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第四章煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征

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第四 煤层 瓦斯 煤储层 物性 特征
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1第一节 煤层瓦斯地球化学特征第二节 煤层瓦斯赋存与瓦斯吸附解吸特征第三节 煤层瓦斯含量及其影响因素第四节 煤层瓦斯垂向分带第五节 煤储层压力特征第六节 煤层孔隙与裂隙特征第七节 煤储层渗透性特征第八节 煤储层瓦斯流动规律第四章 煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征2一、瓦斯的化学组分(一)烃类气体瓦斯的主要成分是甲烷 ,其含量一般大于 80%,其他烃类气体含量极少。 在同一煤阶中,通常是烃类气体含量随埋藏深度的增大而增加,重烃气主要分布于未受风化的煤层中。 此外, 重烃含量与煤变质程度有关,通常中变质煤的重烃含量高,低、高变质煤的重烃含量低 。第一节 煤层瓦斯地球化学特征3(二)非烃类气体煤层瓦斯中非烃类气体含量通常小于 20%。如美国阿巴拉契亚盆地、阿科马盆地和黑勇士盆地,其煤层瓦斯中非烃类气体含量极低,远远低于 10%。 非烃类气体中,氮气含量约占 2/3,二氧化碳约占 1/3。 某些煤层瓦斯的氮气和二氧化碳含量变化很大。如江西丰城煤矿煤层气的氮气含量处于 间, 间。二氧化碳易溶于水且易被地下水带走,因而此其含量受地下水活动影响较大。此外,氮气和二氧化碳含量亦受煤层埋深和煤变质程度影响。 一般而言,越靠近地表,氮气和二氧化碳的含量越高;煤变质程度越高,氮气和二氧化碳的含量越低。4二、影响瓦斯地球化学组成的地质因素瓦斯的地球化学组成主要受 煤岩组分 (母质)、 煤阶 、 生气过程 、 埋藏深度 及相应的 温压条件 等因素影响。此外, 水动力条件 和 次生作用(如混合、氧化作用)等也能够影响瓦斯的地球化学组成。5(一)煤岩组分的影响大多数煤归类为 腐殖型干酪根 ,其煤岩组分以 镜质组 为主,并含有少量的 壳质组 和 惰质组 。 壳质组 通常相对富氢,是煤成油的主要显微组分,具有很高的生烃能力。 有机岩石学和地球化学最新研究已证明 :镜质组与 Ⅲ 型干酪根的热演化途径一致,主要生成甲烷和其他气体;镜质组富氢的某些组分亦可生成液态烃;惰质组的产气量比相同煤阶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,惰质组最低。对于中、高挥发分烟煤(中变质煤),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。高变质煤中的瓦斯由残留干酪根和早期生成的重烃裂解而形成。6• 干酪根 ( 词最初被用来描述苏格兰油页岩中的有机质,它经蒸馏后能产出似蜡质的粘稠石油。现在为人们所普遍接受的概念是: 干酪根是沉积岩中不溶于一般有机溶剂的沉积有机质 。与其相对应,岩石中可溶于有机溶剂的部分,称为沥青。7• 称为腐泥型 ):以含类脂化合物为主,直链烷烃很多,多环芳烃及含氧官能团很少,具高氢低氧含量,它可以来自藻类沉积物,也可能是各种有机质被细菌改造而成,生油潜能大,每吨生油岩可生油约 Ⅱ 型干酪根 :氢含量较高,但较 Ⅰ 型干酪根略低,为高度饱和的多环碳骨架,含中等长度直链烷烃和环烷烃较多,也含多环芳烃及杂原子官能团,来源于海相浮游生物和微生物,生油潜能中等,每吨生油岩可生油约 Ⅲ 型干酪根 ( 称为腐殖型 ):具低氢高氧含量,以含多环芳烃及含氧官能团为主,饱和烃很少,来源于陆地高等植物,对生油不利,每吨生油岩可生油约 可成为有利的生气来源8(二)煤化程度的影响煤化程度是控制气体生成量和组分的重要因素。 一般而言,煤变质程度越高,生成的气体量也越多 。低变质煤(亚烟煤至中挥发分烟煤 )生成的热成因气以 二氧化碳 为主,高变质煤 (低挥发分烟煤及以上煤阶的煤 )生成的气体主要成分为 甲烷 。(三)瓦斯成因的影响瓦斯生成包括 生物成因 和 热成因 两个过程(见图 4 4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)方面的差异,导致这两个过程中所生成的瓦斯组成有较大差异。9(《据煤层气开发的理论与实践》 吴佩芳 等编 著 地 质出版社)乙烷及其他烃类物质图1 煤层气的生成过程褐煤 亚烟煤 烟煤高挥发分 中挥 发分 低挥发分无烟煤半无烟煤/超无烟煤石墨挥发物排出热成因甲烷生物成因甲烷、氮、二 氧 化 碳图 4层瓦斯生成过程(据吴佩芳等 煤层气开发理论与实践, 2000)10煤 阶泥 炭褐 煤亚 烟 煤高挥发分烟煤中挥发分烟煤低挥发分烟煤半无烟煤无 烟 煤t / °图 1 - 2 煤 化过程中生成的甲烷气二氧化碳氮甲烷45 90 135 1800 50 100 150 200 C(《煤层气开发的理论与实践》 吴佩芳 等编著 地质出版社)3产 率 / ( m · t )化过程中生成的甲烷(据吴佩芳等, 2000)11生物成因气由 二氧化碳还原作用 和 有机酸发酵作用 生成。通常,由 二氧化碳还原作用生成的甲烷的碳同位素较轻,且富氘 ;由 有机酸发酵作用生成的甲烷的碳同位素较重,且消耗氘 。与生物成因气相比,热成因气有如下特征:① 重烃一般出现在中高挥发分烟煤和煤化程度更高的煤中 ;② 随着煤化程度的增高,重同位素13③ 随着煤化程度的增高,甲烷也相对富集氘 。12(四)煤层埋藏深度的影响煤层埋藏深度不同,瓦斯的组分也发生变化。随着煤层埋藏深度增加,煤层甲烷的同位素 δ 13深层瓦斯相比,浅层瓦斯为较干气体,且所含甲烷的同位素 δ 13照世界各地的资料可以看出,在煤阶相同或相近的情况下, δ 13赋存深度一般也较浅。13(五)瓦斯的解吸和扩散煤层后期抬升,煤层压力场发生改变,瓦斯出现解吸和扩散。 结构简单、分子量小、质量轻的甲烷比结构复杂、分子量大、质量重的重烃气容易解吸且解吸速度快 。同为甲烷分子,轻同位素 12性更强的 13解吸速度快。14(六)次生作用的影响瓦斯的次生作用,即对早期已生成瓦斯的改造作用。主要是生物成因气和热成因气的混合和湿气组分的 氧化作用 。次生作用影响瓦斯的组成,对于浅层瓦斯而言更是如此。在浅部,煤层通常为细菌繁盛的含水层,细菌影响瓦斯组成的方式有三种:①厌氧菌活动导致大量生物成因气的生成并和以前生成的热成因气混合;②喜氧菌优先和湿气组分发生作用,湿气大部分遭到破坏,从而使残留湿气组分的 δ 13喜氧菌的活动令甲烷被氧化和消耗,使残留甲烷的 δ 135(七)水文地质条件的影响有些地区水动力条件对瓦斯组成的影响十分明显。如美国圣胡安盆地,其北部超高压区瓦斯为富 部低压区瓦斯则为贫 区域抬升后又遭受剥蚀的盆地边缘,大气降水进入可渗透煤层,细菌随流动水一起迁移到煤层中,在细菌的降解和自身代谢活动作用下生成次生生物成因气。16第一节 煤层瓦斯地球化学特征第二节 煤层瓦斯赋存与瓦斯吸附解吸特征第三节 煤层瓦斯含量及其影响因素第四节 煤层瓦斯垂向分带第五节 煤储层压力特征第六节 煤层孔隙与裂隙特征第七节 煤储层渗透性特征第八节 煤储层瓦斯流动规律第四章 煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征17一、煤层瓦斯赋存状态煤对瓦斯的吸附作用主要是物理吸附,是瓦斯分子与碳分子相互吸引的结果,如图 4被吸附瓦斯中,人们通常把进入煤体内部的瓦斯称为 吸收瓦斯 ,把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯 ,吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为 吸附瓦斯 。煤层赋存的瓦斯中,通常吸附瓦斯量占 80%~ 90%,游离瓦斯量占 10%~ 20%,吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着瓦斯量占多数。第二节 煤层瓦斯赋存与瓦斯吸附解吸特征18123451瓦斯2瓦斯3瓦斯45孔隙图 4煤体中瓦斯赋存状态(据周世宁等, 1999)19在外界条件恒定时,煤体中吸附瓦斯和游离瓦斯处于 动态平衡 状态,吸附瓦斯分子和游离瓦斯分子相互更替,在瓦斯缓慢的流动过程中,不存在游离瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的情况;当外界的瓦斯压力和温度发生变化或给予冲击和振荡,并影响到分子的能量时, 原有平衡会被破坏 ,并最终形成 新的平衡状态 。例如, 在煤与瓦斯突出(以下简称突出)过程的短暂时间内, 游离瓦斯 首先放散,然后 吸附瓦斯 迅速加以补充 。201.吸附态瓦斯煤层瓦斯以 吸附方式 储存于煤层中。经测算,吸附状态的瓦斯占煤中瓦斯总量的 80%~ 95%,具体比例取决于煤的变质程度和埋藏深度等因素(张新民等, 1991; 鲁尼等, 1987)。煤是一种多孔介质,煤中的孔隙大部分是直径小于50使煤具有丰富的内表面积,形成煤较高的表面吸引力,所以煤具有很强的储气能力。我国中、高变质程度烟煤和无烟煤的实测煤层瓦斯含量(干燥无灰基)为 10~ 30g,最高可达 36g,甚至更高。据测算,煤层储气能力是同体积常规砂岩储气能力的 2~ 3倍 (图 4101 2 3 4 551015202530m 气/美国几个含煤盆地中煤与砂石储气能力的比较(据 1989)1— 圣胡安盆地高挥发分烟煤; 2— 黑勇士盆地中挥发分烟煤; 3— 常规砂岩储层(孔隙度 Φ=25% ,水饱和度为 30%); 4— 圣胡安盆地中挥发分烟煤; 5— 常规砂岩储层(孔隙度 Φ=,水饱和度为 35%)。222.游离态瓦斯在气饱和的情况下,煤的孔隙和裂隙中充满着处于游离状态的瓦斯。这部分气体服从一般气体状态方程,因分子热运动显现出气体压力。游离瓦斯的含量取决于煤的孔隙(裂隙)体积、温度、压力和瓦斯成分及其压缩系数,即:( 4中: g);为第 Ф 为单位质量煤的孔隙体积( g); 为第   鲁尼等人的资料,埋深在 300~ 1200 游离瓦斯仅占总含气量的5%~ 12%。煤体内瓦斯的赋存状态不仅有吸附态和游离态,还包含有瓦斯的液态和固溶体状态。但是,由于吸附态和游离态瓦斯所占的比例在 85%以上,正常情况下,整体所表现出的特征仍是吸附和游离状态瓦斯的赋存特征。24二、煤的吸附特征(一)吸附类型煤是一种多孔的固体介质,具有很大的内表面积,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、可逆 的。 化学吸附 是由 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、不可逆的 。大量研究表明, 煤对气体的吸附以 物理吸附为主体 。25吸附平衡 : 在一个封闭系统里,固体颗粒表面同时进行着吸附和解吸两种相反的过程,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,颗粒表面上的气体分子数目就维持在某一个定量,此时称为 吸附平衡 。 这是一种动态平衡,所达到的状态即为平衡状态。在平衡状态时,吸附剂所吸附的气体量与温度与压力有关。26吸附量( V)是温度( T)和压力( p)的函数,可表示为:V=f(T,p) (4上述函数关系式中,当温度恒定时,称为吸附等温线 ;当压力恒定时,称为 吸附等压线 。最常用的是 吸附等温线 ,即在某一固定温度下,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。在煤层瓦斯地质及勘探开发中,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、预测煤层瓦斯含量、确定临界解吸压力和计算煤层瓦斯理论回收率等具有重要意义。27aa P 0P/ P 0 P/ P 0P/ P 01 1111吸附等温线的 5种类型(据 S. 1940;转引自严继民等, 1986)时的饱和蒸气压; P/)煤的瓦斯吸附理论1.单分子层吸附理论 — 国化学家 出了单分子层吸附的状态方程,即朗格缪尔方程。随后,国内外瓦斯研究工作者经过实验和理论分析后发现,该方程同样适用于瓦斯在煤体表面的吸附,目前采用该方程式来计算煤的瓦斯吸附量。朗格缪尔方程的 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 。29其数学表达式为(4其中:式中: a— 吸附常数,取决于吸附剂和吸附质的性质,表示在给定的温度下,单位质量固体的极限吸附量。对煤体吸附瓦斯而言,该值一般为15~ 55m3/t;b— 吸附常数,一般为 决于温度和吸附剂的性质;P— 吸附平衡时的瓦斯压力, — 在给定温度条件下,瓦斯压力为 g;100N  0标准状态下气体克分子体积, ;— 煤体的比表面积;N— 阿佛加德罗常数. 1023个/ / 一个吸附位的面积, ;根据气体运动论得出的参数;完全的单分子层中每平方厘米所吸附的气体分子数;— 解吸活化能;— 和表面垂直的吸附气体的振动频率;R— 气体常数;T— 煤体的温度。同煤样吸附量差异由 吸附气体有关的参数,温度变化引起的吸附量变化由 同吸附气体所引起的吸附量变化则分别反映在 a、1中: g),其物理意义与 VL=a; 代表吸附量达到 与压力常数 1/b;其他符号意义同上。图 40℃ 时煤的 32%图1 L 与系图 30 ℃ 时煤的 系图(据张新民等, 2002)33气体平衡压力较低时, b·相比,可以忽略不计,此时的吸附量与压力成正比。即:V=a·b·p (4( 4称为 亨利 ( 式,它只有在吸附剂的内表面积最多有 10%被气体分子覆盖时,即在平衡气体压力很低时才成立。气体平衡压力很高时, 相对于 b· V= a,这就是饱和吸附,它反映了 分子层吸附理论适合于描述图 4 类吸附等温线,是目前广泛应用的煤的吸附状态方程。342.多分子层吸附理论 — 938年提出多分子层吸附理论,除上述 项假设(即吸附是动态平衡,固体表面是均匀的,被吸附分子间无相互作用力)外,还补充了以下假设:① 被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间也存在范德华力,发生多层吸附 ;② 第一层的吸附热和以后各层的吸附热不同,而第二层以上各层的吸附热相同 ;③ 吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于气相的表面上 。虽然吸附是多分子层的,但不是第一层吸附满时才进行第二层吸附,而是每一层都可能有 “ 空着 ” 的吸附位,层是不连续的。35这种吸附由 4中: 0为实验温度下吸附质的饱和蒸气压力; 分子层吸附理论可以描述前述所有 5种类型的吸附等温线,它的一个重要用途是测定固体的比表面积。0011)( 363.吸附势理论 — 附是由势能引起的,在固体表面附近存在一个势能场,即吸附势。就如同地球存在引力场,使空气在地球表面附近包覆成大气层一样。距离固体表面越近吸附势能越高,因此,吸附质的浓度也越高,反之则越低。此这种理论有时也被称为 附势理论对微孔吸附剂的等温吸附作定量描述的方程是程,即37(4中: β 为吸附质的亲和系数; 附势模型可以描述前述 Ⅱ 类吸附等温线,适合于孔径较小的物质(一般孔径为 并且不易发生多层吸附或毛细凝结现象。200 x p 84.统计势动力学理论 —— 多相吸附模型单分子层吸附和多分子层吸附理论是基于两相平衡的概念,即吸附气相与游离气相之间是平衡的。 体内部孔隙中的气体分子不是游离的,而是处于煤分子的电磁场中。正是这种分子力改变了微孔中流体的性质。于是,他提出四相平衡的新吸附理论,即 吸附剂外表的游离气相 、 单分子层吸附相 、 孔隙气相 和 类液相( 1991)。该理论认为,气体分子与固体分子间的作用力为伦敦分散力,气体分子之间的作用力为范德华力。假设多孔介质为具有一定孔隙体积的固体,这个孔隙体积由所有具有相同半径的圆筒形孔隙的集合体组成,则较高压力下的吸附等温线方程为39(4中: G( T)为孔隙相气体密度的温度校正因子; α 为常数; Σ 为比表面积 (单位孔隙体积的表面积 )。式( 4,第一项为单层吸附的分子数量,实际为二项为以 “ 孔隙气 ” 形式存在于孔隙体积 后一项为以 “ 压缩 ” 或 “ 类液层 ” 形式存在的气体分子数量,压力较低时取值为零。这种吸附等温线可用图 4前述 Ⅱ 类吸附等温线。314)(40ng mu 式图 4等温吸附条件下多孔固体中的三种相态(据傅雪海等, 2007)41(三)煤对甲烷的吸附能力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,这是煤层瓦斯与常规储层储气机理不同的物质基础。关于煤的等温吸附特征,国内外做过大量工作。由上一节所讨论的吸附理论可知,虽然人们对煤吸附气体的特征和机理存在不同的理解和认识,但均认为煤吸附甲烷属物理吸附是不争的事实。煤中气体以物理吸附存在的理由主要有: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和可逆的。因此,可以用物理吸附模型来探讨煤吸附气体的机理。42总含气量吸附气游离气压力气体体积图 4美国黑勇士盆地煤样的吸附等温线(据 1991)43煤层温度大都在 10~ 50℃ 范围内变化,这一温度远高于甲烷的临界温度( ),煤的等温吸附试验一般也是在这一温度范围内进行,因而不易发生多层吸附;煤是一种孔隙结构比较复杂、孔径分布较宽的多孔介质,吸附不可能只发生在微孔结构中( A. T. 艾鲁尼, 1992),即吸附并非只以微孔充填过程为主。大量煤样的吸附等温线属 Ⅰ 类;只有少数吸附等温线属 Ⅱ 类,且在压力较高时才会出现,如图 4以认为,煤吸附气体属单分子层吸附,用 然有一定误差,但可以满足工程应用要求。44(四)影响煤吸附性的因素煤吸附性大小主要取决于 3个方面的因素,即:① 煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度 ;② 被吸附物质的性质 ;③ 煤体吸附所处的环境条件 。煤对瓦斯的吸附是可逆的,环境条件尤为重要。煤中瓦斯吸附量的大小主要取决于煤化变质程度、煤中水分、瓦斯成分、瓦斯压力以及吸附平衡温度等。451.瓦斯压力的影响给定温度下,随着瓦斯压力的升高,煤体吸附瓦斯量增大。当瓦斯压力大于 附的瓦斯的吸附量增加较缓慢将趋于定值,如图 4.吸附温度的影响目前的实验研究表明:温度升高,瓦斯分子活性增大,不易被煤体吸附;同时,已被吸附的瓦斯分子在温度升高时易于获得动能,发生脱附现象,吸附瓦斯量降低。图 46VL,m3·m3·温度对吸附性的影响平衡水煤样号矿层压力 /MP a(b )765432102420168124050℃0℃30℃压力 /MP a( a)平顶山二1煤,(气煤干燥煤样)40℃30℃6420051015202530图 4度对瓦斯吸附的影响(据傅雪海等, 2007)473.瓦斯成分的影响矿井中的瓦斯实际上是一种以甲烷为主的混合气体。图 4等温吸附实验研究结果,从图中可以看出,煤对混合气体的不同组分的吸附能力有强弱之分;当混合气体由 所研究的压力范围内,煤对 混合气体由 2组成时, 定着吸附曲线的趋向性质。等温吸附曲线显示:在吸附压力不高时,煤对混合气体的等温吸附接近强吸附组分的等温吸附曲线;随着吸附压力的升高,其介于两组分之间。另外,混合气体各组分的百分比不同、分压不同,所得的吸附等温线也不同。48P 4+ C O + 2 2+ C 4+ N 220图 4单组分和多组分混合气体等温吸附曲线(据何学秋, 1995)49可以认为,一方面,煤对混合气体的吸附性与混合气体中各组分的吸附性强弱有关;另一方面,煤对混合气体的吸附性与混合气体中各组分的分压有关,煤对分压大的气体组分的吸附性更大。由分压大的强吸附气体和分压小的弱吸附气体组成的混合气体的等温吸附曲线很接近分压大的强吸附气体在作为纯吸附质时的等温吸附曲线。各组分的分压变化与其吸附量的变化是不成比例的,在吸附过程中,游离相的成分会发生变化,使被吸附组分数量间的关系与原始混合气体不同,即各吸附质组分间会相互影响,但在恒温条件下,吸附量与压力之间的关系仍然可用 0从图 4对混合气体中各组分的吸附量比对该组分单独作为吸附质时的吸附量要小,这说明煤对混合气体的吸附不仅与煤的性质有关,还与混合气体中各组分的组合类型有关。煤对由 2组成的混合气体及 2> 10 MP a(a)吸附瓦斯含量/(m/t )3无烟煤(挥发分5 % )44 ° C 26 °N 2 MP a(b)肥煤(挥发分2 7 % )26 ° N 2 给定吸附气体、温度条件下的等温吸附线(据周世宁等, 1999)524.煤的变质程度的影响图 40℃等温吸附 45℃ 时的等温吸附变化情况。煤的变质程度对煤的瓦斯生成量及比表面积有较大影响,参见图4 4般情况下, 从中变质烟煤到无烟煤,吸附量相应增加 。00 1 2 3 4 5 6 78 9 10 115101520253035压力 /M cm/g)图 4同变质程度( 在 45℃ 条件下的等温吸附曲线(据张新民等, 2002)535.煤中水分的影响水分的增加会使煤的吸附能力降低(见图 4 4通常用俄罗斯煤化学家 艾琴格尔 的经验公式来确定煤中天然水分对甲烷吸附量的影响,其计算公式为:( 4中: 含有水分为W(% )的湿煤的甲烷吸附量,m3/t;W— 煤中的天然水分的质量含量,%;=1 + 25 煤中天然水分对甲烷吸附量的影响煤内天然水分质量含量 中天然水分对甲烷吸附量的影响(据周世宁等,1999)54图 4 - 1 4 干燥煤样与平衡水煤样等温吸附曲线对比图( 据叶建平等,1 9 9 8 )VL,m3· 2 3 54 6 7 8 9 101214108642原煤样( o 公司)平衡水煤样( o 公司)干燥煤样( 西安分院)河北大城甲烷吸附量甲烷吸附量VL,m3· M M 3210246810161412图 4燥煤样与平衡水煤样等温吸附曲线对比(据叶建平等, 1998)55三、煤的解吸特征煤层压力降低到一定程度,煤中被吸附的甲烷开始从微孔表面分离 ,即发生 解吸 ,它是煤中吸附气因储层压力降低或温度升高等而转变成游离气体的过程。煤层解吸特征常用可解吸率(或可解吸量)和解吸速率衡量,解吸总量由阶段解吸量组成,解吸速率往往采用吸附时间定量表示。56(一)解吸率和解吸量我国前期煤田地质勘探资料中瓦斯(煤层气)解吸资料多由四部分构成,即 损失气量 ( 现场两小时解吸量 ( 真空加热脱气量 ( 粉碎脱气量 ( 通常,把损失气量与解吸气量之和与总含气量之比称为 解析率 ,损失气量与现场两小时解吸气量之和为解吸量,即解吸率与实测含气量的乘积。我国煤层气井和美国煤层气解吸资料均由三部分构成,即逸散气量、解吸气量(解吸至一周内平均每天小于 10残余气量。逸散气量、解吸气量之和为理论可解吸量,其与总含气量之比称为理论可解吸率。57我国煤的解吸特征变化较大。煤层甲烷解吸率介于 间。甘肃窑街煤层瓦斯中因5%,甲烷解吸率只有 辽河古近纪煤的甲烷解吸率为 铁法上侏罗统煤的甲烷解吸率为 西北靖远下中侏罗统煤的甲烷解吸率为 华北石炭-二叠系煤的甲烷解吸率介于 59%之间,云南恩洪中二叠统煤的甲烷解吸率在 53%左右。58煤层甲烷解吸率受煤层原位含气量和储层压力影响,与煤层埋藏深度有关(见图 4 4 间,平均为 其中 3煤解吸率、解吸量基本上随埋深增加而增大,平均解析率为 15煤埋深 500图 4北铁法和西北宝积山等中生界煤层随埋深增大煤层甲烷解吸率却有明显的降低趋势,最佳解吸深度在 400~ 600此来看,不同地区和不同时代煤层甲烷解吸率与埋深之间关系有很大差异。59图 4 沁 水盆地中南部煤层甲烷解吸率与煤层埋深的关系15煤解吸率/%15煤埋深/00 500 600 700 8003煤解吸率/%3煤埋深/水盆地中南部煤层甲烷解吸速率与煤层埋深的关系(据傅雪海等, 2007)60图 4 4. 6. 80 070 060 050 040 030 012108642015 煤埋深/m3●02468101230 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 03煤可解吸量/m3●水盆地中南部煤层甲烷解吸速率与煤层埋深的关系(据傅雪海等, 2007)61(二)解吸时间实测瓦斯解吸体积累计达到总解吸气量( 准温度、压力)的 所对应的时间称为解吸时间,它由罐装煤样解吸试验求得。该时间参数对给定煤样来说,与逸散气无关,即不管采用何种方法计算逸散气量,解吸时间都是相同的。解吸时间取决于煤的组成、煤基块大小、煤化程度和煤的裂隙间距。煤层气勘探开发实践表明:解吸时间与产能达到高峰的时间有关,与煤层气长期的产能关系并不密切。解吸时间短,煤层气井有可能在短期内达到产能高峰,有利于缩短开发周期,但不利于气井的长期稳产。62吸附时间可以通过扩散系数和煤基块甲烷量来计算,即:(4中: τ —— 吸附时间 D—— 扩散系数σ —— 形状因子σ 由下式定义:式中: α —— 比例系数; 煤基质块的面积; 煤基质块的体积。煤中裂隙级别较多,裂隙间距和形状因子难于厘定,通常由煤样的自然解吸实验来确定解吸时间。 D163① 计算累计达到总解吸气量的 所对应的气体体积 :( 4计算累计达到总解吸气量的 63. 2%时所对应的时间 :在煤样的自然解吸实验中找到该样品累计达到总解吸气量的 所在的时间区间 所对应的累计解吸量为 : (4层的解吸时间变化很大,最大值与最小值可相差 100倍以上。例如,美国圣胡安盆地、中阿巴拉契亚盆地等为 l~ 5d,黑勇士盆地为 1~ 30d,北阿巴拉契亚盆地为 80~ 100d。%63  S T 解吸气量(121%(64我国煤层解吸时间在数小时至 20如,平顶山三 9~ 3d,二 1煤层解吸时间为 13h。淮南 13h~ 11h~ 8煤层解吸时间为 3h~ 城 3煤层吸附时间在 111煤层吸附时间为 8h。峰峰 2煤层吸附时间为 1.5 h~4煤和 6煤层吸附时间仅有数 h。沁水盆地石炭二叠系煤层的吸附时间相对较长,但也只有 1~20d。表 4美国圣胡安盆地和中阿巴拉契亚地区相类似,煤层解吸速率较快,若为水饱和煤层,很快就能达到较高气产量。65(三)解吸速率单位时间内的解吸气量 称为 解吸速率 。解吸速率受控于煤的组成、煤基块大小、煤化程度和煤的破碎程度。自然解吸条件下解吸速率总体表现为快速下降,但初始存在一个加速过程,中间解吸速率出现跳跃性变化,可能是煤孔径结构影响的结果(图 466晋城枣园煤层:3煤采样深度:51 3. 6 ~ 514.0 3 ℃解吸温度:22 ℃ ~ 25℃样品暴露时间:9 mi 2 4. 87 m 7 03 7. 28 m 6 43 7 20 . 36 晋城3 煤层解吸过程中解吸速率的变化规律解吸速率/mL·晋城 3煤层解吸过程中解吸速率的变化规律(据傅雪海等, 2007)67第一节 煤层瓦斯地球化学特征第二节 煤层瓦斯赋存与瓦斯吸附解吸特征第三节 煤层瓦斯含量及其影响因素第四节 煤层瓦斯垂向分带第五节 煤储层压力特征第六节 煤层孔隙与裂隙特征第七节 煤储层渗透性特征第八节 煤储层瓦斯流动规律第四章 煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征68一、煤层瓦斯含量的基本概念煤层瓦斯含量 是指单位质量的煤中所含有的瓦斯体积(换算为标准状态下的体积),单位是g或 m3/t。煤层瓦斯含量也可用单位质量纯煤(去掉煤中水分和灰分 )的瓦斯体积表示,单位是g, m3/t, 谓标准状态是指:绝对温度 0℃) ),大气压力 760煤层原始瓦斯含量 煤层未受采动影响而处于原始赋存状态时,单位质量煤中所含有的瓦斯体积(换算成标准状态下体积),称之为煤层原始瓦斯含量,常用 m3/t和 三节 煤层瓦斯含量及其影响因素69煤层残存瓦斯含量 煤层受采动影响而涌出一部分瓦斯后,单位质量煤中所含有的换算成标准状态下的瓦斯体积称之为煤层残存瓦斯含量,常用计量单位亦是 m3/t和 g作
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本文标题:第四章煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征
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