第四章

11瓦瓦斯斯地地质质学学主讲主讲11魏国营魏国营教授教授主讲主讲22贾天让贾天让讲师讲师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23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4一、瓦斯的化学组分一、瓦斯的化学组分烃类气体烃类气体::甲烷及其同系物甲烷及其同系物非烃类气体非烃类气体::二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢和二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢和稀有气体氦、氩等。稀有气体氦、氩等。（一）烃类气体（一）烃类气体瓦斯的主要成分是甲烷瓦斯的主要成分是甲烷，其含量一般大于80%，其他烃类气体含量极少。在同一煤阶中，通常是烃类气体含量随埋藏深度的增大而增加，重烃气主要分布于未受风化的煤层中。此外，重烃含量与煤变质程度有关，通常中变质煤的重烃含量高，低、高变质煤的重烃含量低。第一节第一节煤层瓦斯地球化学特征煤层瓦斯地球化学特征35（二）非烃类气体（二）非烃类气体煤层瓦斯中非烃类气体含量通常小于20%。如美国阿巴拉契亚盆地、阿科马盆地和黑勇士盆地，其煤层瓦斯中非烃类气体含量极低，远远低于10%。非烃类气体中，氮气含量约占2/3，二氧化碳约占1/3。二氧化碳易溶于水且易被地下水带走，因而此其含量受地下水活动影响较大。此外，氮气和二氧化碳含量亦受煤层埋深和煤变质程度影响。一般而言，越靠近地表，氮气和二氧化碳的含量越高；煤变质程度越高，氮气和二氧化碳的含量越低。6二、影响瓦斯地球化学组成的地质因素二、影响瓦斯地球化学组成的地质因素瓦斯的地球化学组成主要受煤岩组分（母质）、煤阶、生气过程、埋藏深度及相应的温压条件等因素影响。此外，水动力条件和次生作用（如混合、氧化作用）等也能够影响瓦斯的地球化学组成。47干酪根（Kerogen）是沉积岩中不溶于一般有机溶剂的沉积有机质。与其相对应，岩石中可溶于有机溶剂的部分，称为沥青。I型干酪根（称为腐泥型）：以含类脂化合物为主，直链烷烃很多，多环芳烃及含氧官能团很少，具高氢低氧含量，它可以来自藻类沉积物，也可能是各种有机质被细菌改造而成，生油潜能大，每吨生油岩可生油约1.8kg。Ⅱ型干酪根：氢含量较高，但较Ⅰ型干酪根略低，为高度饱和的多环碳骨架，含中等长度直链烷烃和环烷烃较多，也含多环芳烃及杂原子官能团，来源于海相浮游生物和微生物，生油潜能中等，每吨生油岩可生油约1.2kg。Ⅲ型干酪根（称为腐殖型）：具低氢高氧含量，以含多环芳烃及含氧官能团为主，饱和烃很少，来源于陆地高等植物，对生油不利，每吨生油岩可生油约0.6kg，但可成为有利的生气来源。（一）煤岩组分的影响（一）煤岩组分的影响8（一）煤岩组分的影响（一）煤岩组分的影响99煤岩组分是煤的基本成分，是瓦斯的生气母质，它煤岩组分是煤的基本成分，是瓦斯的生气母质，它是影响瓦斯组成的首要因素。是影响瓦斯组成的首要因素。99大多数煤归类为腐殖型干酪根，其煤岩组分以镜质大多数煤归类为腐殖型干酪根，其煤岩组分以镜质组为主，并含有少量的壳质组和惰质组。组为主，并含有少量的壳质组和惰质组。99三种煤岩组分的烃气产率以壳质组最高，镜质组次三种煤岩组分的烃气产率以壳质组最高，镜质组次之，惰质组最低。之，惰质组最低。99对于中、高挥发分烟煤（中变质煤），腐泥型煤对于中、高挥发分烟煤（中变质煤），腐泥型煤（（ⅠⅠ、、ⅡⅡ型干酪根，主要为壳质组和富氢镜质组型干酪根，主要为壳质组和富氢镜质组))能够能够生成湿气和液态烃，而腐殖型煤（生成湿气和液态烃，而腐殖型煤（ⅢⅢ干酪根，主要含干酪根，主要含镜质组镜质组))则生成较干的气体。高变质煤中的瓦斯由残留则生成较干的气体。高变质煤中的瓦斯由残留干酪根和早期生成的重烃裂解而形成。干酪根和早期生成的重烃裂解而形成。59（二）煤化程度的影响煤化程度是控制气体生成量和组分的重要因素。一般而言，煤变质程度越高，生成的气体量也越多。低变质煤（亚烟煤至中挥发分烟煤)生成的热成因气以二氧化碳为主，高变质煤(低挥发分烟煤及以上煤阶的煤)生成的气体主要成分为甲烷。（三）瓦斯成因的影响瓦斯生成包括生物成因和热成因两个过程（见图4-1，图4-2）。生物成因气和热成因气在形成时间、生成温压、母质和生气机理（有无细菌活动等）方面的差异，导致这两个过程中所生成的瓦斯组成有较大差异。10乙烷及其他烃类物质褐煤亚烟煤烟煤高挥发分中挥发分低挥发分无烟煤半无烟煤/超无烟煤石墨挥发物排出热成因甲烷生物成因甲烷、氮、二氧化碳图4-1煤层瓦斯生成过程（据吴佩芳等煤层气开发理论与实践，2000）6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t/°二氧化碳氮甲烷4590135180050100150200C3产率/（m·t）-1图4-2煤化过程中生成的甲烷（据吴佩芳等，2000）12（四）煤层埋藏深度的影响煤层埋藏深度不同，瓦斯的组分也发生变化。随着煤层埋藏深度增加，煤层甲烷的同位素δ13C1值呈增大趋势。与深层瓦斯相比，浅层瓦斯为较干气体，且所含甲烷的同位素δ13C1值低。在煤阶相同或相近的情况下，δ13C1值较小的瓦斯，其赋存深度一般也较浅。（五）瓦斯的解吸和扩散煤层后期抬升，煤层压力场发生改变，瓦斯出现解吸和扩散。结构简单、分子量小、质量轻的甲烷比结构复杂、分子量大、质量重的重烃气容易解吸且解吸速度快。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。713（六）次生作用的影响瓦斯的次生作用，即对早期已生成瓦斯的改造作用。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。次生作用影响瓦斯的组成，对于浅层瓦斯而言更是如此。（七）水文地质条件的影响有些地区水动力条件对瓦斯组成的影响十分明显。如美国圣胡安盆地，其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，大气降水进入可渗透煤层，细菌随流动水一起迁移到煤层中，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。14（七）水文地质条件的影响有些地区水动力条件对瓦斯组成的影响十分明显。如美国圣胡安盆地，其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，大气降水进入可渗透煤层，细菌随流动水一起迁移到煤层中，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。815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16一、煤层瓦斯赋存状态第二节第二节煤层瓦斯赋存与瓦斯吸附解吸特征煤层瓦斯赋存与瓦斯吸附解吸特征123451-吸收瓦斯3-游离瓦斯4-煤体5-煤中孔隙2-吸着瓦斯图4-3煤体中瓦斯赋存状态（据周世宁等，1999）917(一)吸附态瓦斯煤层瓦斯以吸附方式储存于煤层中。经测算，吸附状态的瓦斯占煤中瓦斯总量的80%～95%，具体比例取决于煤的变质程度和埋藏深度等因素。煤是一种多孔介质，煤中的孔隙大部分是直径小于50nm的微孔，这使煤具有丰富的内表面积，形成煤较高的表面吸引力，所以煤具有很强的储气能力。我国中、高变质程度烟煤和无烟煤的实测煤层瓦斯含量（干燥无灰基）为10～30cm3/g，最高可达36cm3/g，甚至更高。据测算，煤层储气能力是同体积常规砂岩储气能力的2～3倍（图4-4）1801234551015202530m气/m储层33图4-4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Φ=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Φ=22.5%，水饱和度为35%）。1019（二）游离态瓦斯在气饱和的情况下，煤的孔隙和裂隙中充满着处于游离状态的瓦斯。这部分气体服从一般气体状态方程，因分子热运动显现出气体压力。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，即：（4-1）式中：Qy为游离气含量（cm3/g）；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。iniiyVpKfQ∑=.20煤中游离瓦斯的含量不大。据前苏联科学院A.T．艾鲁尼等人的资料，埋深在300～1200m范围内的中变质煤，其游离瓦斯仅占总含气量的5%～12%。煤体内瓦斯的赋存状态不仅有吸附态和游离态，还包含有瓦斯的液态和固溶体状态。但是，由于吸附态和游离态瓦斯所占的比例在85％以上，正常情况下，整体所表现出的特征仍是吸附和游离状态瓦斯的赋存特征。1121二、煤的吸附特征（一）吸附类型9煤是一种多孔的固体介质，具有很大的内表面积，因而具有吸附气体的能力。9所谓吸附，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。9吸附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。9大量研究表明，煤对气体的吸附以物理吸附为主体。22吸附平衡：在一个封闭系统里，固体颗粒表面同时进行着吸附和解吸两种相反的过程，即一部分气体由于吸引力而被吸留在表面而成吸附气相；被吸附住的气体分子，在热运动和振动的作用下，其动能增加到足以克服吸引力的束缚时，就会离开表面而重新进入游离气相。当这两种作用的速度相等（即单位时间内被固体颗粒表面吸留的气体分子数等于离开表面的分子数）时，颗粒表面上的气体分子数目就维持在某一个定量，此时称为吸附平衡。这是一种动态平衡，所达到的状态即为平衡状态。在平衡状态时，吸附剂所吸附的气体量与温度与压力有关。1223吸附量（V）是温度（T）和压力（p）的函数，可表示为：V=f(T,p)(4-2)在上述函数关系式中，当温度恒定时，称为吸附等温线；当压力恒定时，称为吸附等压线。最常用的是吸附等温线，即在某一固定温度下，达到吸附平衡时，吸附量（V）与游离气相压力（p）之间的关系曲线。aaaaaP/P0P/P0P/P0P/P0P/P011111IV图4-5吸附等温线的5种类型（据S.Brunauer等，1940；转引自严继民等，1986）P0为吸附质在温度T时的饱和蒸气压；P/P0为相对压力1325（二）煤的瓦斯吸附理论1．单分子层吸附理论—Langmuir方程和Henry公式朗格缪尔方程的基本假设条件是：①吸附平衡是动态平衡；②固体表面是均匀的；③被吸附分子间无相互作用力；④吸附作用仅形成单分子层。其数学表达式为(4-3)其中：bPPbaV+⋅⋅=100Nδ∑=VaRTExtefZKbm=26Langmuir方程的另一种表达方式是(4-4)式中：VL为Langmuir体积（cm3/g），其物理意义与a值相同，即VL=a；PL为Langmuir压力（MPa），代表吸附量达到Langmuir体积的一半时所对应的平衡气体压力，其与压力常数b的关系是PL＝1/b；其他符号意义同上。图4-6为30℃时煤的Langmuir压力－Rmax关系图。PPPVVLL+=1427Langmuir压力/MPaRmax/%10.001.000.1014121086420图4-630℃时煤的Langmuir压力与Rmax关系图（据张新民等，2002）28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方程分母中的b·p项与1相比