第十一章煤的共伴生矿产

第十一章煤的共、伴生矿产煤田地质学第十一章煤的共、伴生矿产§1油页岩第十一章§1油页岩一、概述1.概念:任何一种能在热解中形成有工业意义的石油的浅成岩石，都可称为油页岩。2.特点:油页岩的矿物岩石组成是多种多样的。有些属于真正的页岩，主要由粘土矿物组成，有些则主要由石英、长石、粘土矿物等的碳酸盐岩形成。目前世界上开采的油页岩包括页岩、泥灰岩、碳酸盐岩和其它细碎屑岩。二、油页岩的组成1.主要元素:油页岩的有机质化学组成主要是碳、氢、氧、氮、硫等元素，但变化范围较大。2.油页岩中含的有机质主要是一种固态不溶物质——干酪根，它与生油岩层中的干酪根无明显差异。第十一章§1油页岩3.生油岩与油页岩的区别:①有机质丰度和演化程度有所不同。生油岩中有机质的原始丰度即使很低，只要埋藏足够深，都有可能通过运移形成有工业价值的油藏；而油页岩必须含有大量的有机物质才有工业意义。②油页岩在演化阶段上的要求与生油岩不同，对于热解时产油率高的油页岩最好是埋藏较浅的。即在深成热解开始之前，干酪根的演化未达到成熟阶段。第十一章§1油页岩三、油页岩形成的沉积环境一般认为，油页岩主要为还原环境的静水沉积，主要有以下三种沉积环境：1.大型的内陆湖成盆地：主要属于泥灰岩或泥质灰岩型，伴生沉积的还有火山凝灰岩和盐类。2.浅海陆棚环境：此种地带往往为大面积稳定薄层油页岩的形成提供了良好的条件。油页岩大多属于黏土类和硅质类型，也可以为碳酸盐岩型。世界上多为黑色页岩沉积。第十一章§1油页岩3.小型湖泊、沼泽及伴生沼泽的泻湖环境：此种地带往往形成与煤系伴生的油页岩。且大多位于煤层层位以上（图11-1）。KAnZ12345678图11-1抚顺煤田古近-新近系油页岩地质剖面1-绿色页岩及泥灰岩层；2-油页岩层（富矿）；3-油页岩层（贫矿）；4-上含煤组；5-下含煤组；6-玄武岩、凝灰岩；7-白垩系；8-逆断层AnZ第十一章§1油页岩§2煤成气及煤层气第十一章煤的共、伴生矿产第十一章§2煤成气及煤层气一、与煤层及煤系有机质有关的天然气1．煤成气含煤岩系中形成的天然气，泛称为煤成气。这一术语的涵义目前仍存在不同的认识。2．煤型气张厚福等认为煤型气是与煤系和煤层有关的天然气的总合，而煤成气是指煤系和煤层在演化过程中所形成的天然气，储集在煤层以外的空间内，煤成气属于煤型气中的一类。唐修义等认为在特定的地质条件下，煤层和煤系中分散有机质在煤化作用过程中生成的气相运移出母质储集在多孔岩层内而形成有经济价值的天然气藏，称为“煤成气”或“煤型气”。第十一章§2煤成气及煤层气3．煤层气煤层气是煤层生成的气经运移、扩散后的剩余量，包括煤层颗粒基质表面吸附气，割理、裂隙游离气，煤层水中溶解气和煤层之间薄砂岩、碳酸盐岩等储层夹层间的游离气。煤层气是一种由煤层自生自储的非常规气藏。第十一章§2煤成气及煤层气二、煤层气赋存特征由于洁净能源、煤矿安全、环境保护等多重效益，自20世纪70年代以来，煤层气日益受到各个国家的重视。美国是世界上最早、也是目前唯一实现煤层气工业性开发的国家。第十一章§2煤成气及煤层气（一）煤层气的成分及其赋存状态1.煤层气的成分煤层气的成分有甲烷、二氧化碳、氮、重烃气（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其它化合物）、氢、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、以及氦，氖、氩、氪、氙等稀有气体。其中，甲烷含量最高，可达90％以上，重烃含量一般为1％～4％至15％～20％，氮含量小于l％。由此可知，煤成气主要成分为甲烷，所以又称为煤层甲烷或煤矿瓦斯。第十一章§2煤成气及煤层气2.煤层气的赋存状态煤层气以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于煤层内。①游离状态的煤层气，游离状态的煤层气一般约占10％～20％。②吸附状态的煤层气，这种赋存状态的煤层气往往占约80％～90％。第十一章§2煤成气及煤层气③吸附-解吸动态平衡:两种状态下的煤层气，在一定的压力和温度条件下处于动平衡状态，当压力和温度变化时，彼此可以相互转化。当压力增加、温度降低时，—些游离状态的煤层气较多地变为吸附状态；反之，则相反。因此，这是一种可逆的过程。在一定条件下，被吸附的气体分子与煤的内表面脱离而呈游离状态，称作解吸。第十一章§2煤成气及煤层气吸附解吸动态平衡第十一章§2煤成气及煤层气煤层气的产出是排水降压过程，是解吸－扩散－渗流耦合、气－水两相渗流的复杂过程煤层是典型的裂隙－孔隙型储层第十一章§2煤成气及煤层气3.煤层气含量单位体积或单位重量煤内游离状态与吸附状态煤层气之和，称为煤层气含量或煤层瓦斯含量。它代表了煤化作用中产生的煤层气量与历经地质时间所丢失的煤层气量之差。在实验室条件下，煤层气含量是指标准状态下（即在0℃和760mm汞柱下）每吨或每立方米的煤内所含的煤层气量。第十一章§2煤成气及煤层气4.逸散气、解吸气和残余气煤层气是混合气而非单一甲烷气体。煤层气在煤层中的赋存状态会因外界条件的改变而发生变化，所以在测定煤的含气量时，按采集气样的过程和测定方法的不同，可划分为逸散气、解吸气和残余气。第十一章§2煤成气及煤层气①逸散气是指在采集过程中，由于压力、温度等的变化而发生解吸所逸散掉的煤层气；②解吸气是指样品在密封后，在与解吸装置连通进行解吸测定而得出解吸气量；③残余气则是指经解吸后残留的部分。第十一章§2煤成气及煤层气（二）煤层气的形成煤层气的形成主要决定于煤化作用的过程和煤的不同显微组分。1.煤化作用产生气态物质是形成煤层气的基础：煤化作用中随温度、压力的增加，煤的挥发分逐渐减少，由褐煤、烟煤到无烟煤，挥发分大约从50％降至5％左右。这些挥发分主要以CH4、CO2、H20、N2、NH4等气态产物形式逸出，形成煤成气的基础。第十一章§2煤成气及煤层气2.煤化跃变对煤层气形成起重要作用在煤化作用多次跃变中，不仅发生煤的变质，而且每次跃变都相应出现一次成气的高峰。Karweil（1969）据此提出了各阶段煤化作用的产气量（图11-2）。2070120170220270050100150200产率/(cf·t)31600320048006400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355070120150180200图11-2煤化作用中煤的产气量计算曲线(据Karweil,1969数据)甲烷二氧化碳氮-1产率/L·Kg-1第十一章§2煤成气及煤层气在全部煤化作用的过程中，煤中有机质的基本结构单元（缩合稠环芳烃体系）不断减少所带有的侧链和官能团，如羟基—OH、甲基—CH3、羧基—COOH、醚基—O—等；可形成各种挥发性产物，其中甲烷逐渐增多，特别是在烟煤转变为无烟煤的第三次跃变，释放出大量甲烷。第十一章§2煤成气及煤层气从图11-3可看出，煤化过程中产出以CH4为主的挥发性产物，同时发生芳核进一步缩合。HC2HC-CH3CH2OHHHC2CH2OHO'-HO2HC3HHCCHOHCH2-CH4HC2OHCH图11-3煤化作用（碳含量83%～92％）的反应模式示意图第十一章§2煤成气及煤层气煤化作用中不同官能团和芳核缩合程度的演化，还可从煤的红外光谱图上出现的特征性的吸收带反映出来。1.00.50.00.50.00.50.00.50.01.00.50.00.50.00.50.024681012142468101214daf89.0%daf85.0%daf81.5%daf85.5%daf70.5%daf58.1%daf57.3%daf86.0%daf95.0%daf91.2%daf93.4%daf92.5%1.51.00.50.51.51.00.50.01.00.00.50.00.50.00.50.00.5OHNHC=OOHNHC=OCH3CH2CH3C-O-CC-O-脂肪烃CHCH3CH2CH3C-O-CC-O-脂肪烃CH波长/μm芳香烃C=C-C=C芳香族稠环芳香烃C=C-C=C芳香族稠环波长/μm图11-4煤的红外光谱（据VanKrevelenandSchuyer，1957）第十一章§2煤成气及煤层气3.煤化作用中，煤的不同显微组分对成气的贡献不同Jüntgen（1966）研究了这种差异，并得出自肥煤到无烟煤阶段（Cdaf=85％～95％），类脂组、镜质组和惰性组三种不同显微组分的脱气阶段和数量均各有区别。4321085909509095859095g/100g类脂组镜质组惰性组CH4CO2图11-5煤化作用重中各有机显微组分产出的CH和CO42（据Jütgen等，1966）Cdaf/%Cdaf/%Cdaf/%CH4CH4CO2CO2第十一章§2煤成气及煤层气我国科学工作者的研究，也反映出类似的变化。即当达到一定煤化阶段后，各类组分累计产气率逐渐增高，但各自的成烃贡献不同。根据长庆石油开发设计研究院的资料，其最终产气能力比为类脂组：镜质组：惰性组=3:1:0.8。据刘德汉、傅家谟所得数据（无压真空封闭体系，温度500℃，时间ll0h的热演化产气实验），惰性组产气率为43.9ml/g，镜质组为惰性组的4.3倍，类脂组为惰性组的11倍。第十一章§2煤成气及煤层气（三）影响煤层气含量的地质因素①煤层中煤成气的形成首先决定于煤化作用程度和煤的显微组分。一般煤化程度增高，产生的煤层气增多。②煤层内的煤层气含量是游离瓦斯及吸附瓦斯量的总和，且后者是主要部分。煤吸附甲烷的能力受到许多因素的影响，其中温度的降低、水分的减低和煤化程度的增高都能促使吸附能力的增强。第十一章§2煤成气及煤层气通常，煤的瓦斯吸附能力可作为煤化程度和埋藏深度的函数。25201510501002003004005006007001234深度/m140280420560700840980压力/psi（磅/平方英寸）吸附瓦斯体积/cm/g3图11-6煤吸附瓦斯能力为煤阶与深度的函数（据Kim，1977）1－无烟煤；2－低挥发分烟煤；3－中挥发分烟煤；4－高挥发分烟煤-1第十一章§2煤成气及煤层气③煤的煤岩显微组分的不同，也影响煤的甲烷吸附能力。④煤层顶、底板岩石的透气性和厚度也是影响煤层气含量的因素之一，它对煤层瓦斯的保存和逸散起着重要作用。⑤地质构造因素的重要作用。当煤层围岩透气性小时，表现得尤为明显。煤盆地所处的大地构造位置及其构造演化对煤层气的形成和保存起了主导作用。第十一章§2煤成气及煤层气⑥煤层的赋存埋藏深度与瓦斯含量关系也较为密切。在露头附近，煤层发生风化，其分带自浅而深：第一带:为二氧化碳—氮气带，氮气占80％～90％，二氧化碳占10％～20％，没有甲烷。第二带:为甲烷—氮气带，甲烷含量少于50％，氮气大于50％。第十一章§2煤成气及煤层气第三带:为氮气—甲烷带，甲烷含量为50％～70％，氮气含量相应占50％～30％。第四带:为甲烷带，甲烷含量大于70％，其余则为氮和其它气体。⑦地下水活动强弱往往也使瓦斯含量降低或增高。第十一章§2煤成气及煤层气(四)煤层气资源的勘探开发1.勘探开发研究阶段（1）煤矿瓦斯井下抽放与油效阶段这一阶段从20世纪50年代开始，到70年代末，主要目的是为减少煤矿瓦斯灾害而进行的煤矿井下瓦斯抽放与利用。煤矿瓦斯抽放是减少矿井和采区瓦斯涌出量的有效方法，也是防止煤与瓦斯突出的主要措施之一。第十一章§2煤成气及煤层气（2）煤层气勘探开发试验初期阶段这一阶段从20世纪70年代末，到90年代初。仍以煤矿安全为主要目的，部分矿井同时进行煤层气开采试验，先后在抚顺龙凤矿、阳泉矿区、焦作中马村矿、湖南里王庙矿等打过地面钻孔40余个，并且进行了水力压裂试验和研究。这一阶段主要是借用美国的技术和经验，但对于地质条件复杂的中国含煤区不甚适用，因此未获得突破性进展。第十一章§2煤成气及煤层气（3）煤层气勘探开采试验全面展开阶段从20世纪90年代初开始至今，从优质能源的利用出发，开展了煤层气的勘探试验，取得了实质性的突破与进展。石油、煤炭、地矿系统和部分地方政府积极参与这项工作，许多国外公司也积极投资在中国进行煤层气勘探试验。1990年以来，全国已有30多个含煤区进行了煤层气勘探钻井，已钻成勘探和生产试验井119口。第十一章§2煤成