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煤系地層中瓦斯富集規(guī)律研究

2014-05-13 17:00李少勇
科技創(chuàng)新與應用 2014年15期
關(guān)鍵詞:瓦斯研究

李少勇

摘 要:在我國煤系地層中的煤層氣的研究起步較晚,研究的程度也較淺和較片面。其主要是從煤層氣資源的勘探開發(fā)、利用方面進行研究,很少系統(tǒng)地對煤系地層中煤層氣(瓦斯)富集規(guī)律、瓦斯富集區(qū)域、瓦斯的分區(qū)和瓦斯的富集區(qū)域煤炭開采中瓦斯事故的預防進行研究。文章主要是從地質(zhì)構(gòu)造、煤的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、變質(zhì)程度等方面探討煤系地層中瓦斯的分布規(guī)律,為煤炭資源的綜合開發(fā)利用和預防提供科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞:煤系地層;瓦斯;研究

1 前沿

煤層瓦斯是我國開發(fā)和利用的主要能源之一,在我國,瓦斯資源的開發(fā)和利用占國民資源開發(fā)和利用的比例雖然不高,但它的利用價值卻非??捎^(楊孟達,2000)。理論上說,大量的煤炭資源,必然會產(chǎn)生大量的瓦斯資源。同時在煤炭資源開采過程中,常常會因為瓦斯的含量過高而引起許多的瓦斯事故,不但造成人類生命財產(chǎn)的損失,同時也造成大量的資源浪費。因此,對于瓦斯的研究就成了當今我國研究領(lǐng)域的一個比較熱門的研究點(張新民,2002)。

2 煤層的變質(zhì)程度與瓦斯的關(guān)系

在煤層的形成演化過程中,當煤進入長煙煤時就開始熱解生氣作用,從肥煤-瘦煤階段,煤層生成瓦斯的能力相對較低,而且煤儲存瓦斯的能力也相對較低,在這個階段,煤層瓦斯的生成和富集能力都比較低,在這些地區(qū)很難形成煤層氣藏富集區(qū)。從貧煤-無煙煤階段,煤的變質(zhì)程度都相對較高,煤層生成瓦斯的能力達到峰值(張洪林,2004),煤層儲存瓦斯的能力也相應增加。在這個階段,煤層瓦斯的生成和富集能力都很高,在這些地區(qū)就很容易形成高瓦斯富集區(qū)。從煤層的變質(zhì)程度分析,在我國許多地區(qū)的煤質(zhì)都較有利于瓦斯的儲存,這為瓦斯的大量富集提供有利的儲存空間。

煤層的生氣量和儲氣量能力都受煤變質(zhì)程度的控制,所有煤層的變質(zhì)程度對煤層氣藏的形成具有重要的作用。其表現(xiàn)主要有兩個方面:第一個方面,煤的變質(zhì)過程太低,不利于煤層氣藏的形成。對于未變質(zhì)階段(Rmax>0.5%)的褐煤,為生物化學生氣階段,熱解氣即將開始生成,因此煤層的含氣量不高。同時由于褐煤層和圍巖的固結(jié)程度較差,透氣性能較好,封閉能力差,致使含量很低的煤層氣大量逸散。因此褐煤很難形成有價值的煤層氣藏。但是,當煤層埋藏較深,厚度很大時,褐煤也可以形成煤層氣藏。第一個方面,煤變質(zhì)程度較高,煤層已經(jīng)失去儲氣能力,同樣不能形成煤層氣藏。超高變質(zhì)(Rmax>6%)的超無煙煤,對甲烷基本上不吸附,空隙度也很低。因而儲氣能力十分有限,同樣也不屬于儲集層范疇,所以不能形成煤層氣藏。由上述可知,低、中、高變質(zhì)的煙煤和無煙煤可以形成煤氣藏;未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價值的煤層氣藏;而超高變質(zhì)的超高無煙煤也不屬于儲集層,所以不能形成煤層氣藏。不同的煤質(zhì)對瓦斯的吸附能力是不同的,其吸附能力如圖1所示(張新民,2002)。

從圖2可以看出,隨著煤層的變質(zhì)程度的增加,煤層的吸附能力不斷增強,但當其Rmax=5%左右的時候,其吸附能力達到最大值,隨后隨著Rmax的值增加而迅速下降達到零吸附。

3 地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展對煤層氣藏的影響

3.1 褶皺

在褶皺隆起的背景下,煤層常以向斜或背斜的構(gòu)造形態(tài)賦存,因此背斜和向斜都可以形成煤層氣藏。但以背斜和向斜儲存的煤層氣藏的儲存條件是完全不一樣的。當煤盆地或礦區(qū)為單一的向斜構(gòu)造時,在同一水平上,煤層的含氣量在褶皺的轉(zhuǎn)折端減少;同時在向斜的內(nèi)部,如果沒有繼續(xù)生氣的條件,向斜軸部埋深最大處的含氣量有時會低于埋藏較淺的翼部。造成這種現(xiàn)象的原因可能是軸部位置巖層變形最大,應力最集中,多以生成張力裂隙和軸面劈理所消耗,從而為煤中的氣體運移提供了良好的通道,有利于軸部地區(qū)的煤層去氣作用的進行。

3.2 斷裂

斷裂對煤層氣藏的形成的影響比較復雜,歸結(jié)起來有兩種不同性質(zhì)的影響:一種是斷裂促使氣體沿著斷裂向地表運移,造成煤層脫氣,從而降低了煤層及其臨近的地帶的含氣性,不利于煤層氣藏的形成,這種斷層屬于導氣斷層。另一種是致密地層組成的斷層阻礙煤中氣體的運移,成了氣體向地表或別的圈閉中運移路途上的不滲透遮擋,從而提高了煤層及其鄰近地帶的含氣性,這種斷層屬于阻氣斷層。同時,斷裂作用使煤層裂縫和節(jié)理發(fā)育,有利于吸附在煤層上的瓦斯解吸,形成高煤層。

一般說來,規(guī)模較大的張性斷裂屬于導氣斷層,它降低煤層的含氣性,不利于煤層氣藏的形成和保存。擠壓作用形成的逆斷層多屬于阻氣斷層,這種斷層所產(chǎn)生的裂隙通常處于閉合狀態(tài),斷層面兩側(cè)的巖層被緊壓;另一方面,斷層的位移往往使致密的泥質(zhì)巖層與煤層的斷頭相接觸,從而阻斷了氣體沿煤層至下而上的運移。這兩種作用結(jié)合起來在很大程度上使煤層保存了較高的含氣量(郭斌武,2001)。

4 地下水的活動與瓦斯的關(guān)系

煤層氣吸附于煤的空隙表面或游離于孔隙中,由煤層裂隙網(wǎng)絡中的地下水將其封存,在一般情況下,煤層氣與地下水之間是處于動態(tài)平衡,只有在一定壓力差下,氣體才能流動。所以地下水活動對瓦斯的富集影響也是很大的,有許多的礦井,根據(jù)煤質(zhì)、煤層厚度、構(gòu)造等因素分析,瓦斯的含量應該很高,但是實測礦井瓦斯數(shù)據(jù)卻與預期的結(jié)果要低,其結(jié)果可能是因為研究區(qū)的地下水活動影響造成的結(jié)果(張建博,2000)。

5 含煤地層的巖性特征與瓦斯的關(guān)系

煤層之上存在具有一定封閉能力的巖層,可以阻擋和減緩煤層氣滲透、擴散、水溶流失等方式發(fā)生逸散,所有煤層頂?shù)装鍘r性特征決定了其封閉能力。煤層頂?shù)装鍘r性對煤層氣的封閉能力主要取決于毛細管力,毛細管力封閉是由于蓋層具有較高的毛細管阻力而阻止氣體逸散,毛細管力的大小取決于毛細管半徑的大小及其分布,而毛細管發(fā)育狀況主要受蓋層巖性、粒度、密度、致密程度等因素的影響。從對煤層氣封閉能力大小的角度分析,先將其封閉能力大小順序排列如下:油頁巖-泥巖-砂泥巖-石灰?guī)r-砂巖。油頁巖封閉性能極為良好,其分布穩(wěn)定,延伸范圍大,巖性致密堅硬。其孔隙度為3.09-6.37%,但含水和含油率比較高,水和油充滿了空隙空間,致使巖層滲透率很低,對下覆煤層中的甲烷起到了很好的封閉作用。泥巖是煤層中最常見的一種圍巖,它通常具有很好的封閉性能,具有較高的壓力,在裂縫不發(fā)育的條件下,泥質(zhì)含量大于40%的泥巖或泥質(zhì)粉砂巖的巖體滲透率變化范圍為107~109um2,具有較好的封閉性;煤系中出現(xiàn)的灰?guī)r一般主要是生物碎屑泥晶灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r及泥灰?guī)r,其孔隙度大多數(shù)小于1%,滲透率一般小于0.01×103um2,但是具有裂縫的灰?guī)r其空隙度可達4%,滲透率可達2×103um2-。因此對于灰?guī)r型圍巖進一步又可以分為兩類:第一類是指在構(gòu)造運動不強烈的地區(qū)的灰?guī)r,其裂縫溶洞均不發(fā)育,具有一定的封閉能力。第二類灰?guī)r的裂隙和巖溶較發(fā)育,導致其封閉能力大大降低。砂巖型圍巖在橫向上最不穩(wěn)定,往往很快相變?yōu)樯澳鄮r和泥巖,該類型的圍巖對煤層的封閉能力很差,往往和煤層一起構(gòu)成儲氣層。

瓦斯在煤層中要受到一定的外應力,在外應力的作用下驅(qū)使瓦斯不斷的運移和排放,其運移和排放的速度與煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性密切相關(guān)。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性大,則瓦斯就不易保存,如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性小,則瓦斯就容易保存。煤層中瓦斯高低還與煤層滲透性有關(guān),煤層大量的微裂隙發(fā)育,加大了瓦斯的儲存空間,同時就增加了瓦斯的儲存量,就容易形成高瓦斯煤層。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性雖小,但由于煤層滲透性差,煤層的儲存空間小,生成的瓦斯被吸附在煤層內(nèi)部,瓦斯很難排放出來,也形成不了高瓦斯煤層。

6 結(jié)束語

(1)瓦斯的生成量與煤層的變質(zhì)程度是成正相關(guān),低、中、高變質(zhì)的煙煤和無煙煤可以形成煤氣藏;未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價值的煤層氣藏;而超高變質(zhì)的超高無煙煤也不屬于儲集層,不能形成煤層氣藏。

(2)煤層頂?shù)装宓膸r性幾乎都是泥巖、頁巖及粘土巖,巖性的結(jié)構(gòu)特征都比較有利于瓦斯的保存;在研究區(qū)有很多的地區(qū)夾有砂巖層,砂巖也是瓦斯儲存的有利空間,其中很有可能找到適合工業(yè)開采的煤成氣資源。

(3)構(gòu)造應力作用比較強的地區(qū),煤層微裂隙系統(tǒng)發(fā)育,為吸附在煤層中的瓦斯提供了很好的運移通道,也是導致煤層中高瓦斯的重要原因。

(4)地下水對瓦斯的富集有一定的外界影響。

參考文獻

[1]楊孟達,劉新華,王瑛,等.煤礦地質(zhì)學[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[2]張新民,莊軍,張遂安. 中國煤層氣地質(zhì)與資源評價[M].北京: 科學出版社, 2002,1~10.

[3]劉洪林,李貴中,李雋.煤層氣儲量計算方法及應用[J].天然氣工業(yè),2004,24(7) : 26~28.

[4]張建博, 等. 煤層氣高產(chǎn)富集主控因素及預測方法[J].中國地質(zhì)大學,石油井測試,2000.

[5]郭斌武.構(gòu)造煤特征及其與二氧化碳突出的地質(zhì)分析[J].煤田地質(zhì)與勘探,2001,29(1).

摘 要:在我國煤系地層中的煤層氣的研究起步較晚,研究的程度也較淺和較片面。其主要是從煤層氣資源的勘探開發(fā)、利用方面進行研究,很少系統(tǒng)地對煤系地層中煤層氣(瓦斯)富集規(guī)律、瓦斯富集區(qū)域、瓦斯的分區(qū)和瓦斯的富集區(qū)域煤炭開采中瓦斯事故的預防進行研究。文章主要是從地質(zhì)構(gòu)造、煤的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、變質(zhì)程度等方面探討煤系地層中瓦斯的分布規(guī)律,為煤炭資源的綜合開發(fā)利用和預防提供科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞:煤系地層;瓦斯;研究

1 前沿

煤層瓦斯是我國開發(fā)和利用的主要能源之一,在我國,瓦斯資源的開發(fā)和利用占國民資源開發(fā)和利用的比例雖然不高,但它的利用價值卻非常可觀(楊孟達,2000)。理論上說,大量的煤炭資源,必然會產(chǎn)生大量的瓦斯資源。同時在煤炭資源開采過程中,常常會因為瓦斯的含量過高而引起許多的瓦斯事故,不但造成人類生命財產(chǎn)的損失,同時也造成大量的資源浪費。因此,對于瓦斯的研究就成了當今我國研究領(lǐng)域的一個比較熱門的研究點(張新民,2002)。

2 煤層的變質(zhì)程度與瓦斯的關(guān)系

在煤層的形成演化過程中,當煤進入長煙煤時就開始熱解生氣作用,從肥煤-瘦煤階段,煤層生成瓦斯的能力相對較低,而且煤儲存瓦斯的能力也相對較低,在這個階段,煤層瓦斯的生成和富集能力都比較低,在這些地區(qū)很難形成煤層氣藏富集區(qū)。從貧煤-無煙煤階段,煤的變質(zhì)程度都相對較高,煤層生成瓦斯的能力達到峰值(張洪林,2004),煤層儲存瓦斯的能力也相應增加。在這個階段,煤層瓦斯的生成和富集能力都很高,在這些地區(qū)就很容易形成高瓦斯富集區(qū)。從煤層的變質(zhì)程度分析,在我國許多地區(qū)的煤質(zhì)都較有利于瓦斯的儲存,這為瓦斯的大量富集提供有利的儲存空間。

煤層的生氣量和儲氣量能力都受煤變質(zhì)程度的控制,所有煤層的變質(zhì)程度對煤層氣藏的形成具有重要的作用。其表現(xiàn)主要有兩個方面:第一個方面,煤的變質(zhì)過程太低,不利于煤層氣藏的形成。對于未變質(zhì)階段(Rmax>0.5%)的褐煤,為生物化學生氣階段,熱解氣即將開始生成,因此煤層的含氣量不高。同時由于褐煤層和圍巖的固結(jié)程度較差,透氣性能較好,封閉能力差,致使含量很低的煤層氣大量逸散。因此褐煤很難形成有價值的煤層氣藏。但是,當煤層埋藏較深,厚度很大時,褐煤也可以形成煤層氣藏。第一個方面,煤變質(zhì)程度較高,煤層已經(jīng)失去儲氣能力,同樣不能形成煤層氣藏。超高變質(zhì)(Rmax>6%)的超無煙煤,對甲烷基本上不吸附,空隙度也很低。因而儲氣能力十分有限,同樣也不屬于儲集層范疇,所以不能形成煤層氣藏。由上述可知,低、中、高變質(zhì)的煙煤和無煙煤可以形成煤氣藏;未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價值的煤層氣藏;而超高變質(zhì)的超高無煙煤也不屬于儲集層,所以不能形成煤層氣藏。不同的煤質(zhì)對瓦斯的吸附能力是不同的,其吸附能力如圖1所示(張新民,2002)。

從圖2可以看出,隨著煤層的變質(zhì)程度的增加,煤層的吸附能力不斷增強,但當其Rmax=5%左右的時候,其吸附能力達到最大值,隨后隨著Rmax的值增加而迅速下降達到零吸附。

3 地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展對煤層氣藏的影響

3.1 褶皺

在褶皺隆起的背景下,煤層常以向斜或背斜的構(gòu)造形態(tài)賦存,因此背斜和向斜都可以形成煤層氣藏。但以背斜和向斜儲存的煤層氣藏的儲存條件是完全不一樣的。當煤盆地或礦區(qū)為單一的向斜構(gòu)造時,在同一水平上,煤層的含氣量在褶皺的轉(zhuǎn)折端減少;同時在向斜的內(nèi)部,如果沒有繼續(xù)生氣的條件,向斜軸部埋深最大處的含氣量有時會低于埋藏較淺的翼部。造成這種現(xiàn)象的原因可能是軸部位置巖層變形最大,應力最集中,多以生成張力裂隙和軸面劈理所消耗,從而為煤中的氣體運移提供了良好的通道,有利于軸部地區(qū)的煤層去氣作用的進行。

3.2 斷裂

斷裂對煤層氣藏的形成的影響比較復雜,歸結(jié)起來有兩種不同性質(zhì)的影響:一種是斷裂促使氣體沿著斷裂向地表運移,造成煤層脫氣,從而降低了煤層及其臨近的地帶的含氣性,不利于煤層氣藏的形成,這種斷層屬于導氣斷層。另一種是致密地層組成的斷層阻礙煤中氣體的運移,成了氣體向地表或別的圈閉中運移路途上的不滲透遮擋,從而提高了煤層及其鄰近地帶的含氣性,這種斷層屬于阻氣斷層。同時,斷裂作用使煤層裂縫和節(jié)理發(fā)育,有利于吸附在煤層上的瓦斯解吸,形成高煤層。

一般說來,規(guī)模較大的張性斷裂屬于導氣斷層,它降低煤層的含氣性,不利于煤層氣藏的形成和保存。擠壓作用形成的逆斷層多屬于阻氣斷層,這種斷層所產(chǎn)生的裂隙通常處于閉合狀態(tài),斷層面兩側(cè)的巖層被緊壓;另一方面,斷層的位移往往使致密的泥質(zhì)巖層與煤層的斷頭相接觸,從而阻斷了氣體沿煤層至下而上的運移。這兩種作用結(jié)合起來在很大程度上使煤層保存了較高的含氣量(郭斌武,2001)。

4 地下水的活動與瓦斯的關(guān)系

煤層氣吸附于煤的空隙表面或游離于孔隙中,由煤層裂隙網(wǎng)絡中的地下水將其封存,在一般情況下,煤層氣與地下水之間是處于動態(tài)平衡,只有在一定壓力差下,氣體才能流動。所以地下水活動對瓦斯的富集影響也是很大的,有許多的礦井,根據(jù)煤質(zhì)、煤層厚度、構(gòu)造等因素分析,瓦斯的含量應該很高,但是實測礦井瓦斯數(shù)據(jù)卻與預期的結(jié)果要低,其結(jié)果可能是因為研究區(qū)的地下水活動影響造成的結(jié)果(張建博,2000)。

5 含煤地層的巖性特征與瓦斯的關(guān)系

煤層之上存在具有一定封閉能力的巖層,可以阻擋和減緩煤層氣滲透、擴散、水溶流失等方式發(fā)生逸散,所有煤層頂?shù)装鍘r性特征決定了其封閉能力。煤層頂?shù)装鍘r性對煤層氣的封閉能力主要取決于毛細管力,毛細管力封閉是由于蓋層具有較高的毛細管阻力而阻止氣體逸散,毛細管力的大小取決于毛細管半徑的大小及其分布,而毛細管發(fā)育狀況主要受蓋層巖性、粒度、密度、致密程度等因素的影響。從對煤層氣封閉能力大小的角度分析,先將其封閉能力大小順序排列如下:油頁巖-泥巖-砂泥巖-石灰?guī)r-砂巖。油頁巖封閉性能極為良好,其分布穩(wěn)定,延伸范圍大,巖性致密堅硬。其孔隙度為3.09-6.37%,但含水和含油率比較高,水和油充滿了空隙空間,致使巖層滲透率很低,對下覆煤層中的甲烷起到了很好的封閉作用。泥巖是煤層中最常見的一種圍巖,它通常具有很好的封閉性能,具有較高的壓力,在裂縫不發(fā)育的條件下,泥質(zhì)含量大于40%的泥巖或泥質(zhì)粉砂巖的巖體滲透率變化范圍為107~109um2,具有較好的封閉性;煤系中出現(xiàn)的灰?guī)r一般主要是生物碎屑泥晶灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r及泥灰?guī)r,其孔隙度大多數(shù)小于1%,滲透率一般小于0.01×103um2,但是具有裂縫的灰?guī)r其空隙度可達4%,滲透率可達2×103um2-。因此對于灰?guī)r型圍巖進一步又可以分為兩類:第一類是指在構(gòu)造運動不強烈的地區(qū)的灰?guī)r,其裂縫溶洞均不發(fā)育,具有一定的封閉能力。第二類灰?guī)r的裂隙和巖溶較發(fā)育,導致其封閉能力大大降低。砂巖型圍巖在橫向上最不穩(wěn)定,往往很快相變?yōu)樯澳鄮r和泥巖,該類型的圍巖對煤層的封閉能力很差,往往和煤層一起構(gòu)成儲氣層。

瓦斯在煤層中要受到一定的外應力,在外應力的作用下驅(qū)使瓦斯不斷的運移和排放,其運移和排放的速度與煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性密切相關(guān)。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性大,則瓦斯就不易保存,如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性小,則瓦斯就容易保存。煤層中瓦斯高低還與煤層滲透性有關(guān),煤層大量的微裂隙發(fā)育,加大了瓦斯的儲存空間,同時就增加了瓦斯的儲存量,就容易形成高瓦斯煤層。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性雖小,但由于煤層滲透性差,煤層的儲存空間小,生成的瓦斯被吸附在煤層內(nèi)部,瓦斯很難排放出來,也形成不了高瓦斯煤層。

6 結(jié)束語

(1)瓦斯的生成量與煤層的變質(zhì)程度是成正相關(guān),低、中、高變質(zhì)的煙煤和無煙煤可以形成煤氣藏;未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價值的煤層氣藏;而超高變質(zhì)的超高無煙煤也不屬于儲集層,不能形成煤層氣藏。

(2)煤層頂?shù)装宓膸r性幾乎都是泥巖、頁巖及粘土巖,巖性的結(jié)構(gòu)特征都比較有利于瓦斯的保存;在研究區(qū)有很多的地區(qū)夾有砂巖層,砂巖也是瓦斯儲存的有利空間,其中很有可能找到適合工業(yè)開采的煤成氣資源。

(3)構(gòu)造應力作用比較強的地區(qū),煤層微裂隙系統(tǒng)發(fā)育,為吸附在煤層中的瓦斯提供了很好的運移通道,也是導致煤層中高瓦斯的重要原因。

(4)地下水對瓦斯的富集有一定的外界影響。

參考文獻

[1]楊孟達,劉新華,王瑛,等.煤礦地質(zhì)學[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[2]張新民,莊軍,張遂安. 中國煤層氣地質(zhì)與資源評價[M].北京: 科學出版社, 2002,1~10.

[3]劉洪林,李貴中,李雋.煤層氣儲量計算方法及應用[J].天然氣工業(yè),2004,24(7) : 26~28.

[4]張建博, 等. 煤層氣高產(chǎn)富集主控因素及預測方法[J].中國地質(zhì)大學,石油井測試,2000.

[5]郭斌武.構(gòu)造煤特征及其與二氧化碳突出的地質(zhì)分析[J].煤田地質(zhì)與勘探,2001,29(1).

摘 要:在我國煤系地層中的煤層氣的研究起步較晚,研究的程度也較淺和較片面。其主要是從煤層氣資源的勘探開發(fā)、利用方面進行研究,很少系統(tǒng)地對煤系地層中煤層氣(瓦斯)富集規(guī)律、瓦斯富集區(qū)域、瓦斯的分區(qū)和瓦斯的富集區(qū)域煤炭開采中瓦斯事故的預防進行研究。文章主要是從地質(zhì)構(gòu)造、煤的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、變質(zhì)程度等方面探討煤系地層中瓦斯的分布規(guī)律,為煤炭資源的綜合開發(fā)利用和預防提供科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞:煤系地層;瓦斯;研究

1 前沿

煤層瓦斯是我國開發(fā)和利用的主要能源之一,在我國,瓦斯資源的開發(fā)和利用占國民資源開發(fā)和利用的比例雖然不高,但它的利用價值卻非常可觀(楊孟達,2000)。理論上說,大量的煤炭資源,必然會產(chǎn)生大量的瓦斯資源。同時在煤炭資源開采過程中,常常會因為瓦斯的含量過高而引起許多的瓦斯事故,不但造成人類生命財產(chǎn)的損失,同時也造成大量的資源浪費。因此,對于瓦斯的研究就成了當今我國研究領(lǐng)域的一個比較熱門的研究點(張新民,2002)。

2 煤層的變質(zhì)程度與瓦斯的關(guān)系

在煤層的形成演化過程中,當煤進入長煙煤時就開始熱解生氣作用,從肥煤-瘦煤階段,煤層生成瓦斯的能力相對較低,而且煤儲存瓦斯的能力也相對較低,在這個階段,煤層瓦斯的生成和富集能力都比較低,在這些地區(qū)很難形成煤層氣藏富集區(qū)。從貧煤-無煙煤階段,煤的變質(zhì)程度都相對較高,煤層生成瓦斯的能力達到峰值(張洪林,2004),煤層儲存瓦斯的能力也相應增加。在這個階段,煤層瓦斯的生成和富集能力都很高,在這些地區(qū)就很容易形成高瓦斯富集區(qū)。從煤層的變質(zhì)程度分析,在我國許多地區(qū)的煤質(zhì)都較有利于瓦斯的儲存,這為瓦斯的大量富集提供有利的儲存空間。

煤層的生氣量和儲氣量能力都受煤變質(zhì)程度的控制,所有煤層的變質(zhì)程度對煤層氣藏的形成具有重要的作用。其表現(xiàn)主要有兩個方面:第一個方面,煤的變質(zhì)過程太低,不利于煤層氣藏的形成。對于未變質(zhì)階段(Rmax>0.5%)的褐煤,為生物化學生氣階段,熱解氣即將開始生成,因此煤層的含氣量不高。同時由于褐煤層和圍巖的固結(jié)程度較差,透氣性能較好,封閉能力差,致使含量很低的煤層氣大量逸散。因此褐煤很難形成有價值的煤層氣藏。但是,當煤層埋藏較深,厚度很大時,褐煤也可以形成煤層氣藏。第一個方面,煤變質(zhì)程度較高,煤層已經(jīng)失去儲氣能力,同樣不能形成煤層氣藏。超高變質(zhì)(Rmax>6%)的超無煙煤,對甲烷基本上不吸附,空隙度也很低。因而儲氣能力十分有限,同樣也不屬于儲集層范疇,所以不能形成煤層氣藏。由上述可知,低、中、高變質(zhì)的煙煤和無煙煤可以形成煤氣藏;未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價值的煤層氣藏;而超高變質(zhì)的超高無煙煤也不屬于儲集層,所以不能形成煤層氣藏。不同的煤質(zhì)對瓦斯的吸附能力是不同的,其吸附能力如圖1所示(張新民,2002)。

從圖2可以看出,隨著煤層的變質(zhì)程度的增加,煤層的吸附能力不斷增強,但當其Rmax=5%左右的時候,其吸附能力達到最大值,隨后隨著Rmax的值增加而迅速下降達到零吸附。

3 地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展對煤層氣藏的影響

3.1 褶皺

在褶皺隆起的背景下,煤層常以向斜或背斜的構(gòu)造形態(tài)賦存,因此背斜和向斜都可以形成煤層氣藏。但以背斜和向斜儲存的煤層氣藏的儲存條件是完全不一樣的。當煤盆地或礦區(qū)為單一的向斜構(gòu)造時,在同一水平上,煤層的含氣量在褶皺的轉(zhuǎn)折端減少;同時在向斜的內(nèi)部,如果沒有繼續(xù)生氣的條件,向斜軸部埋深最大處的含氣量有時會低于埋藏較淺的翼部。造成這種現(xiàn)象的原因可能是軸部位置巖層變形最大,應力最集中,多以生成張力裂隙和軸面劈理所消耗,從而為煤中的氣體運移提供了良好的通道,有利于軸部地區(qū)的煤層去氣作用的進行。

3.2 斷裂

斷裂對煤層氣藏的形成的影響比較復雜,歸結(jié)起來有兩種不同性質(zhì)的影響:一種是斷裂促使氣體沿著斷裂向地表運移,造成煤層脫氣,從而降低了煤層及其臨近的地帶的含氣性,不利于煤層氣藏的形成,這種斷層屬于導氣斷層。另一種是致密地層組成的斷層阻礙煤中氣體的運移,成了氣體向地表或別的圈閉中運移路途上的不滲透遮擋,從而提高了煤層及其鄰近地帶的含氣性,這種斷層屬于阻氣斷層。同時,斷裂作用使煤層裂縫和節(jié)理發(fā)育,有利于吸附在煤層上的瓦斯解吸,形成高煤層。

一般說來,規(guī)模較大的張性斷裂屬于導氣斷層,它降低煤層的含氣性,不利于煤層氣藏的形成和保存。擠壓作用形成的逆斷層多屬于阻氣斷層,這種斷層所產(chǎn)生的裂隙通常處于閉合狀態(tài),斷層面兩側(cè)的巖層被緊壓;另一方面,斷層的位移往往使致密的泥質(zhì)巖層與煤層的斷頭相接觸,從而阻斷了氣體沿煤層至下而上的運移。這兩種作用結(jié)合起來在很大程度上使煤層保存了較高的含氣量(郭斌武,2001)。

4 地下水的活動與瓦斯的關(guān)系

煤層氣吸附于煤的空隙表面或游離于孔隙中,由煤層裂隙網(wǎng)絡中的地下水將其封存,在一般情況下,煤層氣與地下水之間是處于動態(tài)平衡,只有在一定壓力差下,氣體才能流動。所以地下水活動對瓦斯的富集影響也是很大的,有許多的礦井,根據(jù)煤質(zhì)、煤層厚度、構(gòu)造等因素分析,瓦斯的含量應該很高,但是實測礦井瓦斯數(shù)據(jù)卻與預期的結(jié)果要低,其結(jié)果可能是因為研究區(qū)的地下水活動影響造成的結(jié)果(張建博,2000)。

5 含煤地層的巖性特征與瓦斯的關(guān)系

煤層之上存在具有一定封閉能力的巖層,可以阻擋和減緩煤層氣滲透、擴散、水溶流失等方式發(fā)生逸散,所有煤層頂?shù)装鍘r性特征決定了其封閉能力。煤層頂?shù)装鍘r性對煤層氣的封閉能力主要取決于毛細管力,毛細管力封閉是由于蓋層具有較高的毛細管阻力而阻止氣體逸散,毛細管力的大小取決于毛細管半徑的大小及其分布,而毛細管發(fā)育狀況主要受蓋層巖性、粒度、密度、致密程度等因素的影響。從對煤層氣封閉能力大小的角度分析,先將其封閉能力大小順序排列如下:油頁巖-泥巖-砂泥巖-石灰?guī)r-砂巖。油頁巖封閉性能極為良好,其分布穩(wěn)定,延伸范圍大,巖性致密堅硬。其孔隙度為3.09-6.37%,但含水和含油率比較高,水和油充滿了空隙空間,致使巖層滲透率很低,對下覆煤層中的甲烷起到了很好的封閉作用。泥巖是煤層中最常見的一種圍巖,它通常具有很好的封閉性能,具有較高的壓力,在裂縫不發(fā)育的條件下,泥質(zhì)含量大于40%的泥巖或泥質(zhì)粉砂巖的巖體滲透率變化范圍為107~109um2,具有較好的封閉性;煤系中出現(xiàn)的灰?guī)r一般主要是生物碎屑泥晶灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r及泥灰?guī)r,其孔隙度大多數(shù)小于1%,滲透率一般小于0.01×103um2,但是具有裂縫的灰?guī)r其空隙度可達4%,滲透率可達2×103um2-。因此對于灰?guī)r型圍巖進一步又可以分為兩類:第一類是指在構(gòu)造運動不強烈的地區(qū)的灰?guī)r,其裂縫溶洞均不發(fā)育,具有一定的封閉能力。第二類灰?guī)r的裂隙和巖溶較發(fā)育,導致其封閉能力大大降低。砂巖型圍巖在橫向上最不穩(wěn)定,往往很快相變?yōu)樯澳鄮r和泥巖,該類型的圍巖對煤層的封閉能力很差,往往和煤層一起構(gòu)成儲氣層。

瓦斯在煤層中要受到一定的外應力,在外應力的作用下驅(qū)使瓦斯不斷的運移和排放,其運移和排放的速度與煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性密切相關(guān)。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性大,則瓦斯就不易保存,如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性小,則瓦斯就容易保存。煤層中瓦斯高低還與煤層滲透性有關(guān),煤層大量的微裂隙發(fā)育,加大了瓦斯的儲存空間,同時就增加了瓦斯的儲存量,就容易形成高瓦斯煤層。如果煤層頂?shù)装鍘r性的滲透性雖小,但由于煤層滲透性差,煤層的儲存空間小,生成的瓦斯被吸附在煤層內(nèi)部,瓦斯很難排放出來,也形成不了高瓦斯煤層。

6 結(jié)束語

(1)瓦斯的生成量與煤層的變質(zhì)程度是成正相關(guān),低、中、高變質(zhì)的煙煤和無煙煤可以形成煤氣藏;未變質(zhì)的褐煤一般不利于形成有價值的煤層氣藏;而超高變質(zhì)的超高無煙煤也不屬于儲集層,不能形成煤層氣藏。

(2)煤層頂?shù)装宓膸r性幾乎都是泥巖、頁巖及粘土巖,巖性的結(jié)構(gòu)特征都比較有利于瓦斯的保存;在研究區(qū)有很多的地區(qū)夾有砂巖層,砂巖也是瓦斯儲存的有利空間,其中很有可能找到適合工業(yè)開采的煤成氣資源。

(3)構(gòu)造應力作用比較強的地區(qū),煤層微裂隙系統(tǒng)發(fā)育,為吸附在煤層中的瓦斯提供了很好的運移通道,也是導致煤層中高瓦斯的重要原因。

(4)地下水對瓦斯的富集有一定的外界影響。

參考文獻

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