体上随埋深增加逐渐增大，厚煤带发育区为煤层气富集的有利地区。
图5 柳林区块山西组盖层气压封闭成藏模式图
4 结论
水动力条件直接影响着地层压力分布及流体的运移，由此改变吸附气与溶解气和游离气间原有的平衡，从而影响到煤层气的富集与保存。
柳林区块太原组8号煤层与顶板灰岩为同一水动力系统，由于煤岩基质和地层水中存在较大的浓度梯度，煤岩中甲烷气体不断向上逸散，继而被交替地层水带走而难以保存在煤层中。因此，柳林区块太原组煤层整体含气饱和度偏低，含水饱和度较高，对后期排水降压不利。
柳林区块山西组3+4、5号煤层顶板主要为泥岩封盖，局部为粉砂岩，顶底板含水性较弱，虽然存在顶板砂岩裂隙含水层，但整体上不存在水动力运移逸散作用，含气饱和度达90%以上，煤层气开采条件较好。
参考文献
任光军，王莉，娄剑青.2008.柳林地区水文地质特征及其对煤层气生产井的影响，2008年煤层气学术研讨会论文集［M］.北京:地质出版社，378～389
王明明，卢晓霞，金惠等.1998.华北地区石炭二叠系煤层气富集区水文地质特征［J］.石油实验地质，20(4):385～393
叶建平，武强，王子和.2001.水文地质条件对煤层气赋存的控制作用［J］.煤炭学报，26(5):459～462
赵庆波，刘兵，姚超等.1998.世界煤层气工业发展现状［M］.北京:地质出版社，1～2
吴国强
作者简介：吴国强，中国煤田地质总局地质矿产部副部长，教授级高级工程师，矿产储量评估师。
自从《固体矿产资源/储量分类》(GB/T 17766—1999)、《固体矿产地质勘查规范总则》(GB/T 13908—2002)国家标准和《煤、泥炭地质勘查规范》(DZ/T 0215—2002)(以下简称新规范)发布实施以来，对指导和规范煤炭资源勘查、开发和管理起到了积极的推动作用，但实际工作中仍存在新旧标准混用、不能正确理解和运用新标准规范等一些问题。为此，国土资源部于2007年2月6日发布了《固体矿产资源储量核实报告编写规定》(国土资发[2007]26号)、2007年2月14日发布了《＜煤、泥炭地质勘查规范＞实施指导意见》(国土资发[2007]40号，以下简称指导意见)和2007年4月25日发布了《关于全面实施＜固体矿产资源/储量分类＞国家标准和勘查规范有关事项的通知》(国土资发[2007]68号)等一系列文件，使新规范得以逐步完善。为了更好地理解和执行新规范及相关文件精神，笔者根据对新规范和相关文件的学习理解，结合近年对矿产勘查和矿产资源储量评审工作的实践，谈几点对新规范资源储量估算有关规定的认识和体会，与同仁们商榷。
1 关于资源储量估算范围
1.1 勘查许可范围和采矿许可范围
各阶段勘查报告的资源储量估算范围首先必须明确是在勘查许可范围内，即在探矿权登记的平面坐标范围内的可采煤层可采边界内。
核实报告资源储量估算范围首先必须明确是在采矿许可范围内，即在采矿权登记的三度空间坐标范围内的可采煤层可采边界内。需要指出的是相当一部分报告编制者，在资源储量估算中忽视了开采许可水平标高。
1.2 露天煤矿勘查范围
新规范对露天煤矿工作程度做了规定，但对露天煤矿勘查条件未作说明，近年来随着矿产勘查、开发市场化，有些探矿权人提交的勘探报告，对井工和露天开采条件范围的确定有些模糊，造成资源储量估算和评价范围不准确，有必要予以说明，以便更好地执行新规范。笔者比较认同旧规范的规定，即露天煤矿开采范围应在详查或相当于详查工作程度的基础上，由矿山设计部门按照矿区总体设计或在矿区可(预可)行性研究报告中确定露天煤矿边界。也可参照表1中关于近似的深部境界剥采比的要求，大致地圈定露天勘探的境界。在可(预可)行性研究报告中确定露天煤矿范围内，估算资源/储量，其他未进行可(预可)行性研究的井工范围内，估算资源量。
表1 深部境界剥采比要求
露天煤矿的深部境界，在勘查阶段一般难以正式确定。为了划定露天勘查深部的边界，可以用钻孔柱状图计算深部境界附近的岩煤比，视作近似的境界剥采比，并以此会同煤矿设计部门商定露天勘探的深部边界。
固体矿产地质勘查、资源储量报告编制文件及规范解读
式中：O——松散覆盖层的单位体积(m3)；
R——露天开采的最下一个可采煤层以上的全部岩石和不可采煤层的单位体积(m3)；
C——露天开采的全部可采煤层的单位体积(m3)；
μ——煤的回采率，85%～95%；
d——煤的平均容重。
1.3 先期开采地段和初期采区
勘探报告还要确定先期开采地段(或第一水平)和初期采区(或首采区)。新规范对先期开采地段(或第一水平)和初期采区(或首采区)有如下说明。
先期开采地段(第一水平)：地层倾角平缓，不以煤层埋深水平划分，而采用分区开拓方式的矿井，满足矿井设计生产能力和相应服务年限的开采分区范围，为先期开采地段，它相当于按煤层埋深布置开采水平时，一般以一个生产水平来保证矿井设计生产能力和该水平服务年限，其最浅的水平，即第一水平。
初期采区：达到矿井生产能力最先开采(或最先同时开采)的采区，为初期采区，亦称首采区。
国土资发[2007]68号文件对先期开采地段和初期采区划定条件和工作程度要求有进一步规定：在矿床(井田)勘探工作进行前，应根据已有地质勘查成果，由矿山设计部门提出先期开采地段(或首采区、第一水平)范围，先期开采地段要有保障一定服务年限的资源量，主要由探明的、控制的资源量组成。新规范规定了资源储量比例：在先期开采地段范围内探明的和控制的比例的一般要求可参照附录E1确定(露天矿比例要求提高10%)，在初期采区范围内主要可采煤层应全部为探明的。
1.4 生产矿井扩大(延深)范围
生产矿井在平面或垂深超出原已批准地质报告的范围，即生产矿井扩大(延深)范围，应根据扩大区所处井田的部位，结合矿井改扩建设计对扩大(延深)范围的要求，进行资源储量估算。若扩大区直接作为开拓水平使用，其性质大致相当于勘探的第一水平，基本上以估算探明的、控制的资源储量为主；如近期不作为开拓水平使用，而是为了矿井生产能力增大之后有足够的资源储量，则其性质大致相当于勘探的第二、三水平，基本上以估算推断的资源量为主。
1.5 压覆范围
按国土资发[2007]68号文要求，凡新建设项目压覆矿产资源的，应按有关规定履行审批手续。因已有的建筑(设)因素(如铁路、村庄)、自然生态因素(如水源地、公园保护区)、法律社会因素(如禁止开发地段)等事实压覆的矿产资源，不必履行压覆审批手续，但应在资源储量报告中分割出压覆的矿产资源范围，估算内蕴经济资源量或预测资源量，经矿产资源储量评审备案，作为划定矿区范围(申请采矿许可证)、矿业权变更、压覆矿产资源储量登记的依据。在申请划定矿区范围前已压覆的矿产资源，申请人应在划定矿区范围申请时将压覆无法开采的部分扣除。
2 关于参与资源储量估算的可采煤层
参与资源储量估算的可采煤层包括全区可采煤层、大部分可采煤层、局部可采煤层。
2.1 全区可采煤层
指在勘查评价范围内(一般为一个井田或勘查区)，煤层的采用厚度、灰分、硫分、发热量全部或基本全部符合规定的资源量估算指标，可以被开采利用的煤层。
2.2 局部可采煤层
指在勘查评价范围内(一般为一个井田或勘查区)，有三分之一左右分布比较集中的面积，其煤层的采用厚度、灰分、硫分、发热量全部或基本全部符合规定的资源量估算指标，可以被开采利用的煤层。
2.3 大部分可采煤层
指在勘查评价范围内(一般为一个井田或勘查区)，可采程度介于全区可采煤层和局部可采煤层之间的煤层。
2.4 不可采煤层
在勘查评价范围内(一般为一个井田或勘查区)，其煤层的采用厚度、或灰分、或硫分、或发热量不符合规定的资源量估算指标，或符合的面积只占很小的比例；或者虽然占有一定的面积，但分布零星，不便或不能被开采利用的煤层。不可采煤层是否计量，根据具体情况确定。
需要指出的是，在预查、普查阶段，凡勘查许可范围内赋存煤层可采见煤点均要采样送验和验收评级，并进行初步评价；详查、勘探阶段对普查阶段评价为不可采煤层的可采见煤点是否进行采样送验和验收评级，根据具体情况确定，但要在设计中明确。
3 关于资源储量估算一般工业指标
资源储量估算一般工业指标，在指导意见中已从各个方面作了明细规定。笔者仅把各相关方面归纳一下，并谈一些在具体运用中需要注意的问题。
3.1 煤层厚度
指见煤点的采用厚度。
3.1.1 采用厚度对煤层稳定性评价
采用厚度：按照规范规定的方法计算而得的煤层厚度称为采用厚度，亦称计算厚度。采用厚度主要用于煤层可采程度和稳定程度的评价和计算煤的资源储量。
但需注意旧规范对于复杂结构煤层的稳定性评价还有如下说明：夹矸层数很多，单层厚度很小，一般均小于煤层最低可采厚度，在地质勘探和煤矿生产中，不需做分层对比工作，可以按全层厚度的变化来评价煤层的稳定程度。新规范和指导意见没有规定，在实际运用中也因人而异，笔者比较认同把结构复杂、全层厚度变化稳定煤层的稳定程度定为二型，即较稳定型。
3.1.2 有夹矸的煤层采用厚度的确定
采用厚度亦称估算厚度，主要用于煤层可采程度评价和估算资源储量。在研究煤层沉积环境、赋存规律、煤层对比时，以煤层的全层厚度为宜。
煤层中厚度等于或大于煤层最低可采厚度的夹矸，仅见于个别煤层点时，可不必分层估算。
结构复杂煤层：指夹矸层数很多，但单层厚度很小，一般均小于煤层最低可采厚度，在地质勘查和煤矿生产中，不需做分层对比工作，可以按全层厚度的变化来评价煤层稳定程度的煤层。
复煤层：指煤层全层厚度较大，夹矸层数多，厚度和岩性的变化大，夹矸的分层厚度在一定范围内可能大于所规定的煤层最低可采厚度。在地质勘查和煤矿生产中，属于应当进行分层对比的煤层。
夹矸较稳定，煤分层可以对比的复煤层：夹矸较稳定，煤分层可以对比的复煤层应按新规范8.4.1条、8.4.2条规定，分别计算各煤分层的采用厚度。
夹矸不稳定，无法进行煤分层对比的复煤层：夹矸不稳定，无法进行煤分层对比的复煤层，虽其夹矸的单层厚度有时等于或大于煤层最低可采厚度，但当夹矸的总厚度不超过各煤分层总厚度的1/2时，以各煤分层的总厚度为煤层的采用厚度，计算采用厚度按规范8.4.3条规定。
经对比属于同一复煤层的煤分层，当采用厚度的煤分层的底板深度与复煤层最下一层煤分层的底板深度相差较大，影响到资料使用时，是选用采用厚度的煤分层的底板深度，还是选用复煤层最下一层煤分层的底板深度，可根据设计和生产单位的要求，合理选用。
3.1.3 临界厚度
临界厚度：是旧规范中的名词，指的是煤层厚度比规定的最低可采厚度小0.10m以内的煤层厚度。
新规范对不符合工业指标的资源是否计量，没有明确规定。在实际工作中，过去和现在都有对煤层厚度比规范规定的最低可采厚度小0.10m的、灰分为40%～50%的、硫分大于3%的，予以计量的情况。笔者比较认同这部分煤层予以算量并单列(核实报告应保留以往计算的“暂不能利用储量”)。这不仅是因为符合国家鼓励合理开发利用煤炭资源的政策，尤其是对临界厚度采样要求，可以规避一些薄煤层和煤类变化较大的煤层，在资源储量估算缺失煤质资料的风险。在勘查施工阶段，对于最低可采厚度＜1.30m和厚度在1.31～3.5m的煤层，钻探与测井厚度确定的误差，一般规定不大于0.10m和0.2m。经常会发生在测井可采，钻探不可采的情况下，采用测井厚度。若现场煤心有要求、没有处理，还可以采样弥补，据笔者所了解到的情况，大部分没有要求，钻孔已封闭，这样就造成煤质资料缺失。因此，建议在勘查设计中，对所有钻孔中的临界厚度煤层点，均应增加采取煤心煤样要求，同时建议褐煤的临界厚度比规定的最低可采厚度小0.20m。
3.1.4 煤层厚度采用时应注意的其他情况
根据地震勘探资料解释的煤层厚度的具体数字资料不能用于资源量估算，但其确定的煤层厚度变化规律、无煤区范围等，可以在划定最低可采边界时，结合钻探数据采用内插法确定无煤区范围，综合分析使用。
矿井核实报告资源储量估算应充分利用井巷工程揭露的煤层厚度；槽(井)探煤层厚度在确定其资料可靠的情况下也应充分利用。在一些报告的资源储量估算中往往忽视了对这两类资料的利用。
一般受断层影响的煤层变厚(缺失)点，不参加资源量估算。
3.2 最高灰分(Ad)
指该煤层可采见煤点(或全层)的灰分平均值。可采见煤点的灰分是该见煤点的可采部分中各煤分层的灰分和所有单层厚度不大于0.05m夹矸灰分的加权平均值。
资源储量估算中对于原煤灰分大于40%的可采见煤点，若是个别点应分析其形成的原因，其煤质资料可合理取舍；若原煤灰分在40%～50%的可采见煤点，分布有一定范围时，是否估算资源储量，可根据具体情况或探矿权人要求决定。
3.3 最低发热量(Qnet，d)
指该煤层可采见煤点(或全层)的发热量平均值。可采见煤点的发热量指该见煤点的可采部分中各煤分层的发热量和所有单层厚度不大于0.05m夹矸发热量的加权平均值。以干燥基低位发热量作为估算指标。
对灰分和发热量指标，一般可优先考虑灰分指标是否符合要求。当灰分指标符合要求时，可不考虑发热量指标；当灰分指标超过规定指标时，以发热量指标为准。在确定估算指标时，要避免确定的估算指标不合理，从而造成煤炭资源的浪费或破坏。
需要指出的是，煤质评价标准GB/T 15224.3—2004与GB/T 15224.3—1994标准的区别是将按收到基低位发热量范围分级，改为按干燥基高位发热量范围分级。对无烟煤和烟煤与褐煤分别进行分级，发热量分级由原来的6级改为：无烟煤、烟煤分5级，褐煤分3级。
资源储量估算指标是用干燥基低位发热量。三者有一定差别，在资源储量估算和核实时应按要求使用，并按相关公式进行换算。
3.4 最高硫分(St，d)
指该煤层可采见煤点(或全层)的硫分平均值。
可采见煤点的硫分是该见煤点的可采部分中各煤分层的硫分和所有单层厚度不大于0.05m夹矸硫分的加权平均值。
资源储量估算中对于原煤全硫大于3%的可采见煤点，若是个别点应分析其形成的原因，其煤质资料可合理取舍，一般不扣除大于3%范围，反之估算其资源量并单列；若原煤全硫大于3%的可采见煤点，分布有一定范围时，一般扣除大于3%范围，估算其资源量并单列。
对于可选性差的高灰、高硫的炼焦煤类，不能作为炼焦用煤其资源储量估算指标的选择，新规范没有明确，因此，在实际执行中也因人而异。笔者比较认同旧规范之规定，即应按非炼焦用煤的指标估算资源储量。
需要指出的是煤质评价标准GB/T 15224.2—2004 与GB/T 15224.2—1994 相比的主要区别：除了对炼焦精煤和动力煤分别进行分级、对动力煤中无烟煤和烟煤与褐煤分别进行分级和煤炭硫分分级级别进行适当调整(比原来的标准高了)外，还对动力煤进行硫分分级时，引入了干燥基高位发热量，并对不同煤种规定了各自的干燥基高位发热量为分级基准。应该注意的是，当煤炭的实测干燥基高位发热量不等于基准发热量时，要对硫分进行折算，得到折算后的干燥基全硫，然后以折算后的干燥基全硫再进行分级。
折算后的干燥基全硫的计算方法：
固体矿产地质勘查、资源储量报告编制文件及规范解读
基准发热量：基准发热量是指对不同煤种规定的干燥基高位发热量。各煤种的基准发热量见表2。
表2 各煤种的基准发热量
4 控制程度与块段划分
4.1 各类资源量估算块段划分的基本要求
新规范规定的“划分各类型块段，原则上以达到相应控制程度的勘查线、煤层底板等高线或主要构造线为边界。相应的控制程度，是指在相应密度的勘查工程见煤点连线以内和在连线以外以本种基本线距(钻孔间距)的1/4～1/2的距离所划定的全部范围”原则时，因没有明确使用条件，在执行中存在比较大的差异。2007年2月24日颁布的指导意见对此条进行了说明：相当于“旧规范”的第10.1.7条1、2项的表述内容，包含了两层意思：达到了相应控制程度时，原则上按勘查线、煤层底板等高线或主要构造线为边界来划分各类别块段；其次是在达到了相应控制程度的勘查工程见煤点连线以内和连线以外以本种基本线距(钻孔间距)的1/4～1/2的距离所划定的全部范围内，都视为达到了相同的控制程度，而不再视为外推的范围(划定工程见煤点连线以外1/4～1/2的距离范围时，其外侧还应有工程见煤点控制)。上述两种块段划分办法的采用应根据具体情况确定。但对“在达到了相应控制程度的勘查工程见煤点连线以内和连线以外以本种基本线距(钻孔间距)的1/4～1/2的距离所划定的全部范围内，都视为达到了相同的控制程度”理解上还存在差异，笔者比较认同，此种块段划分办法应适用于稳定和较稳定煤层的资源储量估算，不适宜不稳定煤层。在较稳定煤层资源储量估算时，应强调划定查明的或控制的块段，工程见煤点连线以外1/4～1/2的距离范围时，其外侧还必须有工程见煤点控制。
4.2 地质可靠程度划分条件
新规范在地质可靠程度划分条件中对可采煤层本身的勘查、研究程度有明确规定，但没有列入水文地质条件、其他开采技术条件(如瓦斯、工程地质条件、煤尘爆炸危险性等)等方面的勘查、研究程度。没有列入并不是不重要，原因是这些方面一般只能以井田(勘查区)为单位进行评价。这方面的地质工作量和质量，在过去几年执行中有所削弱和下滑，2007年2月24日颁布的指导意见对此作了明确规定：新规范中凡涉及煤矿设计、建设、生产过程安全的条款都是强制性的，如有关水文地质、工程地质、煤层瓦斯、煤尘爆炸危险性、煤层自燃发火、地温变化等与开采技术条件相应的条款。规范规定的工作量是可能查明上述地质条件的最低工作量。因此，今后在地质勘查设计和资源储量评审中，必须严格执行。
4.3 各类型资源储量的地质可靠程度
探明的煤炭资源储量的地质可靠程度：相当于旧规范的A级储量条件。
控制的煤炭资源储量的地质可靠程度：相当于旧规范的B级储量条件。新规范7.2.3条“各项勘查工程已达到详查阶段的控制要求”，指详查阶段的一般情形，而不是勘探阶段的控制的资源储量的地质可靠程度条件。
推断的煤炭资源储量的地质可靠程度：新规范7.2.5条“各项勘查工程已达到普查阶段的控制要求”，指普查阶段的一般情形，而不是勘探阶段或详查阶段的推断的资源储量的地质可靠程度条件。推断的资源量属查明煤炭资源，按照《固体矿产地质勘查规范总则》(GB/T 13908—2002)，原则上没有系统工程控制的要求，笔者比较认同，在普查阶段一般按“控制的”钻探工程基本线距扩大一倍，圈定为“推断的”资源量；在勘探阶段或详查阶段的推断的资源储量的地质可靠程度条件，可以按照《固体矿产地质勘查规范总则》(GB/T 13908—2002)规定执行。
4.4 断层两侧划为推断的块段、各类煤柱和压覆资源量
断层两侧划为推断的块段：由于断层对煤层破坏的影响，断层旁侧小断层的发育，断层位置和倾角局部小范围变动等因素，断层即使已查明，其两侧资源储量的可靠程度也较差。因此，规范规定在断层两侧各划出30～50m为推断的块段。它不等同于矿井设计时划出的断层煤柱。地质报告在统计资源储量总量时一般不作煤柱资源储量统计。
压覆资源量：按国土资发[2007]68号文规定划出的压覆范围内，所单独进行估算和统计的资源量。
煤炭资源储量估算时的煤柱：煤炭资源储量估算，应以客观地质条件为主要考虑因素，凡符合估算指标的，均应予以估算。在矿井设计和开采时，对报告的资源储量如何利用，原则上不应影响资源储量估算。在划分资源储量类别时，不能因将来可能划为煤柱而改变或降低其类别。
指导意见在说明煤炭资源储量估算时的煤柱时还有一段文字：“在预查、普查和详查阶段不单独估算煤柱煤量。在勘探阶段，如未进行预可行性研究或可行性研究时，不单独估算煤柱煤量。对在矿井设计和生产中可能划出的煤柱(如防水煤柱、断层煤柱、广场及建筑物煤柱和其他等)，设计部门如有明确的划分方案，可以单独估算和统计”。这段文字和国土资发[2007]68号文规定的压覆资源量有重叠和矛盾，笔者认为，勘查各阶段均应执行压覆资源量估算和统计的规定，勘探阶段执行有关煤柱资源储量估算和统计的规定。
需要指出的是，在新规范执行前，有些精查报告将各类煤柱(包括压覆资源量)等列入“暂不能利用储量”，因此，资源储量核实时应将其与因厚度、灰分等工业指标原因而列入“暂不能利用储量”区分开来。
参考文献
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