遊離氣

煤系地層生成的烴類氣體除一小部分被煤巖本身吸附形成煤層氣以外，其大部分運移出來，或溶於水形成水溶氣，或遊離於儲層儲集空間之中形成常規氣藏。相對於後者，煤層氣和水溶氣統稱為非常規氣藏。本書中的遊離氣指後者，即遊離於儲層儲集空間之中的、由煤系地層生成的天然氣。

除組成差異之外，遊離氣與油型氣最大的區別在於其母質和其初次運移，而在二次運移、聚集以及成藏後生演化等方面差別不大。因此有關遊離氣的早期研究集中在其生成方面，並且常常和煤成油聯繫在一起。

遊離氣的二次運移主要有分子擴散、滲流和脈衝式混相湧流等三種方式。其運移方向、距離、時間、通道等的定性研究常採用烴類組成、同位素組成、生物標誌物、自生礦物包裹體及自生礦物轉化程度等方法。定量研究常根據綜合考慮應力場、温度場和壓力場三場耦合的成藏動力場各類模型計算求得。

遊離氣成藏對蓋層的要求較高，特別是蓋層的封蓋能力(可用排替壓力和孑L喉結構分佈來表徵)。而且成藏後的生物化學作用、熱化學作用和斷裂活動等地質作用可能會對氣藏起到破壞作用。天然氣藏形成與保存是一個動態過程。地殼中天然氣擴散作用十分普遍，它是天然氣運移和散失的重要機理。它貫穿於天然氣生成、運移、聚集和保存的整個過程。由於天然氣自身固有的特點，天然氣的擴散和滲濾作用極為活躍。郝石生等(1988，1991，1993，1994)通過對天然氣藏形成過程中天然氣向氣藏的充注和通過蓋層散失的關係及其對於成藏過程的影響的系統研究，提出了天然氣的運聚動平衡原理。他們認為在氣藏形成過程中存在着兩個同時發生的過程，一個是氣源巖中生成的天然氣通過初次運移和二次運移進入圈閉；另一個是聚集在圈閉中的天然氣因擴散等原因不斷通過蓋層散失。當來自氣源巖(包括油裂解氣)的天然氣補充量大於通過蓋層的散失量時，圈閉中的天然氣就不斷富集；反之，圈閉中的天然氣就不斷減少甚至枯竭。天然氣成藏過程一直處於這種“聚”和“散”動態過程中，所發現的天然氣藏只是這種“聚”和“散”的動態過程的一種暫時的中間結果。天然氣運聚過程中這種“聚”和“散”之間的動態關係，制約着天然氣的賦存狀態和富集程度。

遊離氣理論的出現和發展，已使其成為我國天然氣勘探的重要領域。在鄂爾多斯盆地已經發現了大型氣田，在渤海灣盆地的蘇橋、烏馬營、文留地區、孤北以及高古4井均已發現以古生界煤系地層為烴源巖的遊離氣藏。沁水與這些地區的地質背景有一定相似，亦應具備形成遊離氣田(藏)的基本條件，具有煤系地層遊離氣的良好勘探前景。

總的看來，國內外遊離氣地質研究有如下發展趨勢：①十分重視煤系有機質的來源和顯微組成，並將其與生烴潛力、產氣量緊密聯繫起來。②分析化驗不斷採用先進技術，如天然氣中微量生物標誌物的富集與分析、單體烴同位素分析、含氮化合物分析等。③採用系統動態的觀點，將遊離氣的生運聚散作為一個動態演化的系統，對該系統的研究不斷由定性、半定量向定量化方向發展。④模擬實驗更為符合實際，不僅模擬不同顯微成分的生烴演化規律，而且對煤系地層烴類排出、二次運移直至聚集的過程都進行了實驗探索，獲得了多項參數。⑤對煤層本身的儲集性能和封蓋能力有了進一步的認識。 ^[2] 

遊離氣是指儲存在煤層孔隙或裂隙中能自由運移的天然氣。這部分氣體服從一般氣體方程，其量的大小取決於孔隙體積、温度、氣體壓力和氣體壓縮係數。

早在1961年，VanKrevelen就明確提出煤中存在大孑L隙系統、微孔隙系統和超微孔隙系統，並認為大孔隙系統主要由裂隙組成。煤層的儲集空間包括基質孔隙(內生裂隙和外生裂隙)兩部分。

基質孔隙是有機質成煤時，未被礦物質及其他物質充填的植物細胞，多發育於絲質和木質絲炭中。由於微孔隙賦存於煤的顆粒之間，因而是煤層吸附氣的主要儲集空間。

基質孔隙的發育程度與煤的變質程度和煤巖顯微組分密切相關，歸納起來有三個方面的關係：

(1)孔隙直徑與變質程度的關係

隨着變質程度的提高，小孔隙和微孔隙的比例逐漸增加，相應地中孔隙和大孔隙的比例逐漸減小，即低變質階段的煤以中一大孔隙為主，隨着煤向高變質程度的演化，小一微孔隙逐漸佔據主要地位。

(2)總孔隙度與變質程度的關係

朱之培等(1984)、李明潮等(1990)系統研究了總孔隙度與變質程度的關係，發現由長焰煤演變到焦煤和瘦煤階段，總孔隙度由0．084m³/t減小到0．045m³/t；而演化至無煙煤階段，總孔隙度又重新上升，達到0．088m³/t。

(3)不同顯微組分總孔隙度發育特徵

研究發現，在高揮發性煙煤階段，絲質組孔隙性最好，鏡質組也有較好的孔隙性，而穩定組分孔隙最不發育。如烏魯木齊礦區43—45號煤層，光亮煤基本不含絲質組，其孔隙度較小，僅為2．22%，而暗淡煤中絲質組含量高達66%，孔隙度可達7．14%。因而，處於這一演化階段的煤層具有較高的吸附氣含量。

就總孔隙度發育程度而言，煤中各顯微組分孔隙度具有絲質組>鏡質組>殼質組的特點。絲質組中大孔、中孔、小孔較發育，孔隙直徑一般為(50～500)X 10。10m；鏡質組以小孔和微孔隙為主，孔隙直徑為(20～200)×10-10m；穩定組中很少見到孔隙。

煤的裂隙是指在成煤作用過程中，煤受到自然界各種應力的影響所形成的裂開現象。按照成因不同，可以分為內生裂隙和外生裂隙兩種類型。

(1)內生裂隙

內生裂隙是煤化作用過程中，煤中的凝膠化物質受到温度、壓力等因素的影響，體積均勻收縮產生內張力而形成的一種裂隙。也有學者認為，內生裂隙是煤層在封閉狀態下，由於生成的氣體導致較高的內壓力而產生的裂隙(秦建中等，2000)。內生裂隙的發育程度隨變質程度的不同而呈現規律性的變化(圖9—5)。一般情況下，中變質煙煤的內生裂隙最發育，如焦煤的內生裂隙最多，5cm有30一40條，有時高達50。60條，而氣煤只有10—15條，無煙煤一般少於10條；處於同一變質階段的煤，鏡質組的內生裂隙最發育，殼質組的內生裂隙次之，絲質組的最差。

(2)外生裂隙

外生裂隙是煤層形成之後，在構造應力場的作用下形成的裂隙。按應力的性質可以劃分為剪裂隙、張裂隙、張扭裂隙和壓扭裂隙。

剪裂隙沿最大切應力方向出現，並具有延伸遠，走向穩定的特點，常隨主應力的閉合而轉向，煤層的剪裂隙一般是閉合的，在煤層中常形成剪切帶，分別由微細密集的羽狀張裂隙或羽狀剪裂隙組成，前者多發育在性脆質硬的煤中，後者多發育在性較軟的煤中。

張裂隙是受拉張作用產生的、具垂直張應力方向的裂隙，延伸不遠，尖滅快。在空間上分佈不均勻。

張扭裂隙通常是由剪裂隙在張應力作用下，產生明顯張開擴展延伸而成。

壓扭裂隙在煤層中不甚發育。

外生裂隙與內生裂隙相比，具有延伸較遠、連通性好的特點，是煤層滲透率的主要貢獻者(Mekee等，1986)。所以，外生裂隙通常是遊離氣的運移通道，它的存在對煤層氣的開發較為有利。 ^[3]