瓦斯地质第四章.pdf

1 1 瓦瓦瓦瓦 斯斯斯斯 地地地地 质质质质 学学学学 主讲主讲1 1魏国营魏国营教授教授 主讲主讲2 2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煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征 2 3 第一节 煤层瓦斯地球化学特征第一节 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、瓦斯的化学组分一、瓦斯的化学组分一、瓦斯的化学组分 烃类气体烃类气体烃类气体烃类气体 甲烷及其同系物甲烷及其同系物甲烷及其同系物甲烷及其同系物 非烃类气体非烃类气体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。稀有气体氦、氩等。稀有气体氦、氩等。 （一）烃类气体（一）烃类气体（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煤层瓦斯地球化学特征煤层瓦斯地球化学特征 3 5 （二）非烃类气体（二）非烃类气体（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。 4 7 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（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（一）煤岩组分的影响（一）煤岩组分的影响 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。 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。 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。 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。 5 9 （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 4590135180 050100150200 C 3 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。 7 13 （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。 8 15 第一节 煤层瓦斯地球化学特征第一节 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 1 2 3 4 5 1-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） 9 17 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） 18 0 12345 5 10 15 20 25 30 m 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Φ25，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Φ22.5，水饱和度为35）。 10 19 （二）游离态瓦斯（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。 i n i iy VpKfQ ∑ . 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300～1 200 m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。 11 21 二、煤的吸附特征二、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， 因而具有吸附气体的能力。 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。 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。 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。 12 23 吸附量（V）是温度（T）和压力（p）的函 数，可表示为 VfT,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。 a a a aa P/P0 P/P0 P/P0 P/P0 P/P0 1 1 1 1 1 I V 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 13 25 （二）煤的瓦斯吸附理论（二）煤的瓦斯吸附理论 1．单分子层吸附理论1．单分子层吸附理论Langmuir方程和Henry公式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 bP Pba V ⋅⋅ 1 0 0 Nδ ∑ V a RT E x t e fZ K b m 26 Langmuir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VLa；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。 PP PV V L L 14 27 Langmuir压力/MPa Rmax/ 10.001.000.10 14 12 10 8 6 4 2 0 图4-6 30 ℃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bp项与1 相比，可以忽略不计，此时的吸附量与压力成正比。即 Vabp4-5 式（4-5）被称为亨利（Henry）公式 2气体平衡压力很高时，Langmuir方程分子中的1相对 于bp项可以忽略不计，即V＝a，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Ⅰ类吸附等 温线，是目前广泛应用的煤的吸附状态方程。 bP Pba V ⋅⋅ 1 15 29 2．多分子层吸附理论2．多分子层吸附理论BET方程BET方程 在单分子层吸附理论基础上，Brunauer、 Emmett和Teller等人于1938年提出多分子层吸附理 论，除上述Langmuir单分子层模型中的前3项假设 （即吸附是动态平衡，固体表面是均匀的，被吸附 分子间无相互作用力）外，还补充了以下假设① 被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间也存在 范德华力，发生多层吸附；②第一层的吸附热和以 后各层的吸附热不同，而第二层以上各层的吸附热 相同；③吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于 气相的表面上。虽然吸附是多分子层的，但不是第 一层吸附满时才进行第二层吸附，而是每一层都可 能有“空着”的吸附位，层是不连续的。 30 这种吸附由BET方程描述，BET方程的二常数 表达式为 4-6 式中Vm为单分子层达到饱和时的吸附量； p0为实验温度下吸附质的饱和蒸气压力；C为与吸 附热和吸附质液化热有关的系数。 多分子层吸附理论可以描述前述所有5种类型 的吸附等温线，它的一个重要用途是测定固体的 比表面积。 00 11 p p CV C CVppV p mm ⋅ − − 16 31 3．吸附势理论RD方程 吸附势理论认为，吸附是由势能引起的，在固体 表面附近存在一个势能场，即吸附势。就如同地 球存在引力场，使空气在地球表面附近包覆成大 气层一样。距离固体表面越近吸附势能越高，因 此，吸附质的浓度也越高，反之则越低。Polanyi 曾对吸附势进行了定量描述，因此这种理论有时 也被称为Polanyi吸附势理论。吸附势理论对微孔 吸附剂的等温吸附作定量描述的方程是Dubinin Radushkevich（RD）方程，即 32 4-7 式中V为吸附势能；V0为微孔体积；β为吸附质的亲 和系数；K为与孔隙结构有关的常数；p0为实验温度下吸 附质的饱和蒸气压力；R为气体常数；T为绝对温度。 吸附势模型可以描述前述Ⅱ类吸附等温线，适合于孔 径较小的物质（一般孔径为0.6～0.7nm），并且不易发生 多层吸附或毛细凝结现象。 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − 2 0 0 lnexp p pRT KVV β 17 33 4．统计势动力学理论4．统计势动力学理论多相吸附模型多相吸附模型 单分子层吸附和多分子层吸附理论是基于两相 平衡的概念，即吸附气相与游离气相之间是平衡的。 Collins则认为，煤体内部孔隙中的气体分子不是游 离的，而是处于煤分子的电磁场中。正是这种分子 力改变了微孔中流体的性质。于是，他提出四相平 衡的新吸附理论，即吸附剂外表的游离气相、单分 子层吸附相、孔隙气相和类液相（Collins，1991）。 该理论认为，气体分子与固体分子间的作用力为伦 敦分散力，气体分子之间的作用力为范德华力。 假设多孔介质为具有一定孔隙体积的固体，这 个孔隙体积由所有具有相同半径的圆筒形孔隙的集 合体组成，则较高压力下的吸附等温线方程为 4-8 式中Na为吸附剂中的气体分子数；PL为Langmuir压 力常数；G（T）为孔隙相气体密度的温度校正因子；α为 常数；VP为吸附剂孔隙体积；K为Boltzman常数；B为范德 华因子；S为吸附位总数量；T为绝对温度；（h为Plank常 数；m为气体分子量）；Σ为比表面积单位孔隙体积的表 面积。 式（4-8）中，第一项为单层吸附的分子数量，实际为 Langmuir等温吸附项；第二项为以“孔隙气”形式存在于孔隙 体积VP中的分子数量；最后一项为以“压缩”或“类液层”形式 存在的气体分子数量，压力较低时取值为零。这种吸附等 温线可用图4-7来表示，属前述Ⅱ类吸附等温线。 PP L a V BP TKT KT KT P B KT P TGV PP SP NΣ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 31 4 ln 21 λ α 18 35 P V 类液气 孔隙气 单分子层吸附气 Langmuir形式 图4-7 等温吸附条件下多孔固体中的三种相态（据傅雪海等，2007） 36 （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 很强的吸附能力，这是煤层瓦斯与常规储层储气机 理不同的物质基础。虽然人们对煤吸附气体的特征 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。因 此，可以用物理吸附模型来探讨煤吸附气体的机理。 19 37 煤层温度大都在10～50℃范围内变化，这一 温度远高于甲烷的临界温度（-82.57℃），煤的 等温吸附试验一般也是在这一温度范围内进行， 因而不易发生多层吸附；煤是一种孔隙结构比较 复杂、孔径分布较宽的多孔介质，吸附不可能只 发生在微孔结构中（A. T. 艾鲁尼，1992），即 吸附并非只以微孔充填过程为主。大量煤样的吸 附等温线属Ⅰ类；只有少数吸附等温线属Ⅱ类， 且在压力较高时才会出现，如图4-8所示。可以认 为，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。 38 总含气量 吸附气 游离气 压力 气体体积 图4-8 美国黑勇士盆地煤样的吸附等温线（据Collins，1991） 20 39 （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，即 ①煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度；②被 吸附物质的性质；③煤体吸附所处的环境条件。 煤对瓦斯的吸附是可逆的，环境条件尤为重要。 煤中瓦斯吸附量的大小主要取决于煤化变质程度、 煤中水分、瓦斯成分、瓦斯压力以及吸附平衡温 度等。 40 1．瓦斯压力的影响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。当瓦斯压力大于3.0MPa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，如图4-9示。 2．吸附温度的影响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。图4-9给出了温度对吸附性 的影响。 21 41 VL,daf/m3t-1 VL,daf/m3t-1 平衡水煤样 Shannopin 2号矿 Pittsburgh 煤层 压力/MPa b 7654 3210 24 20 16 8 12 4 0 50℃ 0℃ 30℃ 压力/MPa a 平顶山二1煤， 气煤干燥煤样 40℃ 30℃ 6 420 0 5 10 15 20 25 30 图4-9 温度对瓦斯吸附的影响（据傅雪海等，2007） 42 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 煤对气体的吸附能力煤对气体的吸附能力煤对气体的吸附能力煤对气体的吸附能力COCO 2 2 ＞＞＞＞CHCH 4 4 ＞＞＞＞N N 2 2 22 -13 /cm .gQ p/MPa N24CH CO 22CO 2CH CO4 CH4 4CH N2 2N 16 8 0 30241812 6 0 图4-11 单组分和多组分混合气体等温吸附曲线（据何学秋，1995） 从图4-11可以看出，煤对混合气体中各组分的吸附量比对该组分单独 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CO2＞CO2CH4＞CH4＞CH4 N2＞ N2。 44 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。一般情 况下，从中变质烟煤到 无烟煤，吸附量相应增 加。 0 01234 567891011 5 10 15 20 25 30 35 压力/MPa 吸附量/（cm /g） 3 4.38 1.65 3.65 1.15 2.69 1.01 2.28 0.88 1.95 0.53 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） 23 45 5．煤中水分的影响5．煤中水分的影响 水分的增加会使煤的吸附能力降低。 10.31W 1 Xg Xch Xch/Xg 0.392 0.466 0.518 0.617 0.765 煤内天然水分质量含量W 1. 0 0.75 0.50 0.25 4321 0 图4-13 煤中天然水分对甲烷吸附量的影响 46 VL,daf/m3t-1 河北开滦 平衡水煤样 干燥煤样 0123 546 789 10 12 14 10 8 6 4 2 原煤样Amoco公司 平衡水煤样Amoco公司 干燥煤样西安分院 河北大城 甲烷吸附量 甲烷吸附量VL,daf/m3t-1 压力/MPa 压力/MPa 1211109876453210 2 4 6 8 10 16 14 12 图4-14 干燥煤样与平衡水煤样等温吸附曲线对比（据叶建平等，1998） 24 47 三、煤的解吸特征三、煤的解吸特征 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。 煤层解吸特征常用可解吸率（或可解吸量）和解 吸速率衡量，解吸总量由阶段解吸量组成，解吸 速率往往采用吸附时间定量表示。 48 （一）解吸率和解吸量（一）解吸率和解吸量 我国前期煤田地质勘探资料中瓦斯（煤层气） 解吸量多由四部分构成，即损失气量（V1）、现场 两小时解吸量（V2）、真空加热脱气量（V3）和粉 碎脱气量（V4）。 通常，把损失气量与解吸气量之和与总含气量 之比称为解析率，损失气量与现场两小时解吸气量 之和为解吸量，即解吸率与实测含气量的乘积。 我国煤层气井和美国煤层气解吸量均由三部分 构成，即逸散气量、解吸气量（解吸至一周内平均 每天小于10cm3时为止）、残余气量。逸散气量、解 吸气量之和为理论可解吸量，其与总含气量之比称 为理论可解吸率。 25 49 （二）解吸时间（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，它由罐装煤样解吸试验求得。该时间参 数对给定煤样来说，与逸散气无关，即不管采用 何种方法计算逸散气量，解吸时间都是相同的。 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。 吸附时间可以通过扩散系数和煤基块甲烷量来 计算，即 4-10 式中τ吸附时间D扩散系数 σ形状因子 σ由下式定义 式中α比例系数； Am煤基质块的面积； Vm煤基质块的体积。 煤中裂隙级别较多，裂隙间距和形状因子难 于厘定，通常由煤样的自然解吸实验来确定解吸 时间。 σ τ D 1 m m V aA σ 26 ①计算累计达到总解吸气量的63.2时所对应的气 体体积 （4-11） ②计算累计达到总解吸气量的63. 2时所对应的 时间 在煤样的自然解吸实验中找到该样品累计达到 总解吸气量的63.2时所在的时间区间t1和t2，其 所对应的累计解吸量为Vt1和Vt2，则 4-12 煤层的解吸时间变化很大，最大值与最小值 可相差100倍以上。例如，美国圣胡安盆地、中阿 巴拉契亚盆地等为l～5d，黑勇士盆地为1～30d， 北阿巴拉契亚盆地为80～100d。 2 .63 63 STPV总解吸气量（ 12 1 2 .63 121 tt t VV VV tttT − − − 我国煤层解吸时间在数小时至20d之间。例 如，平顶山三9-10煤层解吸时间为2～3d，二1煤层 解吸时间为13h。淮南13-1煤层吸附时间为1h～ 4.6d, 11-1煤层吸附时间为1h～1.8d ，8煤层解 吸时间为3h～1.5d。韩城3煤层吸附时间在1d左 右，11煤层吸附时间为8h。峰峰2煤层吸附时间为 1.5 h～1.6d，4煤和6煤层吸附时间仅有数h。沁 水盆地石炭二叠系煤层的吸附时间相对较长，但 也只有1～20d。表4-1给出了我国部分煤层的解吸 时间。与美国圣胡安盆地和中阿巴拉契亚地区相 类似，煤层解吸速率较快，若为水饱和煤层，很 快就能达到较高气产量。 27 53 （三）解吸速率（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（图4-17）。 晋城枣园 煤层3煤 采样深度513.6514.0 m 储层温度23℃ 解吸温度22℃25℃ 样品暴露时间9 min 损失量524.87 mL 解吸气量17037.28 mL 残余量1643.55 mL 样品重量1720 g 吸附时间8.36 d 解吸速率/mLmin-1 时间 /d 100101 0.10.010.001 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 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） 28 55 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煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征 56 一、煤层瓦斯含量的基本概念一、煤层瓦斯含量的基本概念 煤层瓦斯含量是指单位质量的煤中所含有的 瓦斯体积（换算为标准状态下的体积），单位是 cm3/g或m3/t。煤层瓦斯含量也可用单位质量纯煤 去掉煤中水分和灰分的瓦斯体积表示，单位是 cm3/g, daf或m3/t, daf。所谓标准状态是指绝 对温度273.2K（0℃），大气压力1.013kPa （760mm汞柱）。 煤层原始瓦斯含量煤层未受采动影响而处 于原始赋存状态时，单位质量煤中所含有的瓦斯 体积（换算成标准状态下体积），称之为煤层原 始瓦斯含量，常用m3/t和cm3/g作计量单位。 第三节第三节第三节第三节煤层瓦斯含量及其影响因素煤层瓦斯含量及其影响因素煤层瓦斯含量及其影响因素煤层瓦斯含量及其影响因素 29 煤层残存瓦斯含量煤层受采动影响而涌出 一部分瓦斯后，单位质量煤中所含有的换算成标 准状态下的瓦斯体积称之为煤层残存瓦斯含量， 常用计量单位亦是m3/t和cm3/g作计量单位。 煤的可解吸瓦斯含量煤自的原始瓦斯含量 与煤层残存瓦斯含量之差称为煤的可解吸瓦斯含 量，其物理单位为m3/t或cm3/g。煤的可解吸瓦斯 含量大致代表单位质量的煤在开采过程中，在井 下可能涌出的瓦斯量。 煤的瓦斯容量煤中瓦斯压力升高时，单位 质量煤所能吸附瓦斯的最大体积（换算为标准状 态下的体积），称之为煤的瓦斯容量。瓦斯容量 与煤的变质程度有关，从褐煤到无烟煤，随着煤 的变质程度升高，瓦斯容量加大。瓦斯容量实际 上是煤对瓦斯的极限吸附量。 58 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 煤的变质程度煤的变质程度 影响煤层瓦斯含量的主要因素影响煤层瓦斯含量的主要因素 水文地质条件水文地质条件 地质构造地质构造 煤层赋存条件煤层赋存条件 煤层围岩性质煤层围岩性质 煤层有露头瓦斯易于排放，无露头瓦斯易于保存；对同一 煤层，瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量随深度加大而增大 ；在其它条件相同，同一开采深度上，煤层倾角越小，煤 层所含瓦斯越多。 煤层有露头瓦斯易于排放，无露头瓦斯易于保存；对同一 煤层，瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量随深度加大而增大 ；在其它条件相同，同一开采深度上，煤层倾角越小，煤 层所含瓦斯越多。 围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤 层瓦斯易于逸散。 围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤 层瓦斯易于逸散。 煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大。当其它条件相同 ，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。 煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大。当其它条件相同 ，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。 地下水交换活跃地区，水能从煤层中带走大量瓦斯，从而 使煤层瓦斯含量明显减少。 地下水交换活跃地区，水能从煤层中带走大量瓦斯，从而 使煤层瓦斯含量明显减少。 开放性构造是煤层有利于瓦斯的放散，因此开放性构造发 育的煤层，瓦斯含量就小；封闭性构造，阻断瓦斯放散通 道，相应煤层瓦斯含量大。 开放性构造是煤层有利于瓦斯的放散，因此开放性构造发 育的煤层，瓦斯含量就小；封闭性构造，阻断瓦斯放散通 道，相应煤层瓦斯含量大。 地层的地质史地层的地质史 煤的形成过程中，经历了漫长的地质年代，期间地层的隆 起或凹陷，覆盖地层加厚或剥蚀，陆相海相的交替变化， 遭受地质构造运动破坏影响等 煤的形成过程中，经历了漫长的地质年代，期间地层的隆 起或凹陷，覆盖地层加厚或剥蚀，陆相海相的交替变化， 遭受地质构造运动破坏影响等 30 59 （一）煤的变质程度的影响（一）煤的变质程度的影响 吸 附 瓦 斯 量 （ 吸 附 瓦 斯 量 （ m m3 3 /t/t ）石墨烟煤褐煤无烟煤）石墨烟煤褐煤无烟煤 不同变质程度煤对瓦斯的吸附能力示意图不同变质程度煤对瓦斯的吸附能力示意图 60 31 61 （二）围岩条件的影响（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。 62 （三）地质构造的影响（三）地质构造的影响 地质构造对瓦斯赋存影响较大，一方面造成 瓦斯分布不均衡，另一方面形成了瓦斯赋储存或 瓦斯排放的有利条件。不同类型的构造形迹，地 质构造的不同部位、不同力学性质和封闭情况， 形成不同的瓦斯储赋存条件。 32 63 1．褶皱构造1．褶皱构造 褶皱的类型、封闭情况和复杂程度对瓦斯赋存均 有影响。 当煤层顶板岩石透气性差，且未遭受构造破坏 时，背斜有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造，背 斜轴部的瓦斯会相对聚集，瓦斯含量增大。在向斜盆 地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直地 层方向运移比较困难，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地 表，但在盆地的边缘部分，若含煤地层暴露面积大， 则便于瓦斯排放。紧密闭褶皱地区往往瓦斯含量较 高，因为这些地区带受强烈构造作用，应力集中；同 时，发生褶皱的岩层往往塑性较强，易褶不易断，封 闭性较好，因而有利于瓦斯的聚集和保存。 64 2．断裂构造2．断裂构造 断裂构造破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯 运移条件发生变化。有的断层有利于瓦斯排放，有的 断层对抑制瓦斯排放而成为逸散的屏障。前者称为开 放型断层，后者称为封闭型断层。断层的开放性与封 闭性取决于下列条件①断层属性和力学性质，一般 张性正断层属开放型，而压性或压扭性逆断层通常具 有封闭性；②断层与地表或与冲积层的连通情况，规 模大且与地表相通或与冲积层相连的断层一般为开放 型；③断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的 岩层性质有关，若透气性好则利于瓦斯排放；④断层 带的特征、断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育 情况等都会影响到断层的开放性或封闭性。 33 65 此外，断层的空间方位对瓦斯的保存或逸散也有 影响。一般而言，走向断层能够阻隔瓦斯沿煤层倾斜 方向的逸散，而倾向和斜交断层则把煤层切割成互不 联系的块体。 不同类型的断层，形成了不同的构造边界条件， 对瓦斯赋存产生