第四章煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征

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1、1,主讲：史广山 讲师 安全学院瓦斯地质研究所,瓦 斯 地 质 学,第四章,2,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,第四章,3,第一节 煤层瓦斯地球化学特征,一、瓦斯的化学组分 烃类气体:甲烷及其同系物 非烃类气体:二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢和稀有气体氦、氩等。 （一）烃类气体 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。 （二）非

2、烃类气体 非烃类气体含量通常小于20%,第四章,4,二、影响瓦斯地球化学组成的地质因素,煤岩组分（母质） 煤阶 瓦斯成因 埋藏深度及相应的温压条件 瓦斯解吸和扩散 水动力条件和次生作用,第四章,5,（一）煤岩组分的影响,显微煤岩组分：镜质组、壳质组、惰质组 煤分为腐殖煤类和腐泥煤类 腐殖煤类以镜质组为主，含少量的壳质组、惰质组 腐泥煤类以壳质组和富氢镜质组为主 产气量：壳质组镜质组惰质组 腐殖煤产气：高甲烷（9095以上），低湿气（一般0.5），腐泥煤类：甲烷较低（4775左右）湿气较高（20左右）,（二）煤化程度的影响,6,一般而言，煤变质程度越高，生成的气体量也越多； 低变质煤生成的热成因

3、气以二氧化碳为主； 高变质煤生成的气体主要成分为甲烷。,（三）瓦斯成因的影响,瓦斯成因： 生物成因：二氧化碳的还原作用；生成的甲烷其同位素较轻且富氘；有机酸(一般为乙酸)的发酵作用。 生成甲烷同位素较重且消耗氘 热成因：1、 重烃一般出现在中高挥发分烟煤；2 、 随着煤化程度的增高重同位素13C在甲烷和乙烷中富集； 3 、 随着煤化程度的增高甲烷也相对富集氘,7,二、影响瓦斯地球化学组成的地质因素,（四）埋藏深度影响 随着煤层埋藏深度增加，煤层甲烷的同位素13C1值呈增大趋势。 （五）瓦斯解吸和扩散 同为甲烷分子，轻同位素12C1比较重的、极性更强的13C1容易解吸，且解吸速度快。 （六）水文

4、地质条件 如美国圣胡安盆地，北部：超高压区瓦斯为富CO2干气，南部：低压区瓦斯则为贫CO2湿气。 在区域抬升后又遭受剥蚀的盆地边缘，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。 （七）次生作用的影响 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。,第四章,8,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,第四章,9,一、煤层瓦斯赋存状态,第二节 煤层瓦

5、斯赋存与瓦斯吸附解吸特征,图4-3 煤体中瓦斯赋存状态,煤 体,游离瓦斯,吸着瓦斯,煤体孔隙,吸附瓦斯,10,(一)吸附态瓦斯 煤层瓦斯以吸附方式储存于煤层中。 吸附状态的瓦斯占煤中瓦斯总量的80%95%。 煤是一种多孔介质，对瓦斯具有很强的吸附能力。,一、煤层瓦斯赋存状态,美国几个含煤盆地中煤与砂石储气能力的比较（据Kuuskvaa等，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=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=22.5%，水饱和度为35%）。,（二）游离态瓦斯 存在于煤体或围岩的较大裂隙、孔隙和空洞之中

6、自由分子 服从一般气体状态方程，因分子热运动显现出气体压力 煤中游离瓦斯的含量不大。埋深在3001 200 m范围内的中变质煤，其游离瓦斯仅占总含气量的5%12%。 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 式中：Qy为游离气含量（cm3/g）；fi为第i气体摩尔分数，V为单位质量煤的孔隙体积（cm3/g）；p为气体压力（MPa）；Ki为第i气体的压缩系数。,一、瓦斯赋存状态,二、 煤层瓦斯吸附特征,一、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，具有吸附气体的能力。 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

7、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。 煤对气体的吸附以物理吸附为主体。,二、 煤层瓦斯吸附特征,吸附瓦斯与游离瓦斯处于动平衡状态； 外界压力、温度变化，原平衡破坏，重新达到新的平衡状态；,在平衡状态时，吸附剂所吸附的气体量与温度与压力有关。,吸附等温线的5 种类型,（二）煤的瓦斯吸附理论 1单分子层吸附理论Langmuir方程和Henry公式 朗缪尔方程的基本假设条件是：吸附平衡是动态平衡；固体表面是均匀的；被吸附分子间无

8、相互作用力；吸附作用仅形成单分子层。,其数学表达式为： Langmuir方程的 另一种表达方式是：,二、 煤层瓦斯吸附特征,讨论： 1：吸附剂的内表面积最多有10%被气体分子覆盖时，即气体平衡压力较低时，Langmuir方程会演变成什么？ V=abp (4-5) 式（4-5）被称为亨利（Henry）公式 2：气体平衡压力很高时，Langmuir方程有变为什么？ Va，这就是饱和吸附，它反映了a值的物理意义。 单分子层吸附理论适合于描述图4-5中的类吸附等温线，是目前广泛应用的煤的吸附状态方程。,二、 煤层瓦斯吸附特征,（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

9、能力，与常规储层储气机理不同 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。 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。 大量煤样的吸附等温线属类；只有少数吸附等温线属类，且在压力较高时才会出现。煤吸附气体属单分子层吸附，用Langmuir方程可以较好地描述绝大部分煤的吸附等温线；虽然有一定误差，但可以满足工程应用要求。,二、 煤层瓦斯吸附特征,17,美国黑勇士盆地煤样的吸附等温线（据Collins，1991）,图4-8,（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： 煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度； 被吸附物质的性质

10、； 煤体吸附所处的环境条件。 煤化变质程度；煤中水分；瓦斯成分；瓦斯压力 破坏程度；吸附平衡温度等。,二、 煤层瓦斯吸附特征,1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。当瓦斯压力增加到一定值后，吸附的瓦斯的吸附量增加较缓慢将趋于定值,二、 煤层瓦斯吸附特征,2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。,二、 煤层瓦斯吸附特征,3瓦斯成分的影响,给定吸附气体、温度条件下的等温吸附线,单组分时，煤对气体的吸附能力：CO2CH4N2,二、 煤层瓦斯吸附特征

11、,单组分和多组分混合气体等温吸附曲线,二、 煤层瓦斯吸附特征,煤对混合气体中各组分的吸附量比对强吸附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CO2与CH4、CH4与N2组成的混合气体及CO2、CH4、N2的吸附性强弱顺序依次为：CO2CO2+CH4 CH4 CH4 + N2 N2 。,4煤的变质程度的影响 煤的变质程度对煤的瓦斯生成量及比表面积有较大影响。随着煤变质程度的增加，煤对甲烷的吸附能力先减小，再变大，呈U型变化，见下图。从中变质烟煤到无烟煤，吸附量相应增加。,不同变质程度煤的吸附瓦斯量,二、 煤层瓦斯吸附

12、特征,图4-12 不同变质程度（Rmax）煤在45条件下的等温吸附曲线（据张新民等，2002）,5煤中水分的影响 水分的增加会使煤的吸附能力降低。,图4-13 煤中天然水分对甲烷吸附量的影响,二、 煤层瓦斯吸附特征,干燥煤样与平衡水煤样等温吸附曲线对比,二、 煤层瓦斯吸附特征,解吸: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叫解吸。,第四章,26,三、煤的解吸特征,煤层解吸特征常用可解吸率（或可解吸量）和解吸速率衡量。,（一）解吸率和解吸量 我国前期煤田地质勘探 瓦斯（煤层气）含量由四部分构成，即损失气量、现场两小时解吸量、真空加热脱气量和粉碎脱气量。 解吸率：损失气量与解吸气

13、量之和与总含气量之比。 解吸量：损失气量与现场两小时解吸气量之和，即解吸率与实测含气量的乘积。,三、煤的解吸特征,27,（二）解吸时间 实测瓦斯解吸体积累计达到总解吸气量（STP：标准温度、压力）的63.2%时所对应的时间称为解吸时间。 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。,（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

14、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。,4.4 煤层瓦斯解吸特征,图 4-17 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）,29,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,含量的 四种定义,残存瓦斯含量,煤层瓦斯含量,原始瓦斯含量,可解吸瓦斯含量,一、煤层瓦斯含量的基

15、本概念,第三节 煤层瓦斯含量及其影响因素,煤层受到采动影响，已经排放出部分瓦斯，则剩余在煤层中的瓦斯含量,煤层未受采动影响时的瓦斯含量,煤的原始瓦斯含量与煤层残存瓦斯含量之差,（一）煤的变质程度的影响,二、 影响煤层瓦斯含量的主要因素,二、 影响煤层瓦斯含量的主要因素,（二）围岩条件的影响 煤层围岩是指包括煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的煤层顶底岩层。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，取决于它的隔气和透气性能。 当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油页岩和泥岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯容易逸散。,二、 影响煤层瓦斯含量的主

16、要因素,（三）地质构造类型及组合对瓦斯保存的影响 不同类型的地质构造在其形成过程中，由于构造应力场及其内部应力状态的不同，导致煤层和盖层的产状、结构、物性、裂隙发育状况及地下水径流等条件出现差异，进而影响到煤层瓦斯的保存。 地质构造不同的部位及组合对瓦斯的保存、运移等都不尽相同。,二、 影响煤层瓦斯含量的主要因素,褶皱构造：岩层在外力作用下发生各种各样的变形，但仍保持岩层的连续性和完整性。这种构造形态叫褶皱构造。,1、褶曲构造对瓦斯保存的影响,褶皱构造影响煤层瓦斯的保存为多数研究者所承认，也是煤矿开采实际所证明 背斜和向斜特别是它们的轴部及其附近, 既有煤层瓦斯含量较高、或者发生瓦斯涌出或发生煤与瓦斯突出的现象, 也有煤层瓦斯含量较低或不发生集中瓦斯涌出或煤与瓦斯突出 褶曲构造是如何影响瓦斯保存的？,1、褶曲构造对瓦斯保存的影响,1、褶曲构造对瓦斯保存的影响 （1）褶皱中和面 褶皱构造是自然界发育最为