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简述煤层气的赋存及开采机理。
煤层气是一种天然气，主要由甲烷组成，赋存于煤层中。
煤层气的开采机理主要包括煤层气的形成、赋存、运移和采集。
煤层气的形成是由于煤层在地质历史中经历了多次地质作用，如沉积、压实、变质等，导致煤层中的有机质分解产生甲烷等气体。
这些气体在煤层中被吸附或溶解，形成煤层气。
煤层气的赋存主要有两种形式，一种是吸附态，即气体分子被煤层孔隙吸附，另一种是游离态，即气体分子在煤层孔隙中自由运动。
煤层气的赋存状态与煤层孔隙结构、煤层压力、温度等因素有关。
煤层气的运移主要是通过煤层孔隙和裂隙进行，其中煤层孔隙是煤层气的主要运移通道。
煤层气的运移速度较慢，通常需要数年甚至数十年才能从煤层中运移至井口。
煤层气的采集主要是通过钻井和抽采的方式进行。
钻井是为了建立煤层气的采集通道，抽采则是通过井口抽取煤层气。
煤层气的采集需要考虑煤层气的赋存状态、煤层压力、温度等因素，以保证采集效果和安全性。
煤层气的赋存及开采机理是一个复杂的过程，需要综合考虑地质、物理、化学等多方面因素。
随着技术的不断进步，煤层气的开采将会更加高效、安全和环保。
煤层气成因及产地研究1煤层气的成因煤层气是一种新兴的资源，它是煤炭富集的深部有机晶体岩体中的液态天然气。
煤层气是在超高压、高压或超低压条件下，通过煤层结构或煤层物理及化学特征形成的一种天然气形态，是一种非常可观赏，也是人类活动一部分的能源来源，它主要由甲烷、乙烷、丁烷与二氧化碳组成，常由煤矿渗流而聚集而成。
煤中可以形成煤层气的成因主要有两个，其一是生物成因，即以生物体形成的烃。
在煤层中，大量的有机质吸��和室内分解，作用于煤矿应力下的深部有机晶体岩体，产生大量的烃，然后形成煤层气。
另外一种是物化成因，即在煤层应力梯度和温度范围内，煤中有机质与水蒸气相分离，再混合而成的烃，随着深层温度升高，煤中的有机物、水和气体等相互作用，氧化烃被一次氧化等微生物作用推动形成煤层气。
2煤层气的产地煤层气的产地通常分布在古老的深层煤系中，主要以古生界的中到新元古生界的低温高压湖相陆相和火山岩系次级煤系为主，煤系中抽油石古近系陆相、盆地成煤期及无柱胶结层煤等都可形成煤层气。
一般来说，中国煤层气的分布地质遍及华北、东北、华东、华南及西北等地，由于煤层气成熟度和功能差异性大，因此也存在多种产地性质。
在中国，煤层气多以盆地形成，主要分布于塔里木、晋城、胶东半岛等地，塔里木盆地煤层气资源非常丰富，可在灰岩中发现，其中的山湖煤系煤层气更是资源量十分可观；晋城盆地的煤层气资源分布较广，主要以熔岩层煤系煤层气为主，可分布于岩层油脂及芡绿的低温高压复合海湾相和平原滩涂平原沉积；而胶东半岛也是中国煤层气资源最丰富的地区之一，主要分布于侏罗系湖相、深层低温火山岩中等。
3结论煤层气是一种新兴的资源，它是由煤矿渗流而聚集而成的，是一种有利的能源来源，对人类活动有着重要的作用。
在煤层可以形成煤层气的成因有两类，其一是生物成因，其二是物理化学成因。
煤层气的分布主要集中在华北、东北、华东、华南及西北等地，中国煤层气分布较多，在塔里木、晋城、胶东半岛等地产地资源可观，煤层气将对现代社会提供更大的发展能量。
煤层气，俗称瓦斯，是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分以及吸附在没几只表面为主并部分游离于煤空隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，CH4含量大于90％，发热量大于3．494x1071／m2，是优质的能源和化_T-原料。
且煤层气又是造成煤矿安全隐患的重大因素，而且煤层气是温室气体的主要来源之一。
同时当今社会已经处于能源危机之中，石油、天然气等常规能源已渐渐不能满足社会的需要，急需替代能源出现；另一方面，当今社会对环保的要求越来越来高，“低碳经济”已成为一个重点话题。
所以，开发利用煤层气，对于优化我国的能源结构、减少环境污染、解决煤矿安全隐患等都具有重要意义。
下面从以下几个方面探讨煤层气的成因．被掩埋的植物体．经过微生物的生物化学作用转化为泥炭(泥炭化作用阶段)，泥炭又在地质作用下发生物理化学反应。
向褐煤、烟煤和无烟煤转化(煤化作用阶段)。
在成煤过程中．成煤物质发生了复杂的物理化学反应．挥发份和含水量减少，发热量和固碳量增加，同时也生成了以甲烷为主的气体。
泥炭在煤化作用过程中．通过两个过程．即生物成因过程和热成因过程而生成气体。
生成的气体分别称为生物成因气和热成因气。
1．生物成因气生物成因气．是相对温度小于五十度的条件下，通过微生物作用，在煤层中生成的以甲烷为主的气体。
在这个过程中．微生物起到了决定作用．直接影响成气和成气量。
所以成气环境要有利于微生物成长．一般要求大量有机物的快速沉积、充裕的空隙空间．低温和高PH值的缺氧环境。
生物成因气的碳源不相同，归纳起来，可以分为两种情况：第一，二氧化碳还原形成甲烷；第二．醋酸、甲醇、甲胺等发酵形成甲烷。
根据成气作用时间的不同．又可以分为原生生物成因气和次生生物成因气．在早期生成原生生物成因气．在晚期形成次生生成因物气。
1．1原生生物成因气原生生物成因气．形成于泥炭沼泽环境中．煤的变质程度较低，镜质组反射率小于0．5％，处于泥炭褐煤阶段。
埋深一般小于400米。
在这种环境下，由于温度较低，有机物结构不能发生变化而形成气体．该阶段形成的甲烷是微生物对有机物的分解而形成的．在泥炭沼泽环境中．随着上浮有机物不断沉积．达到一定厚度时．沉积环境变为还原性．而有机物上部仍为氧化性。
一、基本认识1.2000m以前的煤层气储量36.81万亿立方2.煤层气和煤成气的区别：煤成气包含煤层气和煤系气，煤系气为常规天然气，不储存在煤中，而煤层气是非常规天然气，储存在煤层中。
3.煤层气的成因类型：生物成因和热成因（煤化作用）4.煤层气赋存状态比较一致的认识是：它以吸附态、游离态和溶解态三种形式储集在煤储层中，其中最主要的是吸附态，占95%以上。
5.兰格缪尔的方程和曲线形态（小明老师的课件）6.煤层气的气含量包括逸散气，解析气和残留气7.煤是一种双重孔隙介质，煤中气体的流动有两种机制，在裂隙（割理）系统中为达西流，而基质中为扩散流。
8.吸附时间是一个特征时间，，确切定义为：总吸附量（包括残留气）的63.2%被解吸出来所需要的时间。
9.压裂的实质是利用高压泵组，将具有一定粘度的液体高速注入地层。
当泵的注入速度大于地层的吸收速度时，地层就会产生破裂或使原来的微小缝隙张开，形成较大的裂缝。
随着液体的不断注入，已形成的裂缝向内延伸。
为了防止停泵以后，裂缝在上部岩层的重力下重新闭和，要在注入的液体中加入支撑剂，使支撑剂充填在压开的饿裂缝中，以支撑缝面。
10.煤层气基本排采方式，排水降压11.试井技术是准确确定裂隙系统渗透率的唯一办法。
利用测试井生产或注入量变化而引起的压力变化数据。
进而解释求取储层的流动性质和储层形状。
二、宏观把握影响煤层气分布的主要地质因素：（1）煤储层顶底板的岩石类型，顶底板岩石的封闭性决定了气含量（2）煤化程度，随变质程度的增高，煤层气的生成量和储存量（含气量）增高，但在超无烟煤阶段，煤的含气量最低。
这是由于随煤的变质程度增高，煤中的孔隙，特别是小、微孔隙增多，煤的物理、化学性质改变，使煤与CH4的亲合力增强所致。
在超无烟煤阶段，孔隙度急剧下降，CH4的储存空间减少，使含气量降低。
（3）煤岩组分，从生气的角度，壳质组的生气能力>镜质组>惰质组；但从吸附角度，镜质组和惰质组的吸附能力高于壳质组。
一、生气因素：1、有机质成分：越高生气性越好，有机质类型为腐植型的生气能力较强。
2、镜质组反射率：是反映煤化程度的一个指标，煤化程度越高，产生的煤层气越多。
但煤化程度达到一定程度（大于1.8%~3%）过成熟时，其生气能力会逐步下降。
3、厚度：厚度越大越好二、储（保）气影响因素（或形成气藏的影响因素）1、埋深：影响煤层气赋集的地质因素主要是埋藏深度。
煤化作用过程中产生的大量气体能否很好保存，与上覆有效地层厚度有关。
煤层上覆有效地层厚度增加，煤层的保存能力增强，气含量也随之增加。
到一定深度后，随着地压增大，地温也随之增高，煤的储集性能相对变差，煤层气沿煤层缓慢向上运移，含气量减少。
一般情况下，埋深大有利于储气，但超出一定深度后，受地应力等各种因素影响，游离气的量会大大减小，开发成本会增大。
2、断层：开放性（或连通性好的）断层，不利于储气；封闭性断层储气能力强。
逆断层、平推断层构造应力大，低渗，有利于储气，但不利于开发，正断层构造应力较小，高渗，利于开发；因此在选区时要从断层的多个方面评价。
3、构造：向斜埋深大，储层压力大，含气量往往较高。
背斜埋深较浅，储层压力较小，裂隙较发育，不利于储气。
4、上覆下伏地层的封盖性：对煤矿来讲就是煤层顶底板岩性，一般来说砂岩透气性好，不利于储气，泥岩的封盖性比较好。
5、水文地质：地下水活动频繁的地层渗透性较好，随着水的运移，煤层气也会产生运移，导致该区域含量较低。
三、影响开发效果的因素1、储层自身条件因素煤层对CH4的吸附性：吸附性强的煤层开发难度大。
渗透性：透气性越好越利于开发顶底板及煤层的可改造性：脆性矿物含量高利于压裂改造。
厚度：厚度越大，资源丰度越高。
地层压力：一般地应力大，储层渗透性会较低；同时，主应力方向影响压裂主裂缝的延展方向，因此对水平井布置方向及直井井网间距确定影响较大。
储层压力：一般储层压力大，储层渗透性会较好有效应力越大的储层，一般渗透性都较差（有效应力是地应力与储层压力的差值）水文条件：地下水频繁不利于气储存，在排采过程中也会加大排采开发难度地温：地温高有利于气体解吸2、开发过程中的生产工艺影响因素钻井：钻进工艺：欠平衡或平衡钻进钻井液：比重越大，对储层伤害越大，要求低固相，比重不大于1.03 固井：固井泥浆密度不大于1.6，满足固井质量要求情况下，降低固井注浆压力井身质量：狗腿弯会对油管造成磨损，造成频繁停排修井，易形成缝堵。
煤层气成因类型及影响因素摘要:煤层气已成为一种新兴的非常规天然气资源。
煤层气是成煤物质在煤化过程中生成并储集于煤层中的气体。
按其成因类型分为生物成因气和热成因气。
生物成因气有原生和次生两种类型，原生生物成因气一般在低级煤中生成，很难保存下来。
次生生物成因气常与后来的煤层含水系统的细菌活动有关。
热成因煤层气的生成始于高挥发份烟煤(Ro=0.5%～0.8%)。
与分散的Ⅰ/Ⅱ型或Ⅲ型干酪根生成的气体相比，煤层气的地球化学组成变化较大，反映了控制煤层气组成和成因的因素多而复杂，主要的影响因素包括煤岩组分、煤级、生气过程和埋藏深度及相应的温度压力条件。
此外，水动力等地质条件和次生作用等也影响着煤层气的组成。
煤层气，又称煤层甲烷(Coalbed Methane,简称CBM)，俗称煤层瓦斯，指自生自储于煤层中的气体，成分以甲烷为主，含少量其它气体成分。
在长期的地下采煤过程中，这种气体一直被视为有害气体。
70年代末，由于能源危机，美国政府采取税制优惠政策，鼓励煤层气的开发工作，从而推动了煤层气的研究和开发试验工作，并于80年代初取得重大突破，成为第一个进行大规模商业性生产的国家，证实了煤层气资源的巨大价值与潜力，从而引起煤层气研究的全球性热潮。
据估计，全世界煤层气的资源量可达(84.9～254.9)×1012m3。
根据美国的报告，煤层气的采收率为30%～60%，最高可达80%。
煤层气的发热量也很高，达8 000～9 000 kcal/m3，相当于常规天然气的90%以上。
煤层气属洁净能源，甲烷含量一般在80%～90%以上，燃烧时仅产生少量CO2。
因此，煤层气是一种潜力巨大的非常规天然气资源。
而且，采煤前排出煤层中的气体，也有利于地下采煤的安全和大气环境的改善。
1 煤层气的成因类型与形成机理植物体埋藏后，经过微生物的生物化学作用转化为泥炭(泥炭化作用阶段)，泥炭又经历以物理化学作用为主的地质作用，向褐煤、烟煤和无烟煤转化(煤化作用阶段)。
在煤化作用过程中，成煤物质发生了复杂的物理化学变化，挥发份含量和含水量减少，发热量和固定碳的含量增加，同时也生成了以甲烷为主的气体。
煤体由褐煤转化为烟煤的过程，每吨煤伴随有280～350m3(甚至更多)的甲烷及100～150m3的二氧化碳析出。
泥炭在煤化作用过程中，通过两个过程，即生物成因过程和热成因过程而生成气体。
生成的气体分别称为生物成因气和热成因气(表1)。
1.1生物成因气生物成因气是指在相对低的温度(一般小于50℃)条件下，通过细菌的参与或作用，在煤层中生成的以甲烷为主并含少量其它成分的气体。
生物成因气的生成有两种机制，即二氧化碳的还原作用和有机酸(一般为乙酸)的发酵作用。
尽管两种作用都在近地表环境中进行，但根据组分研究，大部分古代聚集的生物气可能来自二氧化碳的还原作用。
煤层中生成大量生物成因气的有利条件是：大量有机质的快速沉积、充裕的孔隙空间、低温和高pH值的缺氧环境。
按照生气时间和母质以及地质条件的不同，生物成因气有原生生物成因气和次生生物成因气两种类型，两者在成因上无本质差别。
(1)原生生物成因气原生生物成因气是在煤化作用阶段早期，泥炭沼泽环境中的低变质煤(泥炭到亚烟煤)经细菌等有机质分解等一系列复杂过程所生成的气体。
由于泥炭或低变质煤中的孔隙很有限，加之埋藏浅、压力低，对气体的吸附作用也弱，故一般认为原生生物成因气难以保存下来。
对于原生生物成因气和热成因气的形成阶段，不同学者的划分方案不尽相同，A.R.Scott等以Ｒo<0.3%为原生生物气的界限值，而热成因气开始生成的Ｒo值为0.5%(表1)；Palmer则将(原生)生物气和热(成因)解气的Ｒo临界值定为0.5%(图1)；Rice则认为热成因气的形成始于0.6%左右。
之所以出现这种差异，是因为传统的天然气成因理论认为，生物气一般形成于.Ｒo值为0.3%以前，而热解气则形成于Ｒo值在0.6%～0.7%之后，即生气母质在Ｒo值0.3%～0.6%的热演化阶段不生气(表1即是这种观点的体现)。
但近若干年来的研究表明，生气母质在Ｒo值为0.3%～0.6%阶段仍然生气，且可形成相当规模的气田(目前出现的多为煤型气气田)，这一阶段所生成的气体称为生物—热催化过渡带气，即有机质生气是一个连续的过程，煤层气也应如此。
(2) 次生生物成因气煤系地层在后期被构造作用抬升并剥蚀到近地表，细菌通过流动水(多为雨水)可运移到煤层含水层中。
在相对低的温度下(一般小于50 ℃)，细菌通过降解和代谢作用将煤层中已生成的湿气转变成甲烷和二氧化碳，即形成次生生物成因气。
次生生物气的形成时代一般较晚(几万至几百万年前)。
煤层中存留的生物成因气大部分属于次生生物成因气。
次生生物成因气的生成和保存需以下条件：①煤级为褐煤或褐煤以上；②煤层所在区域发生过隆起(抬升)作用；③煤层有适宜的渗透性；④沿盆地边缘有流水回灌到盆地煤层中；⑤有细菌运移到煤层中；⑥煤层具有较高的储层压力和能储存大量气体的圈闭条件。
1.2 热成因气当温度超过50 ℃，煤化作用增强，煤中碳含量丰富起来，而大量富氢和富氧的挥发份释放出来(去挥发份作用)，其主要成分是甲烷、二氧化碳和水等。
在较高温度下，有机酸的脱羧基作用也可以生成甲烷和二氧化碳。
热成因气体的生成一般分为早期阶段和主要阶段(也称为晚期阶段)。
(1) 早期阶段Scott认为煤化作用早期阶段，从高挥发份烟煤(Ｒo介于0.5%～0.8%之间，表1)中生成气体。
气体的一般特征是含有较多的乙烷、丙烷及其它湿气成分。
其中湿气生成阶段(Ｒo值为0.6%～0.8%)产生的煤层气中的干燥系数低于0.80，且乙烷含量可能超过11%。
(2) 主要阶段根据美国和德国各种煤层的资料，假定只有甲烷和二氧化碳从煤中释放出来，则大量有工业价值的煤层气在煤的Ｒo值介于0.7%～1.0%之间时生成。
即煤级达到高挥发性A烟煤(Ｒo=0.74%～1.0%)时，有显著数量的热成因甲烷生成，在Ｒo值为1.2%前后处于生气高峰期(图1)。
2.煤层气的组分与同位素组成特征Rice总结了世界各地煤层气的组分和同位素组成资料，所有气样都采自煤层中，而不是采自相邻的储层中。
另外，气体除了直接采自矿井外，还有两个补充源：煤样解吸气和地面开采的煤层气。
煤样解吸试验的方法是，取煤芯或煤粉快速置于一个密闭容器中，经过几天到几个月时间的脱气作用，收集释放出来的气体进行测试。
气体样品采自年代从晚石炭世宾夕法尼亚组到第三纪的煤层中。
煤级从褐煤到无烟煤(Ｒo=0.3%～4.9%)。
含气煤层的深度从121.91m(地下矿井)到4 41938m(钻孔)。
从Rice的研究可以看出，世界各地煤层气的组分和同位素组成差异很大。
甲烷和其它烃类组分通常是煤层气的主要组分，并含少量CO2和N2。
气体中烃的组成，用气体湿度(C2+即乙烷及其以上重烃百分含量)来表示，湿度值介于0～70.5%之间。
煤层气的同位素组成也有较大差异。
甲烷的δ13C值分布范围很宽，在-8%～-1.68%之间；乙烷的δ13C值介于-3.29%～-2.28%之间；甲烷的δD值分布在-33.3%～-11.7%之间；二氧化碳的δ13C值从-2.66%到+1.6%。
从煤样中解吸出的甲烷的δ13C值比开采气或自由(游离)气体中甲烷的δ13C值高出几个千分点。
这是因为在解吸作用过程中，发生同位素分馏作用，13C富集到了解吸气体中。
此外，在同一盆地中，变质程度相同的煤，其中的煤层气的组分和同位素组成也有变化。
总之，煤层气是经过漫长的演化过程形成的。
其组份和同位素组成受各种复杂因素的影响而不断发生变化，从而造成世界各地煤层气的组分和同位素组成千差万别。
3.影响煤层气地球化学组成和变化的因素与机理世界各地煤层气组分和同位素组成差异很大，煤层气组成主要受煤岩组分(母质)、煤级、生气过程、埋深及相应的温压条件等因素的影响。
此外水动力等地质条件和次生作用(如混合、氧化作用)等也影响煤层气的组成。
3.1 煤岩组分煤岩组分是煤的基本成分，是煤层气的生气母质，所以可能是影响煤层气组成的首要因素。
大多数煤归类为腐殖质(Ⅲ型干酪根)，其煤岩组分以镜质组为主，并含有少量的壳质组和惰性组。
壳质组通常富氢，是煤成油的主要显微组分，具有很高的生烃能力。
近来的岩相和地球化学研究已证明：镜质组和Ⅲ型干酪根的热演化途径一致，主要生成甲烷和其它气体，镜质组富氢的某些组分亦可生成液态烃。
惰性组的产气量比相同煤级的壳质组和镜质组低。
三种煤岩组分的烃气产率，以壳质组最高，镜质组次之，惰性组最低。
在中等变质煤(高挥发份烟煤至中挥发份烟煤)中，腐泥型煤(Ⅰ、Ⅱ型干酪根，主要为壳质组和富氢镜质组)能够生成湿气和液态烃，而腐殖型煤(Ⅲ型干酪根，主要含镜质组)则生成较干的气体。
对于高变质煤，煤层气主要成分是甲烷，由残留干酪根和早期生成的重烃裂解而形成。
一般地说，含富氧干酪根的煤(镜质组为主)生成的煤层气和含富氢干酪根的煤(壳质组和富氢镜质组为主)生成的煤层气相比，在成熟度相同的条件下，前者比后者δ13C1值较大，而前者甲烷和乙烷的δ13C值的分布范围比后者窄。
这是因为脂肪族烃热裂解生成的甲烷同位素较轻，这种甲烷在含富氢干酪根的煤层生成的气体中占优势；芳香族烃热裂解生成甲烷的碳同位素较重，它在含富氧干酪根的煤层生成的气体中占主导地位。
煤的热演化早期阶段所生成的液态烃保留在煤的微结构中。
在较高温度时，煤层中的液态烃裂解，生成的气体，它比直接产自干酪根的气体有较大的δ13C值。
3.2煤变质程度(煤级)煤的变质程度是控制气体生成量和组分的重要因素，同时也影响着煤层气的同位素组成。
一般地说，煤变质程度越高，生成的气体量也增多。
低变质煤(亚烟煤～中挥发份烟煤)生成的热成因气以二氧化碳为主，而高变质煤(低挥发份烟煤及其以上煤级的煤)生成的气体主要成分为甲烷(图1)。
中国、澳大利亚、美国等地煤层气的研究表明：煤层气中甲烷的δ13C值和相关煤的煤级有一定关系。
通常低变质煤生成的煤层气中甲烷的δ13C值较小，高变质煤生成的煤层气中甲烷的δ13C值较大。
对于未发生次生变化的原生煤层气而言，随着煤变质程度的提高，相应煤层气中的甲烷富集氘(δD值较大)和13C(δ13C1值较大)。
3.3 生气过程如前所述，煤层气的生成有生物成因和热成因两个过程。
由于生物成因气和热成因气在形成时间、生成温压、母质和生气机理(有无细菌活动等)等方面的差异，所以这两个过程中所生成的煤层气的组成也有较大差异。
通常由于生物体对12C的富集，所以生物成因气的δ13C1值较小，甲烷的δ13C1值一般介于-5.5%～-9.0%之间甚或更轻。
生物成因气通过二氧化碳还原作用和有机酸发酵作用而生成。
