煤階與煤層含氣性關(guān)系研究

2009年第11期中州煤炭總第167期煤階與煤層含氣性關(guān)系研究魏思民(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京10083)摘要:介紹了煤在演化過(guò)程中的煤層氣生成量,通過(guò)顯微鏡下煤的孔隙及在實(shí)驗條件下不同煤階中甲烷吸附量的測定得出:中高煤階煤滲透率較好,吸附煤層氣量多,是勘探開(kāi)發(fā)首選;高煤階煤滲透率不高,煤層氣體含量高,可通過(guò)增產(chǎn)措施進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā);低煤階煤中煤層氣含量最低,如資源豐度達到一定要求,可考慮進(jìn)行開(kāi)發(fā)。關(guān)鍵詞:含氣量;煤層氣;煤化作用;孔隙度中團分類(lèi)號:P618文獻標識碼:A文章編號:1003 - 0506(2009)11 -0017 -03Study on Relationship Between Coal Rank and Content of Coalbed MethaneWEI Si-min .(School of Resource & Safety Enginering , China University of Mining and Technology( Beijing)，Beijing 100083 , China)Abstract:The author introduced the content of coalbed methane in diferent coal metamorphic process under experimental condition, andobserved the pores of coal using microscope and measured methane adsorption quantity in dilerent coal rank. The results show the per-meability is better in middle-high rank coal , which adsorbed high level of quantities to coalbed methane , and it is the first selection toexplore the coalbed methane ; the permeability is not high enough in high rank coal , whereas the content of coalbed methane is relativelyhigh , and it is considered as object to explore ;the content of coalbed methane is minimum in low rank coal , and preservation of coalbedmethane is also difcult. Usually ,if resouree abundance meets with some conditions , it can be explored.Keywords:gas content; coalbed methane ;calification ;porosity煤是植物遺體經(jīng)過(guò)復雜的生物、地球化學(xué)、物理關(guān)系,為煤層氣選區評價(jià)提供理論指導?；瘜W(xué)作用轉變而成的。在從泥炭、褐煤到無(wú)煙煤的1 煤化作用與煤層氣的生成一系列演變過(guò)程中,伴隨著(zhù)大量甲烷、水、二氧化碳.氣體的生成,而煤作為煤層氣的源巖和儲集層使得煤層氣在煤化作用階段生成并在煤中儲集,其煤層氣得以保存。從能源、安全、環(huán)境和帶動(dòng)其他相生成大致經(jīng)歷了4個(gè)階段(2):關(guān)產(chǎn)業(yè)角度考慮,煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)為能源接替開(kāi)第1階段是由植物遺體向泥炭轉化的過(guò)程。在辟了新途徑。煤作為儲集層,有著(zhù)與常規天然氣儲此過(guò)程中,發(fā)生去羧基.脫水等作用,死亡植物失去層明顯不同的特征。最重要的區別在于煤儲層是一原來(lái)的形態(tài)結構,釋放出甲烷、水和二氧化碳,變得種雙孔隙巖層,由基質(zhì)孔隙和裂隙組成?；|(zhì)孔隙.更穩定,更均勻。同時(shí)碳含量不斷增加,氫和氧含量和裂隙的大小、形態(tài)、孔隙度和連通性等決定了煤層不斷減少。氣的儲集、運移和產(chǎn)出。因此,系統研究和認識煤中第2階段是褐煤轉型期。在這一階段中,主要的孔隙和裂際,對于煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。是在低溫( <75 C)還原環(huán)境下,厭氧細菌對沉積有現從煤在不同變質(zhì)程度中甲烷生成量人手,通過(guò)顯機質(zhì)進(jìn)行了生物化學(xué)降解作用,從而在煤中生成甲微鏡下煤的孔隙研究及對不同煤階煤樣的甲烷吸附烷氣體。在該階段,生氣量最少。反應過(guò)程表示為:量和含氣飽和度的測定,得出煤階與煤層含氣性的中國煤化工-3CH, +2H,O收稿日期: 2009 -06-21HC NMH G化期。主要是在熱作者簡(jiǎn)介:魏思民(1965-一),男,河南睢縣人,注冊巖土工程師,中國催化作用下,發(fā)生了各種化學(xué)變化,側鏈脫落,生氣量礦業(yè)大學(xué)地質(zhì)I程專(zhuān)業(yè)在讀博士.現從事地質(zhì)工程研究工作。開(kāi)始增加。甲烷增加量在焦煤時(shí)達到最高值;該階段. 17.2009年第11期中州煤炭總第167期是煤層甲烷的主要生成階段。反應過(guò)程表示為:(2)長(cháng)焰煤一瘦煤中的孔隙。在顯微鏡下觀(guān)C,Hx0)-→CsgHg0$ +CO2+ 2CH, +3H,0察,此階段的煤中氣孔發(fā)育最多。長(cháng)焰煤中氣孔較第4階段是貧煤-無(wú)煙煤階段。此階段芳香稠發(fā)育,進(jìn)入氣煤階段,氣孔出現的幾率最高,肥煤、焦環(huán)增大縮合程度,大部分氫側鏈脫落,重烴裂解,導煤中的氣孔也較多見(jiàn)，到瘦煤階段氣孔的可見(jiàn)率明致甲烷的生成。在貧煤階段再次出現甲烷增量的相顯減少。在此階段煤中芳香層片在一定程度上出現對高峰。反應過(guò)程可用下式表示:定向,層片間交聯(lián)鍵數目相對減少,活動(dòng)性增大。由Ci,H.O一+C,H. +2CH, + H20于上覆壓力不斷增大,煤的孔隙度逐漸減少,水分減綜_上所述,在煤變質(zhì)過(guò)程中,有2個(gè)甲烷增量的.少,出現孔隙度最小值。高峰值:①肥煤焦煤時(shí)期,這一時(shí)期主要是熱解作用(3)貧煤一無(wú)煙煤中的孔隙。在顯微鏡下觀(guān)形成大量甲烷;②貧煤期,主要是裂解形成的。察,此階段煤氣芳香層片迅速增大,芳香層片間平行定向性增加。由于深度變質(zhì),有機質(zhì)發(fā)生縮聚反應2不同煤階煤的孔隙度測試從而形成大量微孔,孔大小比較均勻,氣孔可見(jiàn)率比煤中的孔隙是煤層氣生成、運移的直接見(jiàn)證,探較低,破裂和連通較少,故孔隙度比長(cháng)焰煤--瘦煤階討其發(fā)育特征和形成等對煤層氣生成、儲集和運移.段有所增加。根據實(shí)驗測定,不同煤化程度煤的孔機理研究十分重要。在晉城寺河礦、淮北許疃礦、陜徑分布情況見(jiàn)表2。煤的孔隙度與煤化程度的關(guān)系西黃陵礦分別取煤樣,按照反射率煤樣制備要求進(jìn)如圖1所示。行粉碎和縮分,然后與蟲(chóng)膠依2:1混合,加熱定型磨表2煤的孔體積分布 和煤化程度關(guān)系制拋光。顯微鏡型號Zeiss Axiosuop 40A,光度計型孔體積/(m'●十號MSP UV-VIS 2000,測試依據GB/T 6948- -1998,煤階R../% .V在顯微分光光度計下進(jìn)行平均鏡質(zhì)組反射率測試。泥炭0.074 0.064 0.000 0. 010打開(kāi)PostPro軟件,估計所測煤樣的鏡質(zhì)組反射率范0.111 0.085 0.003 0. 023圍,根據實(shí)驗室測試溫度,對陜西黃陵礦煤樣采用藍長(cháng)焰煤0.50-0.70 0.156 0.030 0.060 0. 066氣煤0.70~0.90 0.144 0.035 0.065 0. 044寶石標樣,對許疃礦煤樣和寺河礦煤樣采用釔鋁石肥煤0.90~1. 200.035 0.018 0.000 0. 017榴石標樣,測試過(guò)程中調整Max Standard Value 值,焦煤1.20-1.70 0.041 0.016 0.000 0. 025根據標樣調整數值直至一致,之后分別對煤樣進(jìn)行.瘦煤1. 70-1.90 0.054 0.015 0.000 0. 039貧煤1.90-2. s00.077 0.009 0. 0100. 058測試,測試結果見(jiàn)表1。注:V,為孔總容積;V為粗孔容積;V2為中孔容積;V,為微孔容積表1不同礦區平均最大鏡質(zhì)組反射辜測試結果采樣點(diǎn)樣骨總洲平均最大鏡質(zhì)組粗孔容積總容積反射串/%- r中孔容機U總容職陜西黃陵礦0:73長(cháng)焰煤淮北許疃礦500.870.90晉城寺河礦4.18無(wú)煙煤”.現炭褐煤長(cháng)嬪煤氣煤肥煤焦煤瘦煤貧煤將不同煤階的煤樣放在電子顯微鏡下觀(guān)察'，可以發(fā)現不同變質(zhì)程度煤樣的孔隙特征。團1煤的孔隙度 與煤化程度的關(guān)系(1)泥炭- -褐煤中的孔隙。在顯微鏡下觀(guān)察,分析圖1,結合顯微鏡觀(guān)察得出:中孔在中煤階褐煤結構疏松,原生孔隙發(fā)育,孔隙度大,氣體容易煤中分布最多,長(cháng)焰煤一瘦煤中氣孔發(fā)育 最多,尤其流動(dòng),氣孔很少。根據希爾施物理結構模型!4),在.往世和于柵煤中微孔和粗孔發(fā)育;褐煤中芳香層較小,不規則的“無(wú)定形物質(zhì)”所占比未成中國煤化工育最少,但其粗孔例較大。芳香層片間有交聯(lián)鍵,或多或少地在所有最多C N M H G高,孔隙率的變化方向上任意取向,形成多孔的立體結構,所以褐煤孔規律大致為:中間低兩頭高。隙度相對較大。2009年第11期魏思民:煤階與煤層含氣性關(guān)系研究總第167期現最大,隨后有減少的趨勢,且隨著(zhù)煤化程度增加,3不同煤階煤的吸附量測定上部壓力也越來(lái)越大,埋藏深度增加,有利于煤層氣研究了不同煤階煤的生成氣量、孔隙度后,為了的保存。.進(jìn)一步了解不同煤階煤的開(kāi)發(fā)難易程度,筆者還進(jìn)(2)從孔隙度角度來(lái)看:在褐煤階段大孔發(fā)育,行了吸附量和飽和度的測定,同時(shí)為使研究具有普孔隙度大孔隙孔道粗,其滲透率最高,有利于煤層遍性,選擇了山西晉城3"煤層和潞安1"煤層的煤氣的擴散運移。而在中煤階煤階段,中孔和微孔發(fā)樣。使用密封式巖心采取器,在巷道中采取煤樣送育,有利于煤層氣的保存,但其孔隙度相對來(lái)說(shuō)較化驗室分析,求取氣體的成分、體積和質(zhì)量,再計算低，滲透率也較低;在高煤階煤階段,微孔最發(fā)育,有出煤層甲烷的相對含量。其原理是:應用破碎、密閉利于煤層氣的保存,且孔隙度相對較高。加熱、真空降壓方法,把煤樣中的甲烷全部抽出,在(3)從吸附量角度來(lái)看:在中高煤階煤中煤層天平,上稱(chēng)出原始煤樣和抽放后煤樣的質(zhì)量,二者之氣吸附 量都比較多,尤其是在肥煤到半無(wú)煙煤階段, .差即為煤樣中氣體的質(zhì)量,同時(shí)還考慮了煤在取樣在褐煤和無(wú)煙煤中的煤層氣吸附量則較少。.過(guò)程中放散的甲烷氣體和乙烷氣體[s6)。通過(guò)測量(4)從生成氣量、孔隙度和吸附量總體來(lái)看:中計算得出在標準狀態(tài)下各煤階的甲烷氣體和乙烷氣高煤階煤 有利于煤層氣的吸附保存,滲透率較高,是體含量(圖2)。煤層氣勘探開(kāi)發(fā)首選區;可通過(guò)壓裂技術(shù)增加其滲透率,所以在中高煤階煤中進(jìn)行煤層氣勘探開(kāi)發(fā)是-，乙烷首選;高煤階煤中的煤層氣雖然含氣量較大,但其滲透率不高,可通過(guò)壓裂技術(shù)增加其滲透率,是勘探開(kāi)發(fā)的較有利區;而低煤階煤中煤層氣不利于保存,含10氣量較低.所以一般不進(jìn)行勘探開(kāi)發(fā),但有些地區由褐煤長(cháng)焰煤‘煤肥煤焦煤瘦煤貧煤雀無(wú)燜煤于煤層較厚且穩定使其煤層氣含量較大,對于這樣煤種的地區,應綜合考慮勘探開(kāi)發(fā)的影響因素。.圈2煤化程度與甲烷吸附量關(guān)系參考文獻:從圖2可以看出,不同煤階吸附甲烷氣體也有[1] 暢起,韓德馨.煤田地質(zhì)基礎理論[M].北京:煤炭工業(yè)出版2個(gè)高峰值:①發(fā)生在長(cháng)焰煤一氣煤轉型期;②發(fā)生社,1979.在貧煤一半無(wú)煙煤階段。[2]秦勇,曾勇. 媒層甲烷儲層評價(jià)及生產(chǎn)技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1996.4結語(yǔ)[3] 張慧.李小彥 .劉玉霞.中國煤的掃措電子顯微鏡研究[M].北京:地質(zhì)出版社,2003. .(1)從生氣量和保存條件角度來(lái)看:在褐煤階郭崇濤.堞化學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社192.段生氣量最少，約占總生氣量的10%,而且由于褐.[5] 楊誠,孟小紅,劉玉霞. 光干涉式甲烷測定器檢定裝置測量不煤埋藏淺,結構疏松,透氣性好,甲烷不易保存。在確定度評定[J].媒炭科學(xué)技術(shù),2004 ,32(4) :6768.長(cháng)焰煤一瘦煤轉型期,由于熱解作用,出現了甲烷生[6] 馬小寧 催化燃燒式甲烷測定器的原理及檢定[J].計量技術(shù)，2005<(2):4243.成量的高峰值,在貧煤半無(wú)煙煤階段,甲烷產(chǎn)出量出(責任編輯:郭海霞)(上接第8頁(yè))系式,可得到十三礦基巖中地應力值隨深度變化的計算公式。(3)十三礦在采深大于583 m、未受構造影響部(1)根據地質(zhì)構造分析法和8個(gè)點(diǎn)地應力AE中國煤化工點(diǎn),即最大主應力法測量結果,十三礦宏觀(guān)地應力場(chǎng)呈現水平最大主.為CN M H大,地應力越大:水應力方向為近北西向。平方向大土應力(中間土應刀在近北西向,最小主(2)根據測試結果,按地應力各主應力大小關(guān).應力在近北東向。(責任編輯:粱郁鑫)●19.