煤阶与煤层含气性关系研究

2009年第11期中州煤炭总第167期煤阶与煤层含气性关系研究魏思民(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京10083)摘要:介绍了煤在演化过程中的煤层气生成量,通过显微镜下煤的孔隙及在实验条件下不同煤阶中甲烷吸附量的测定得出:中高煤阶煤渗透率较好,吸附煤层气量多,是勘探开发首选;高煤阶煤渗透率不高,煤层气体含量高,可通过增产措施进行煤层气开发;低煤阶煤中煤层气含量最低,如资源丰度达到一定要求,可考虑进行开发。关键词:含气量;煤层气;煤化作用;孔隙度中團分类号:P618文献标识码:A文章编号: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煤是植物遗体经过复杂的生物、地球化学、物理关系,为煤层气选区评价提供理论指导。化学作用转变而成的。在从泥炭、褐煤到无烟煤的1 煤化作用与煤层气的生成一系列演变过程中,伴随着大量甲烷、水、二氧化碳.气体的生成,而煤作为煤层气的源岩和储集层使得煤层气在煤化作用阶段生成并在煤中储集,其煤层气得以保存。从能源、安全、环境和带动其他相生成大致经历了4个阶段(2):关产业角度考虑,煤层气的勘探开发为能源接替开第1阶段是由植物遗体向泥炭转化的过程。在辟了新途径。煤作为储集层,有着与常规天然气储此过程中,发生去羧基.脱水等作用,死亡植物失去层明显不同的特征。最重要的区别在于煤储层是一原来的形态结构,释放出甲烷、水和二氧化碳,变得种双孔隙岩层,由基质孔隙和裂隙组成。基质孔隙.更稳定,更均匀。同时碳含量不断增加,氢和氧含量和裂隙的大小、形态、孔隙度和连通性等决定了煤层不断减少。气的储集、运移和产出。因此,系统研究和认识煤中第2阶段是褐煤转型期。在这一阶段中,主要的孔隙和裂際,对于煤层气的勘探开发至关重要。是在低温( <75 C)还原环境下,厌氧细菌对沉积有现从煤在不同变质程度中甲烷生成量人手,通过显机质进行了生物化学降解作用,从而在煤中生成甲微镜下煤的孔隙研究及对不同煤阶煤样的甲烷吸附烷气体。在该阶段,生气量最少。反应过程表示为:量和含气饱和度的测定,得出煤阶与煤层含气性的中国煤化工-3CH, +2H,O收稿日期: 2009 -06-21HC NMH G化期。主要是在热作者简介:魏思民(1965-一),男,河南睢县人,注册岩土工程师,中国催化作用下,发生了各种化学变化,侧链脱落,生气量矿业大学地质I程专业在读博士.现从事地质工程研究工作。开始增加。甲烷增加量在焦煤时达到最高值;该阶段. 17.2009年第11期中州煤炭总第167期是煤层甲烷的主要生成阶段。反应过程表示为:(2)长焰煤一瘦煤中的孔隙。在显微镜下观C,Hx0)-→CsgHg0$ +CO2+ 2CH, +3H,0察,此阶段的煤中气孔发育最多。长焰煤中气孔较第4阶段是贫煤-无烟煤阶段。此阶段芳香稠发育,进入气煤阶段,气孔出现的几率最高,肥煤、焦环增大缩合程度,大部分氢侧链脱落,重烃裂解,导煤中的气孔也较多见，到瘦煤阶段气孔的可见率明致甲烷的生成。在贫煤阶段再次出现甲烷增量的相显减少。在此阶段煤中芳香层片在一定程度上出现对高峰。反应过程可用下式表示:定向,层片间交联键数目相对减少,活动性增大。由Ci,H.O一+C,H. +2CH, + H20于上覆压力不断增大,煤的孔隙度逐渐减少,水分减综_上所述,在煤变质过程中,有2个甲烷增量的.少,出现孔隙度最小值。高峰值:①肥煤焦煤时期,这一时期主要是热解作用(3)贫煤一无烟煤中的孔隙。在显微镜下观形成大量甲烷;②贫煤期,主要是裂解形成的。察,此阶段煤气芳香层片迅速增大,芳香层片间平行定向性增加。由于深度变质,有机质发生缩聚反应2不同煤阶煤的孔隙度测试从而形成大量微孔,孔大小比较均匀,气孔可见率比煤中的孔隙是煤层气生成、运移的直接见证,探较低,破裂和连通较少,故孔隙度比长焰煤--瘦煤阶讨其发育特征和形成等对煤层气生成、储集和运移.段有所增加。根据实验测定,不同煤化程度煤的孔机理研究十分重要。在晋城寺河矿、淮北许疃矿、陕径分布情况见表2。煤的孔隙度与煤化程度的关系西黄陵矿分别取煤样,按照反射率煤样制备要求进如图1所示。行粉碎和缩分,然后与虫胶依2:1混合,加热定型磨表2煤的孔体积分布 和煤化程度关系制抛光。显微镜型号Zeiss Axiosuop 40A,光度计型孔体积/(m'●十号MSP UV-VIS 2000,测试依据GB/T 6948- -1998,煤阶R../% .V在显微分光光度计下进行平均镜质组反射率测试。泥炭0.074 0.064 0.000 0. 010打开PostPro软件,估计所测煤样的镜质组反射率范0.111 0.085 0.003 0. 023围,根据实验室测试温度,对陕西黄陵矿煤样采用蓝长焰煤0.50-0.70 0.156 0.030 0.060 0. 066气煤0.70~0.90 0.144 0.035 0.065 0. 044宝石标样,对许疃矿煤样和寺河矿煤样采用钇铝石肥煤0.90~1. 200.035 0.018 0.000 0. 017榴石标样,测试过程中调整Max Standard Value 值,焦煤1.20-1.70 0.041 0.016 0.000 0. 025根据标样调整数值直至一致,之后分别对煤样进行.瘦煤1. 70-1.90 0.054 0.015 0.000 0. 039贫煤1.90-2. s00.077 0.009 0. 0100. 058测试,测试结果见表1。注:V,为孔总容积;V为粗孔容积;V2为中孔容积;V,为微孔容积表1不同矿区平均最大镜质组反射辜测试结果采样点样骨总洲平均最大镜质组粗孔容积总容积反射串/%- r中孔容机U总容职陕西黄陵矿0:73长焰煤淮北许疃矿500.870.90晋城寺河矿4.18无烟煤”.现炭褐煤长嫔煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤将不同煤阶的煤样放在电子显微镜下观察'，可以发现不同变质程度煤样的孔隙特征。團1煤的孔隙度 与煤化程度的关系(1)泥炭- -褐煤中的孔隙。在显微镜下观察,分析图1,结合显微镜观察得出:中孔在中煤阶褐煤结构疏松,原生孔隙发育,孔隙度大,气体容易煤中分布最多,长焰煤一瘦煤中气孔发育 最多,尤其流动,气孔很少。根据希尔施物理结构模型!4),在.往世和于栅煤中微孔和粗孔发育;褐煤中芳香层较小,不规则的“无定形物质”所占比未成中国煤化工育最少,但其粗孔例较大。芳香层片间有交联键,或多或少地在所有最多C N M H G高,孔隙率的变化方向上任意取向,形成多孔的立体结构,所以褐煤孔规律大致为:中间低两头高。隙度相对较大。2009年第11期魏思民:煤阶与煤层含气性关系研究总第167期现最大,随后有减少的趋势,且随着煤化程度增加,3不同煤阶煤的吸附量测定上部压力也越来越大,埋藏深度增加,有利于煤层气研究了不同煤阶煤的生成气量、孔隙度后,为了的保存。.进一步了解不同煤阶煤的开发难易程度,笔者还进(2)从孔隙度角度来看:在褐煤阶段大孔发育,行了吸附量和饱和度的测定,同时为使研究具有普孔隙度大孔隙孔道粗,其渗透率最高,有利于煤层遍性,选择了山西晋城3"煤层和潞安1"煤层的煤气的扩散运移。而在中煤阶煤阶段,中孔和微孔发样。使用密封式岩心采取器,在巷道中采取煤样送育,有利于煤层气的保存,但其孔隙度相对来说较化验室分析,求取气体的成分、体积和质量,再计算低，渗透率也较低;在高煤阶煤阶段,微孔最发育,有出煤层甲烷的相对含量。其原理是:应用破碎、密闭利于煤层气的保存,且孔隙度相对较高。加热、真空降压方法,把煤样中的甲烷全部抽出,在(3)从吸附量角度来看:在中高煤阶煤中煤层天平,上称出原始煤样和抽放后煤样的质量,二者之气吸附 量都比较多,尤其是在肥煤到半无烟煤阶段, .差即为煤样中气体的质量,同时还考虑了煤在取样在褐煤和无烟煤中的煤层气吸附量则较少。.过程中放散的甲烷气体和乙烷气体[s6)。通过测量(4)从生成气量、孔隙度和吸附量总体来看:中计算得出在标准状态下各煤阶的甲烷气体和乙烷气高煤阶煤 有利于煤层气的吸附保存,渗透率较高,是体含量(图2)。煤层气勘探开发首选区;可通过压裂技术增加其渗透率,所以在中高煤阶煤中进行煤层气勘探开发是-，乙烷首选;高煤阶煤中的煤层气虽然含气量较大,但其渗透率不高,可通过压裂技术增加其渗透率,是勘探开发的较有利区;而低煤阶煤中煤层气不利于保存,含10气量较低.所以一般不进行勘探开发,但有些地区由褐煤长焰煤‘煤肥煤焦煤瘦煤贫煤雀无燜煤于煤层较厚且稳定使其煤层气含量较大,对于这样煤种的地区,应综合考虑勘探开发的影响因素。.圈2煤化程度与甲烷吸附量关系参考文献:从图2可以看出,不同煤阶吸附甲烷气体也有[1] 畅起,韩德馨.煤田地质基础理论[M].北京:煤炭工业出版2个高峰值:①发生在长焰煤一气煤转型期;②发生社,1979.在贫煤一半无烟煤阶段。[2]秦勇,曾勇. 媒层甲烷储层评价及生产技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,1996.4结语[3] 张慧.李小彦 .刘玉霞.中国煤的扫措电子显微镜研究[M].北京:地质出版社,2003. .(1)从生气量和保存条件角度来看:在褐煤阶郭崇涛.堞化学[M].北京:化学工业出版社192.段生气量最少，约占总生气量的10%,而且由于褐.[5] 杨诚,孟小红,刘玉霞. 光干涉式甲烷测定器检定装置测量不煤埋藏浅,结构疏松,透气性好,甲烷不易保存。在确定度评定[J].媒炭科学技术,2004 ,32(4) :6768.长焰煤一瘦煤转型期,由于热解作用,出现了甲烷生[6] 马小宁 催化燃烧式甲烷测定器的原理及检定[J].计量技术，2005<(2):4243.成量的高峰值,在贫煤半无烟煤阶段,甲烷产出量出(责任编辑:郭海霞)(上接第8页)系式,可得到十三矿基岩中地应力值随深度变化的计算公式。(3)十三矿在采深大于583 m、未受构造影响部(1)根据地质构造分析法和8个点地应力AE中国煤化工点,即最大主应力法测量结果,十三矿宏观地应力场呈现水平最大主.为CN M H大,地应力越大:水应力方向为近北西向。平方向大土应力(中间土应刀在近北西向,最小主(2)根据测试结果,按地应力各主应力大小关.应力在近北东向。(责任编辑:粱郁鑫)●19.