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煤层气(瓦斯)地质基础知识(唐修义)

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非常规油气 页岩气 页岩油 煤层气 致密砂岩 致密气 致密油 可燃冰
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煤层气地质学 ( 在 中国 地质大学 的 讲课提要 ) 唐修义 2 目 录 一、前言 ......................................................................................................................................................... 2 二、有关煤的若干基础知识 ......................................................................................................................... 4 三、煤型(成)气的生成 ........................................................................................................................... 11 四、煤层气(瓦斯)的成分和 “瓦斯风化带 ” ............................................................................................ 14 五、煤层气(瓦斯)在煤层内的赋存与运移 ........................................................................................... 15 六 、煤层甲烷(瓦斯)含量与分布 ........................................................................................................... 30 七、煤矿瓦斯涌出与突出 ........................................................................................................................... 33 八、煤矿瓦斯爆炸 ....................................................................................................................................... 36 九、瓦斯抽采(放) ................................................................................................................................... 37 一、前言 (一)、煤层气和瓦斯的概念 近来,人们采用术语 “煤层气” 一词,意 指赋存在煤层里的天然气 。此术语翻译自英语“ 如果讨论“煤层气”的成分,则包含甲烷、 重烃、二氧化碳、氮等多种气体成分 。如果计算“煤层气”的含量或资源量(储量),又仅指甲烷一种气体的量。在英文文献里更多应用术语 “煤层甲烷 意 指赋存在煤层里的天然气中的甲烷 。这个术语的含义比较明确,我国文献也用 术语 “煤层甲烷”,但多数 文献 应用 术语 “煤层气”。 “瓦斯”是我国采煤界习惯用 的 术语。 “瓦斯” 来 自日 语 “ ガス( 瓦斯 ) ”, 这里的“瓦斯”是“ ガス”的汉字写法。 “瓦”的发音在 日文 里是“ 不是“ , “ 词在世界主要文字里都相互用音译,日文的 “ ガス( 瓦斯 ) ” 也是 音译自 “ 唯有 汉语 误用日语的汉字写法“瓦斯”,又用汉语的读音“瓦 有些文献中出现术语“瓦斯气”,此术语的提出 显然 不 妥 。 “ 瓦斯 ”尚 没有一个严 密 的确切定义。 广义上讲, 瓦斯是煤矿井下除大气以外的气体的总称 ,包含:赋存在煤层及岩层里并涌入到矿井的天然气、 矿井生产过程中生成的炮烟和其它废气、井下各种化学及生物化学反应生成的气体、深源放射性物质蜕变生成的气体、自地下水释放出的气体等多种来源的气体。其中主要是天然气。 在有些文献里, 瓦斯指 矿井下有害气体 ,包括:甲烷( 重烃(即乙烷 烷 烷 氢( 二氧化碳( 一氧化碳( 二氧化氮( 二氧化硫( 硫化氢( 。 “瓦斯”一词的常用含义有以下两种: 1, 煤矿 井下工程里的甲烷( 又称沼气 ,有时还 指 二氧化碳( 在确定“瓦斯风化 带”时又 指甲烷、二氧化碳和 氮 (种气体 。通常所称的“瓦斯涌出量”往往仅指甲烷一种气体的涌出量 ,不包含二氧化碳和氮的量 。矿井下的甲烷来自煤层和岩层 里 的天然气。 2, 赋存在煤层和岩层里,尚未涌入矿井的天然气 。在分析其成分时,通常只分析甲烷( 二氧化碳( 氮 (三种气体成分,有时还分析重烃;特殊需要时才分析其他气体成分。通常 3 所称的 “煤层瓦斯含量”又仅仅指甲烷一种气体的含量 , 所称的“瓦斯资源量(储量)”也仅仅指甲烷一种气体的资源量(储量)。 如果计算二氧化碳含量,则需说明。 总之,在我国 “瓦斯”一词 已 早被广泛使用,现在又加上“煤层气”一词。 “瓦斯”和“煤层气”这两个术语都没有确定的含义,有时 仅 指 天然气中的甲烷 ,有时又指 由 甲烷 、 重烃、二氧化碳、氮等多种成分 组成 的 天然气 。 在陈述这类天然气的地质问题时,两个术语是 同义词;但是 ,在陈述 煤矿巷道里的“瓦斯” 时,二者又不能完全看成同义词。因为煤矿巷道里的“瓦斯” 虽然主要来自煤层气,但也可能来自其他岩层;巷道里的“瓦斯”运移不仅受控于煤层气地质因素,还在很大程度上受 控于采掘方面的因素。 (二) 、 “煤 型 ( 成 )气” 的概念 在含煤岩系(简称煤系)形成与演化过 程中,煤系地层(包括煤层和岩层)里的有机质产出以甲烷为主的 天然气 ,被称为 “煤型气 或称 “煤成气 。 在漫长的地质历史中,产出的气体运移出“生气层”。如果气体进入适宜的“储气层”,又有适宜的“盖层”和“圈闭”,这就形成 常规 “ 天然气 气藏”。 世界上 很多 常规 天然气气藏 的气源被论证为 “煤成(型)气”。 煤型气属腐殖型气,其成分以甲烷为主。由于煤层中含有数量不等的腐泥质,在煤型气中还可能检测到腐泥型天然气的成分。煤层气就是储存在煤层内的煤型气。煤系内其他岩 层也可能 赋存有煤型气,但极少 成为 有经济价值的 储气层。例如:我国开滦煤田王家河气藏的储气层就是煤系中的砂岩层。 煤层是良好的“生气层”,还具有储气性能。 现今的“煤层气”不一定 就是原地生成的。气体在煤层内一直处于运移的动态平衡 状态。 应用动态的观点看待煤层气十分重要。 煤层气常被称为“自生自储”的天然气。应该从广义上理解此观点,煤层既是生气层又是储气层。不能认定 煤层的某一点的气就是生于该点。 由一个含煤岩系 生成的 “ 煤成(型)气 ” 中, 现今 储集在煤层内的 “煤层气 ”是 其 很少部分 , 能够 聚集成 常规天然气 藏的更是少部分 , 大部分 气体 逸散。 (三) 、 “瓦斯抽 采 ( 放 )” 和 “煤层气地面开发” 自上世纪 50年代我国煤矿开始 从待采煤层里先 抽放瓦斯,现在 国家要求 所有高瓦斯矿井都 必需“先抽后采”,保证安全采煤;还要求利用抽出的瓦斯,减少向大气排放瓦斯 。为此将“瓦斯抽放”改 称“瓦斯抽采”。近来我国瓦斯抽采量大幅度增加。 自上世纪 70年代美国开始“煤层气地面开发”试验,取得商业化开发成功。我国研究与试验“煤层气地面开发”始于上世纪 80年代。目前进展最好的试验区在山西省沁水盆地东南的晋城矿区。 “瓦斯抽采”与“煤层气地面开发”两类采气方法的根本区别 是: 瓦斯抽 采 —— 在煤矿 已 开拓的地区,从 煤矿井下 ,也可以 从地面抽采已受过采掘影响的煤层中的瓦斯 ;其首要任务是保障煤矿生产安全,同时利用被抽采出来的瓦斯 。 抽采规模取决于采煤的需要。 抽采瓦斯的成本主要或全部被计入采煤成本。 煤层气地面开发 —— 在未建煤矿或煤矿未开拓的地区, 引用开采常规天然气的技术 从 地面 开 采尚处于 自然状态下的 煤层 气 ;其任务是煤层气 资源 开发 利用,当然也将有利于将来在该地区安全采煤。 煤层气地面开发 必需达到商业性开发的规模。 煤层是否遭受采掘影响,其 物性 大 不一样。 在煤矿已开拓的地区,地应力已不是原来处于 自然 4 状态下的地应力,地层松动,煤层裂隙渗透性增加,还可能产生采动裂隙。与 自然状态下的煤层相比,从受过采掘影响的煤层中抽采瓦斯应该较为容易,但是煤矿抽采瓦斯还是很困难 。 煤层气地面开发的难度更大 , 更 需要适宜的地质条件 。 这两种方法开采与利用甲烷都将减少向大气排放 甲烷,具有重要的环境意义 。 有文献报道,甲烷的温室效应是 0余倍。据估算,大气中甲烷浓度每增加 1导致地球表面温度增加 1℃。 (四) 、 “煤层气地质学”和 “瓦斯地质 学 ” 聚集成常规天然气藏的 “煤成(型)气 ”属天然气地质学的内容。近些年来, 我 国学者 提出“煤层气地质学”,指专门研究煤层气的学科 ,并出版了多种版本的专著,最近还将出版教材 。在外文文献里 只见有关文章, 尚未见“煤层气地质学”专著。 “瓦斯地质”是中国 学者 于上世纪 80年代提出的,被认为是跨煤层气地质 学 与采煤学两学科的一门新学科 ,也出版了专著和教材 。 地质人员主要调查研究自然状态下在煤层和岩层里赋存的瓦斯(天然气);而采煤人员关注的是进入井下工程里的瓦斯。瓦斯涌入井下工程里的数量和方式除受地质因素影响外,还要受采掘条件的影响。 本课程主要讲解煤层气 (瓦斯) 地质有关 基础知识 ,很少涉及与采掘有 关的内容。 (五)、 煤矿瓦斯防治是“老、大、难”问题。 人们对煤矿瓦斯 的 认识很肤浅,有些认识尚 属 “推测”或“假说”。 二、 有关 煤 的 若干 基础知识 (一)、煤的成分和种类 煤 是 自然界成分最复杂的一类岩石 ,属沉积岩中的生物化学岩类。 1、 煤 是 三相物质的复合物 ,又是有机质和无机质的复合物 固相 —— 有机显微组分( 矿物( 液相 —— 水和极微量的液态烃(石油); 气相 —— 瓦斯 (甲烷、二氧化碳、氮) 。 其中 有机显微组分、液态烃和甲烷属有机质;矿物、水、二氧化碳、氮属无 机质。所以 煤是有机质和无机质的复合物 。 当然 有机质是 煤中 主要成分。 有机显微组分 ( 是用显微镜可识别的基本单元。有机显微组分被划分为三组:镜质组 ( 、惰质组( 壳质组( 。其中镜质组是 主要组分,通常占 70%以上 。 由这三组显微组分组成四种 有机 宏观组分( 镜煤( —— 几乎全 由镜质组 组分组成; 5 亮煤( —— 大部分由镜质组组分组成; 暗煤( —— 少部 分由镜质组组分组成; 丝炭( —— 由惰质组 组分 中的丝质体 组成; 从煤里已发现的矿物种类虽然很多(经文献报道的矿物超过 150 种),常见的矿物 种类 并不多 ,如:粘土类矿物、黄铁矿、石 英、方解石 , 菱铁矿等 。矿物常成为碎屑或碎屑集合体形态分散在有机显微组分之间,多数矿物的颗粒微小,呈球粒、结核、透镜体、条带等等形态;还有一些亚微米 通常 用煤燃烧后的固体残渣灰分产率(质量分数,%)近似代表煤中无机质的质量分数; 可燃物质 的质量分数则 近似代表有机质 的质量分数。 按 煤 炭勘探规范的 规定,煤的灰分产率低于 40%,方可参与煤炭资源量(储量)计算 。 2、 煤的元素组成 —— 从煤中共检测出 86 种元素。 按元素的含量,分为常量元素(含量> 1‟)和微量元素(含量< 1‟)两大类: 常量元素 12 种:碳、氢、氧、氮、硫、钙、镁、铝、铁、钠、钾、硅。 其中碳、氢、氧、氮和少部分硫是组成有机质的主要元素; 其余是组成无机质的主要元素 微量元素 74 种:可利用回收的元素:如锗、镓 放射性元素:如铀、钍、氡 有毒元素如砷、铅、汞、锑 、硒、氟、磷„„。 多数微量元素是矿物的次要成分,少量微量元素可能被有机质束缚。 在地壳岩石中发现的元素,从煤里都能检测到。 煤 的 元 素 组 成 氢 H B 碳 C 氮 N 氧 O 氟 F 氖 P 硫 S 氯 K 钙 V 铬 Y 锆 I 氙 系 W 铼 系 r f 系 镧 系 锕 U 镎 煤中微量元素; 煤中的常量元素; 煤层气中的惰性气相元 素; 煤中未检测到的微量元素。 6 3、 煤的化学结构 煤的分子结构很复杂,到目前为止,人们对煤结构的认识还属于假说。 通常认为,煤的基本结构是由芳香族为核心及 其 周围 的 官 能 团 和侧链 组成 。 芳香 族核心由苯环组成。 官能团和侧链有: 含氧官能团 、含氮官能团、含硫官能团、烷基侧链等 随煤化程度的增加, 苯环增加,官能团和侧链脱落。 煤 型 ( 成 )气和煤成油就是脱落的官能团和侧链重新组合而成。 4、 煤的工业分类 —— 根据煤的用途,煤被分为 3 大类, 17 小类: 褐煤 —— 褐煤一号、褐煤二号 烟煤 —— 长焰煤、气煤、 1/3 焦煤、气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤、 不粘煤、弱粘煤、中粘煤 无烟煤 —— 无烟煤三号、无烟煤二号、无烟煤一号 划分煤 类 的指标是:挥发分析出率和粘结性。 挥发分析出率 —— 挥发分( 号 V)是煤样品在特定条件下受熱分解出来的液体(蒸气状态)和气体产物,挥发分占样品的质量分数称为“挥发分析出率”,或“挥发分产率”。 粘结性 —— 煤干馏时粘结其本身的或外来的惰型物质的能力。 7 (二 )、煤的形成与演化 1,成煤母质 —— 植物(低等、高等) 2,成煤环境 —— 泥炭沼泽 3,地质构 造条件 —— 缓慢下沉 4,成煤作用阶段 —— 第一阶段;泥炭化作用阶段 ,植物残体经生物 第二阶段 : 煤化作用阶段 , 泥炭经地球化学作用演化成煤 . 由褐煤 演化成 烟煤,再到无烟煤,称为“煤变质作用”。 8 植物 —— →泥炭 —— → 褐煤 —— →烟煤 —— →无烟煤 —— →石墨 ∣ ← 泥炭化作用→∣ ← ———— 煤化作用 ——— → ∣石墨化作用 ∣ ← —— 变质作用 ——— → ∣ 煤变质作用煤变质作用是煤在高温、高压的长期作用下发生的。 在温度、压力与时间 3 因素中起主要作用的是温度。各煤阶形成需要的温度大体如表 1。 各种煤变质阶段形成需要的温度 煤 阶 形成需要的温度, ℃ 褐 煤→长焰煤 40~ 50 长 焰 煤→气煤 70~ 90 气 煤→肥煤 100~ 120 肥 煤→焦煤 120~ 140 瘦 煤→贫煤 150~ 180 贫 煤 →半无烟煤 170~ 200 半无烟煤→无烟煤 190~ 220 (转引自杨起,韩德馨主编《中国煤田地质》, 1979) 使煤温度升高的热量来源有二:一是正常的地热,二是岩浆侵入带来的热量。 在正常的地热和上覆地层压力长期作用下,发生的煤变质作用称为“煤深成变质作用”。 由于岩浆侵入形成地热异常,引发的煤变质作用称为“煤岩浆热变质作用”。 中国煤田里往往发生两次变质作用。先发生深成变质作用,使煤达到某一煤阶;然后叠加上岩浆热变质作用,使煤阶升高。 表征煤变质程度(煤级、煤阶)的指标: 9 镜质组反射率( 认为是较好的煤级指标。 在使用这一指标时要注意两点: 第一,适用范围 —— —— 不能用 ; 可以用,但准确度较差, 最好用最大反射率 Ro, 最适用, 可以用随机反射率 Ro,r; 可以用,但准确度较差 ,最好用 Ro, 第二,我国现行煤分类中的煤类与 间的关系较乱。 10 镜质组平均最大反射率与煤类之间的关系 平均最大 反射率% 可能煤种 (按出现频率排列) 平均最大 反射率,% 可能煤种 (按出现频率排列) 焰煤,不粘煤,气煤 煤,肥煤 煤,长焰煤,不粘煤,气肥煤 煤 煤,气肥煤,弱粘煤,不粘煤, 1/2 中粘煤 煤,瘦煤,贫瘦煤 ,气煤,弱粘煤,不粘煤,肥煤,气肥煤 煤,焦煤,贫瘦煤 ,肥煤,气煤, 1/2 中粘煤,气肥煤 煤,贫瘦煤,焦煤,贫煤 煤, 1/3 焦煤 瘦煤,瘦煤,贫煤 煤, 1/3 焦煤,焦煤 瘦煤,贫煤,瘦煤 煤,肥煤, 1/3 焦煤 煤 (引自李文华,白向飞等, 2006) 文献中 出现过一些表征各煤类的 ,宜慎用。 各 煤 类 的 镜 质 组 最 大 反 射 率 (一) 煤 种 褐煤 长焰煤 气煤 - 肥煤 > 煤 煤 煤 瘦煤 贫煤 无烟煤 引 自 文献 汪 海 涛 ,1997 胡 红 玲 等 ,2004 李洪钧等,2004 陈昌华, 2001 11 各 煤 类 的 镜 质 组 最 大 反 射 率(二) 煤 种 围 围∕平 均值 围∕平均值(样品个数) 要范围∕平均值(样品数) 褐煤 28) 长焰煤 16) 68) 不粘煤 31) 42) 弱粘煤 18) 34) 1/2 中粘煤 7) 气煤 12) 93) 气肥煤 6) 12) 1/3 焦煤 52) 82) 肥煤 32) 56) 焦煤 21) 97) 瘦煤 5) 39) 贫瘦煤 20) 40) 贫煤 20) 45) 无烟煤 50) 引自文献 王自龙, 2000 宋旗跃,白向飞等,2000 陈怀珍,陈文敏, 2000 李文华,白向飞等, 2006 三、 煤 型 ( 成 )气 的生成 在煤形成与演化的全过程中, 固相煤物质演化的同时产出 气体( 瓦斯 ) 。 按成因,煤型(成)气包括“生物成因气”和“熱成因气”,有文献认为尚有“裂解成因气”。即使有裂解成因气,也产生于变质程度很高的无烟煤里。 生物成因气 —— 在泥炭化作用阶段,沼泽里的植物残体主要 受生物化学作用转化为泥炭,同时产出的气称“生物成因气” 。现今煤层里不可能保存有这种气。 热成因气 —— 在 煤化作用阶段 ,固相煤物质主要 因受热发生复杂的物理化学变化,同时 产出的气称“热成因气”。 现今煤层里的气应该属这种气。 下图简明表述了煤成(型)气的生成: 12 在 不少 现今煤矿 (深度不到 1000m) 的煤层气 样品里检测到的甲烷碳同位素 很小,即δ 13 55‟。按研究天然气学者的意见,这是 生物成因气的特征 ,热成因气的δ 13 应该更大些 。多年来许多研究者试图解释这种现象,提出几种设想。 其中 ,德国学者 M. 人设想,浅部的煤层气是由深部运移来的,气体运移过程中会发生同位素分异,较轻的 12 升到浅部,以致浅部的δ 13 降低。按此观点,浅部煤层气仍然属 “热成 因气”。 上世纪 90 年代初美国 学者 人于提出,这种煤层气是 一种新的 “生物成因气”,称为 “次生生物成因气” , 泥炭化作用阶段生成的气则成为“ 原生生物成因气 ”。 他们设想,在煤层埋深较浅处,细菌通过流动水进入煤层,当温度、盐度等环境条件又适宜微生物生存时,在相对低的温度下(一般小于 56℃),细菌通过降解和代谢作用将煤层中已生成的湿气、正烷烃和其它有机化合物转变成甲烷和二氧化碳,即形成次生生物成因气。 关于煤层气的 甲烷碳同位素为什么偏低,以及是不是存在 “次生生物成因气”问题,至今尚属探讨的问题。 文献里 有关煤 型 ( 成 ) 气生成的陈述都是引用 有机地球化学家 研究天然气的意见。 在上世纪80 年代,我国研究这方面的成果很多。他们研究此问题的主要方法是作煤样品的热模拟实验。 对煤型 ( 成 )气生成理论认识的基础是煤样品的热模拟实验结果。 值得探讨的问题 有 : 第一, 人为的模拟 实验能反映自然 界的 煤化作用吗? 在煤化作用过程中, 煤层瓦斯(煤层气)是在漫长地质时期里低温热解作用的产物。 用煤样品作热模拟实验不得不用提高模拟温度以弥补实验时间的不足。可是煤在高温短时间内的热解与在 低温长时间内的热解有本质上的差异。 热模拟实验用的样品是低煤 级的褐煤, 样品 在实验装置内热解, 当模拟温度超过 110℃,褐煤样品中的有机质开始发生质 的 变化,但 不 是 延 自然 煤化作用(变质作用)的 途径 演化 ,而是人工碳化 的途径 。 试验者 利用所谓的“镜质组”反射率( 作为煤级(煤阶)的指标, 认为, 在模拟装置内 褐煤样品 随温度升高逐级转变成烟煤 (长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤) 和无烟煤 。 13 其实实验装置内的样品 并 没有转变成长焰煤、气煤、肥煤、焦煤„„等各煤级的煤。 需要特别指出的是,自然界 由褐煤转变为长焰煤必 定 新产生 一种煤特有的“ 粘结性 ” , 进而 “ 粘结性 ” 还 一 定会 逐渐增强,到肥煤阶段 达最强,然后又逐渐减弱,到贫煤阶段 丧失 “ 粘结性 ” 。 这是 自然界的煤在低温长时间内 煤化作用(变质作用)的独特之处。 但是 褐煤样品 在实验装置内经高温短时间的热解,却不能产生 “ 粘结性 ” 。这是 模拟实验与自然 煤化作用(变质作用) 本质上不同之处。模拟样品中的 被鉴定为 “ 镜质组 ” 的组分 貌似镜质组,它的反射率( 随模拟温度的升高而增高, 但其本质不是 自然生成的 镜质组, 被误定 为 “镜质组” 的反射率( 值像是可以与长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤中的镜质组反射率( 对照,但所测对象不是各 煤级 的煤 ,而是,而是人 工碳化的产物。 模拟过程中也产出气体和液体产物,由于固体产物不是各煤级的煤,气体和液体产物也必然不能 等 同于煤成(型)气和煤成液态烃(石油)。 煤化学家也作类似的模拟实验。他们用的样品是 已有粘结性的 炼焦用煤(气煤、肥煤、焦煤、瘦煤),模拟目的是 研究煤的结焦性。模拟最终产物是焦炭,同时产出 气体 (焦炉煤气) 与液体 (煤焦油)。 焦炉煤气和煤焦油不是煤成(型)气和煤成 液态烃(石油) 。 因此,采用模拟实验研究煤成(型)气的形成,在理论上是不适宜的。由于没有适宜的方法,现在文献中陈述的都还是基于模拟实验得到的认识。 第二, 现今的煤是现今煤成气态烃和煤成液态烃的“源岩”吗? 在文献中经常出现一种观点, 把现今的煤看成是现今煤成气 态烃 和煤成液态烃的“源岩”。 如若某矿区的 生烃源岩 —— 煤 有机煤岩组分 中 的 壳质组组分多,惰质组组组分少,该矿区可能赋存有较丰富的煤成(型)气,甚至可能有 较多的 煤成液态烃(石油);如若某矿区的煤中惰质组组组分多,壳质组组分少,该矿区赋存的煤成(型)气可能较少,煤成液态烃(石油)则 极 为稀少;如若某矿区的煤中镜质组质组组分多,壳质组和惰质组组组分都 较 少, 该矿区可能赋存有丰富煤成(型)气,也有可能存在少量煤成液态烃( 石油)。 这个观点的提出基于两点:第一,煤岩组分的含氢量不同:壳质组富氢,惰质组贫氢,镜质组介于二者之间;第二,煤岩组分的 生烃 模拟试验结果不同:壳质组 的生烃潜能 相当Ⅱ型,甚至Ⅰ型干酪根 ; 镜质组 的生烃潜能 相当 Ⅲ 型干酪根 ; 惰质组的生烃潜能很差,有人认为 惰质组 相当 Ⅳ 型干酪根。模拟实验结果表明,再相同条件下,树脂体、镜质组、惰质组产气率的相对比值为 10:4:1(刘德汉,1986)。 这个观点值得商榷。 广义上讲,煤是煤成(型)气和煤成油的“源岩”,或称“母岩”。具体说,现今的固态煤与现今的气与油不是“母”与“子”; 它们都同属其前身的固态煤变质作用的产物。在这里,时间观念很重要。 现今煤岩组分的含氢量,以及生烃模拟试验结果仅仅表明现今煤岩组分具有的生烃潜能的强弱。 如若 设 想 : 现今的煤 将来 再 次 经受变质作用, 各有机煤岩组分 的 生烃 潜能 才 可 能 发挥出来 ,产生上述情况 。可是人们希望知道的 不 是 假想的将来 , 而是 煤已经生成的气态烃与液态烃 的过去,是各煤岩组分已有过的生烃贡献 。现今煤岩组分生烃潜能 的 强与弱等同于过去已生烃的多与少吗? 现今煤岩组分生烃潜能的 强与弱 等同于过去生烃贡献的大与小吗? 显然不等同, 煤岩学早已 作过 论证。 壳质组又 称“稳定组 ”。再泥炭化阶段和煤化作用早期,壳质组内的多数组分是稳定的 。这些组分现今的生烃潜能最强,可是过去的生烃贡献却最小。 14 惰质组组分现今的生烃潜能很弱, 其化学结构的芳构化程度强,官能团与侧链几乎全脱落‘被认为是具“惰性”的组分,划归Ⅳ型干酪根。惰质组组分这些特征是天生的吗?惰质组的成因很复杂,其中有些惰质组组分天生如此,它们现今的生烃潜能弱,过去的生烃贡献也小。惰质组内还有些组分并非天生如此, 在以往的煤变质作用过程中,与共生的壳质组和壳质组比较,它们产出多较多的气态与液体烃,以致自身芳构化程度增强。这些惰质组现今 生烃潜能弱却是过去生烃贡献大所造成。 研究瓦斯(煤层气)的生成对于煤矿安全生产和瓦斯抽采没有重要意义。因为:煤层瓦斯(煤层气)是现今残留在煤层里的煤成(型)气,其数量只是已生成气体的很少部分。决定煤层瓦斯(煤层气)的数量和质量的主要地质因素是气体的运移与保存因素,而不是 气体的 成因因素。 四、 煤层气( 瓦斯 )的 成分和 “ 瓦斯风化带 ” (一) 、 煤层气的 成分 煤层气 是多种气体的混合物,其成分有: 烃类气体 —— 甲烷( 和少量乙烷( 丙烷 ( 丁烷 ( 乙烷、丙烷、丁烷统称“重烃” 在天然气地质界所称的干气,指各种烃类总体积中 95%, 重烃 5%。煤矿瓦斯一般都是干气。 非烃气体 —— 二氧化碳( 氮( 微量气体 —— 氢( 一氧化碳( 二氧化硫( 硫化氢( 、 氦( 氖( 氩( 氪( 氙( 。 煤层气的 主要成分 是 甲烷 ( 又称“沼气”;次为二氧化碳( 氮 ( 在个别矿区(如:甘肃 省窑街矿区,吉林省菅城矿区)煤层气的主要成分是 无机成因的气体运移进入煤层。 (二) 、 “ 瓦斯风化带 早在上世纪 50年代,前苏联学者发现, 顿巴斯 浅部瓦斯的成分有垂向分带现象,自浅部向深部一般可分四个带 (如下表所列),采煤界习惯将前三个带统称为“瓦斯风化带”。 浅部 瓦斯 成分垂向各带气体组成 名 称 体积 %) 体积 %) 体积 %) 瓦斯 风化带 2带 20 20~ 80 80 80 10平方米 /(二次方兆帕•日)的煤层容易抽放瓦斯;系数 <(二次方兆帕•日)的煤层难以抽放瓦斯。 我国煤矿提供的煤层气透气性系数实测值一般比煤层气井试井结果的渗透率低很多。 至今人们还难以准确实测煤层渗透率。有人主张,利用煤层气井排采资料推测煤层渗透性。 煤层的渗透性与煤层深度负相关。上述煤层渗透性的实测点深度都未超过 1000m。当深度超过 27 1000m 后,煤层渗透性可能急剧下降。 在不同方向 上煤层渗透性不一样,这与主要裂隙展布方向有关。 现代地应力场的强度与方向对煤层渗透性有影响。若地应力的主压应力方向与主要裂隙展布方向平行,有利渗透性增强;若二者垂直,则相反。 总之,煤层是弱渗透性储层,不加以改造,很难从中抽采出煤层气。 综上所述, 多数瓦斯在煤中纳米级的微小孔隙内以吸附态赋存,少数呈游离态;在一定温度和压力条件下,煤层内吸附态瓦斯和游离态瓦斯呈动态平衡; 煤矿井下温度变化不大,当压力降低,吸附态的瓦斯解吸,煤层内游离态的瓦斯增加; 在微小孔隙周围,由于浓度差,游离态的瓦斯由高浓度点向低 浓度点扩散,运移入裂隙; 在裂隙内,由于压力差,游离态瓦斯由压力高的点向压力低的点渗透,经裂隙运移出煤体。 由此可见,从自然状态煤层里用人为的方法抽采瓦斯十分困难。 为增加抽采量,有效的方法是先设法使被抽煤层“卸压”;同时设法增强渗透性。 (六)值得注意和探讨的问题 以上是当前人们对煤层气赋存状态的一般认识,这些认识还是很肤浅的,人们对煤层的本质还不了解。下面列举几个 值得注意和探讨的问题 。 1,煤里的微孔是煤物质大分子结构内的“缺陷”或“空间”。 利用低温氮吸附法测出来的那些孔宽只有几个到几十个纳米的孔 实质上已不是通常物理概念上的“孔”,而是固相煤物质大分子结构内的“缺陷”或“空间”。按照对煤中孔隙的这一认识,人们对煤层气在煤里的赋存状态的一般认识就值得推敲。 2,在实测等温吸附线时,人们对复杂的条件作了简化处理。实测等温吸附线的只能大体反映煤对甲烷的吸附特征。 吸附质(气体)在单位质量吸附剂(固体)表面的吸附量取决于四方面因素: ①, 吸附质(气体)的性质 —— 试验时只用单一的甲烷。煤层气的实际成分除甲烷 外还有二氧化碳、氮和其他微量气体。人们已经研究用甲烷、二氧化碳和氮的混合气体作试验。按吸附性,二氧 化碳>甲烷>氮。 ②, 吸附剂(固体)的性质 —— 人们对试验用的煤样品考虑到水分。我国采煤界用 干燥煤样品,煤层气探查部门用含“平衡水”的煤样品。有机煤岩成分和矿物成分都未与考虑。 ③, 吸附平衡的温度 —— 我国采煤界用 30℃,煤层气探查部门用取样点的地温。 ④, 吸附质(气体)的平衡压力 —— 一般加压到 6 右。 由此可见,人们对等温吸附试验的条件作了简化处理。实测等温吸附线的只能大体反映煤对甲烷的吸附特征。 3,甲烷在微孔里可能处于“容积充满”状态。 28 如果认为,煤层气主要赋存在那些孔宽只有几个到几十个纳米的 微
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本文标题:煤层气(瓦斯)地质基础知识(唐修义)
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