第四章煤层瓦斯赋存及煤储层物性特征

1、1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 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 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 第四节第四节 煤层瓦斯垂向分带煤层瓦斯垂向分带 第五节第五节 煤储层压力特征煤储层压力特征 第六节第六节 煤层孔隙与裂隙特征煤层孔隙与裂隙特征 第七节第七节 煤储层渗透性特征煤储层渗透性特征第八节第八节 煤储层瓦斯流动规律煤储层瓦斯流动规律 第四章第四章 煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征 2 ，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

2、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。 3 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。某些煤层瓦斯的氮气和二氧化碳含量变化很大。如江西丰城煤矿煤层气的氮气含量处于0.20%83.39%之间，二氧化碳含量处于0.02%10.12%之间。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。

3、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。4 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。5 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。壳质组通常相对富氢，是煤成油的主要显微组分，具有很高的生烃能力。有机岩石学和地球化学最新研究已证明：镜质组与型干酪根的热演化途径一致，主要生成甲烷和其他气体；镜质组富氢的某些组分亦可生成液态烃；惰质组的产气量比相同煤阶的壳质组和镜质组低。三种煤岩组分

4、的烃气产率以壳质组最高，镜质组次之，惰质组最低。 对于中、高挥发分烟煤（中变质煤），腐泥型煤（、型干酪根，主要为壳质组和富氢镜质组)能够生成湿气和液态烃，而腐殖型煤（型干酪根，主要含镜质组)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。6 干酪根（Kerogen）一词最初被用来描述苏格兰油页岩中的有机质，它经蒸馏后能产出似蜡质的粘稠石油。现在为人们所普遍接受的概念是：干酪根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。 7 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

5、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。 型干酪根：氢含量较高，但较型干酪根略低，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。 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 8（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

6、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。9（据煤层气开发的理论与实践 吴佩芳 等编著 地质出版社）乙烷及其他烃类物质图1-1 煤层气的生成过程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

7、践，2000）10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 /图 1-2 煤 化 过 程 中 生 成 的 甲 烷 气二 氧 化 碳氮甲 烷4590135180050100150200C（ 煤 层 气 开 发 的 理 论 与 实 践 吴 佩 芳 等 编 著 地 质 出 版 社 ）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）11 生物成因气由二氧化碳还原作用和有机酸发酵作用生成。通常，由二氧化碳还原作用生成的甲烷的碳同位素较轻，且富氘；由有机酸发酵作用生成的甲烷的碳同位素较重，且消耗

8、氘。 与生物成因气相比，热成因气有如下特征： 重烃一般出现在中高挥发分烟煤和煤化程度更高的煤中； 随着煤化程度的增高，重同位素13C在甲烷和乙烷中富集； 随着煤化程度的增高，甲烷也相对富集氘。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13C1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13C1值低。参照世界各地的资料可以看出，在煤阶相同或相近的情况下，13C1值较小的瓦斯，其赋存深度一般也较浅。13（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

9、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。14（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。在浅部，煤层通常为细菌繁盛的含水层，细菌影响瓦斯组成的方式有三种：厌氧菌活动导致大量生物成因气的生成并和以前生成的热成因气混合；喜氧菌优先和湿气组分发生作用，湿气大部分遭到破坏，从而使残留湿气组分的13C1值也比预期的要高；喜氧菌的活动令甲烷被氧化和消耗，使残留甲烷的13C1值增大

10、。15（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。16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 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 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 第四节第四节 煤层瓦斯垂向分带煤层瓦斯垂向分带 第五节第五节 煤储层压力特征煤储层压力特征 第六节第

11、六节 煤层孔隙与裂隙特征煤层孔隙与裂隙特征 第七节第七节 煤储层渗透性特征煤储层渗透性特征第八节第八节 煤储层瓦斯流动规律煤储层瓦斯流动规律 第四章第四章 煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征 17一、煤层瓦斯赋存状态 煤对瓦斯的吸附作用主要是物理吸附，是瓦斯分子与碳分子相互吸引的结果，如图4-3所示。在被吸附瓦斯中，人们通常把进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦斯，把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯，吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯。煤层赋存的瓦斯中，通常吸附瓦斯量占8090，游离瓦斯量占1020，吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着瓦斯量占多数。 18123451 - 吸 收 瓦 斯2

12、 - 吸 附 瓦 斯3 - 游 离 瓦 斯4 - 煤 体5 - 煤 中 孔 隙图4-3 煤体中瓦斯赋存状态（据周世宁等，1999）19 在外界条件恒定时，煤体中吸附瓦斯和游离瓦斯处于动态平衡状态，吸附瓦斯分子和游离瓦斯分子相互更替，在瓦斯缓慢的流动过程中，不存在游离瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的情况；当外界的瓦斯压力和温度发生变化或给予冲击和振荡，并影响到分子的能量时，原有平衡会被破坏，并最终形成新的平衡状态。例如，在煤与瓦斯突出（以下简称突出）过程的短暂时间内，游离瓦斯首先放散，然后吸附瓦斯迅速加以补充。201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

13、80%95%，具体比例取决于煤的变质程度和埋藏深度等因素（张新民等，1991；A.T艾鲁尼等，1987）。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1030cm3/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23倍（图4-4）2101234551015202530m 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

14、盆地中挥发分烟煤；3常规砂岩储层（孔隙度=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=22.5%，水饱和度为35%）。222 2游离态瓦斯游离态瓦斯 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，为单位质量煤的孔隙体积（cm3/g）；p为气体压力（MPa）；为第i气体的压缩系数。 iniiyKPfQ.23 煤中游离瓦斯的含量不大。据前苏联

15、科学院A.T艾鲁尼等人的资料，埋深在3001200 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。24二、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、

16、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。25 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

17、附的气体量与温度与压力有关。26 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。在煤层瓦斯地质及勘探开发中，某一温度（通常为储层温度）下煤的吸附等温线对评价煤层的最大储气能力、预测煤层瓦斯含量、确定临界解吸压力和计算煤层瓦斯理论回收率等具有重要意义。 27aaaaaP/P0P/P0P/P0P/P0P/P011111IV图4-5 吸附等温线的5种类型（据S. Brunau

18、er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28（二）煤的瓦斯吸附理论（二）煤的瓦斯吸附理论1 1单分子层吸附理论单分子层吸附理论LangmuirLangmuir方程和方程和HenryHenry公式公式 1916年，法国化学家Langmuir在研究固体表面吸附特性时，得出了单分子层吸附的状态方程，即朗格缪尔方程。随后，国内外瓦斯研究工作者经过实验和理论分析后发现，该方程同样适用于瓦斯在煤体表面的吸附，目前采用该方程式来计算煤的瓦斯吸附量。朗格缪尔方程的基本假设条件是：吸附平衡是动态平衡；固体表面是均匀的；被吸附分子间无相互作用力；吸附作用仅

19、形成单分子层。 29其数学表达式为 (4-3) 其中： 式中：a吸附常数，取决于吸附剂和吸附质的性质，表示在给定的温度下，单位质量固体的极限吸附量。对煤体吸附瓦斯而言，该值一般为1555m3/t；b吸附常数，一般为0.55.0MPa-1，取决于温度和吸附剂的性质；P吸附平衡时的瓦斯压力，MPa；V在给定温度条件下，瓦斯压力为P时单位质量固体表面吸附的瓦斯量，cm3/g；bPPbaV100NVaRTExtefZKbm30 V0标准状态下气体克分子体积，22.4升/克分子； 煤体的比表面积； N阿佛加德罗常数6.021023个/mol； 一个吸附位的面积，nm2/位； kt根据气体运动论得出的参数

20、； Zm完全的单分子层中每平方厘米所吸附的气体分子数； 解吸活化能； 和表面垂直的吸附气体的振动频率； R气体常数； T煤体的温度。 a是一个只与煤体比表面积以及被吸附气体有关的参数，不同煤样吸附量差异由a值的不同来反映。b是一个与温度、被吸附气体有关的参数，温度变化引起的吸附量变化由b值集中反映出来。不同吸附气体所引起的吸附量变化则分别反映在a、b值的不同上。31 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

21、压力，其与压力常数b的关系是PL1/b；其他符号意义同上。图4-6为 30时煤的Langmuir压力Rmax关系图。PPPVVLL32Langmuir压力/MPa Rmax/%图 1-24 Langmuir压 力 与 Rmax的 关 系 图 10.001.000.1014121086420图4-6 30 时煤的Langmuir压力与Rmax 关系图（据张新民等，2002）33 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： V=abp (4-5) 式（4-5）被称为亨利（Henry）公式，它只有在吸附剂的内表面积最多有10%被气体分

22、子覆盖时，即在平衡气体压力很低时才成立。 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Va，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中的类吸附等温线，是目前广泛应用的煤的吸附状态方程。342 2多分子层吸附理论多分子层吸附理论BETBET方程方程 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：被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间也

23、存在范德华力，发生多层吸附；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；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。35 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。0011)(PPCVCCVPPVPmm363吸附势理论RD方

24、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37 (4-7) 式中：V为吸附势能；V0为微孔体积；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类吸附

25、等温线，适合于孔径较小的物质（一般孔径为0.60.7nm），并且不易发生多层吸附或毛细凝结现象。200lnexpPPRTKVV38 4 4统计势动力学理论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

26、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39 (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；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）；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“

27、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，属前述类吸附等温线。PPLaVBPTKTKTKTPBKTPTGVPPSPN314)(ln21)(40PV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）41（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。关于煤的等温吸附特征，国内外做过大量工作。由上一节所讨论的吸附理论可知，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

28、实。煤中气体以物理吸附存在的理由主要有：甲烷的吸附热比气化热低23倍，氮气和氢气的吸附也与甲烷一样，这表明煤对气体的吸附是无选择性的；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。42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）43 煤层温度大都在1050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.

29、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类；只有少数吸附等温线属类，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。44（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：煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度；被吸附物质的性质；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。451 1瓦斯压力的影响瓦斯压力

30、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 2吸附温度的影响吸附温度的影响 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。46VL,daf/m3t-1VL,daf/m3t-1图 4-13 温度对吸附性的影响平衡水煤样Shannopin 2号矿Pittsburgh 煤层压力/MPa (b)765432102420168124050030压力/MPa (

31、a)平顶山二1煤，(气煤干燥煤样)40306420051015202530图4-9 温度对瓦斯吸附的影响（据傅雪海等，2007）473瓦斯成分的影响 矿井中的瓦斯实际上是一种以甲烷为主的混合气体。图4-10为单组分和多组分混合气体 (CO2、CH4、N2)的等温吸附实验研究结果，从图中可以看出，煤对混合气体的不同组分的吸附能力有强弱之分；当混合气体由CO2、CH4组成时，在所研究的压力范围内，煤对CO2的吸附始终大于对CH4的吸附；当混合气体由CH4和N2组成时，CH4为混合气体中的强吸附组分，决定着吸附曲线的趋向性质。等温吸附曲线显示：在吸附压力不高时，煤对混合气体的等温吸附接近强吸附组分的

32、等温吸附曲线；随着吸附压力的升高，其介于两组分之间。另外，混合气体各组分的百分比不同、分压不同，所得的吸附等温线也不同。48-13/cm .gQp/MPaN24CH + CO + 22CO2CH + CO4CH44CH + N22N168030241812 60图4-10 单组分和多组分混合气体等温吸附曲线（据何学秋，1995）49 可以认为，一方面，煤对混合气体的吸附性与混合气体中各组分的吸附性强弱有关；另一方面，煤对混合气体的吸附性与混合气体中各组分的分压有关，煤对分压大的气体组分的吸附性更大。 由分压大的强吸附气体和分压小的弱吸附气体组成的混合气体的等温吸附曲线很接近分压大的强吸附气体在

33、作为纯吸附质时的等温吸附曲线。各组分的分压变化与其吸附量的变化是不成比例的，在吸附过程中，游离相的成分会发生变化，使被吸附组分数量间的关系与原始混合气体不同，即各吸附质组分间会相互影响，但在恒温条件下，吸附量与压力之间的关系仍然可用Langmuir等温吸附的修正方程加以表示。50 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：CO2CO2+CH4 CH4CH4+N2N2。5101

34、.02.03.04.0102030瓦 斯 压 力/M Pa(a)吸附瓦斯含量/(m /t )3无 烟 煤 （ 挥 发 分 5%）44CH4C26N2C26CH4C44CO2C26CO2C4001.02.03.04.0102030瓦 斯 压 力/M Pa(b)肥 煤 （ 挥 发 分 27%）26C O2C44C O2C26C H4C44C H4C26N2C40图4-11 给定吸附气体、温度条件下的等温吸附线（据周世宁等，1999）524煤的变质程度的影响 图4-6给出了30等温吸附Langmuir体积与Rmax关系，图4-12给出了不同变质程度的煤在45时的等温吸附变化情况。 煤的变质程度对煤的

35、瓦斯生成量及比表面积有较大影响，参见图4-6，图4-12。一般情况下，从中变质烟煤到无烟煤，吸附量相应增加。0012 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 151 01 52 02 53 03 5压 力/M P a吸附量/（cm /g）34 .3 8 %1 .6 5 %3 .6 5 %1 .1 5 %2 .6 9 %1 .0 1 %2 .2 8 %0 .8 8 %1 .9 5 %0 .5 3 %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） 535 5煤中水分的影响煤中水分的影响 水分的增加会使煤的吸附能力降低（见图4-13，图4-14所示）。通常用

36、俄罗斯煤化学家艾琴格尔的经验公式来确定煤中天然水分对甲烷吸附量的影响，其计算公式为： （4-9） 式中：Xch含有水分为 W()的湿煤的甲烷吸附量，m3/t； W煤中的天然水分的质量含量，；WXXRch31. 011=1+ 0.31W1XgXchXch/Xg0.3920.4660.5180.6170.765图 2-2-5 煤 中 天 然 水 分 对 甲 烷 吸 附 量 的 影 响煤 内 天 然 水 分 质 量 含 量W1. 00.750.500.2543210图4-13 煤中天然水分对甲烷吸附量的影响（据周世宁等，1999）54图 4-14 干燥煤样与平衡水煤样等温吸附曲线对比图(据叶建平等，

37、1998)VL,daf/m3t-1河北开滦平衡水煤样干燥煤样0123546789 101214108642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 1211109876453210246810161412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）55三、煤的解吸特征三、煤的解吸特征 煤层压力降低到一定程度，煤中被吸附的甲烷开始从微孔表面分离，即发生解吸，它是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。煤层解吸特征常用可解吸率（或可解吸量）和

38、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。56（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）解吸资料多由四部分构成，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资料均由三部分构成，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。57

39、 我国煤的解吸特征变化较大。煤层甲烷解吸率介于9.1%59.0%之间。甘肃窑街煤层瓦斯中因CO2含量达25%，甲烷解吸率只有9.1%，辽河古近纪煤的甲烷解吸率为22.6%，铁法上侏罗统煤的甲烷解吸率为19.2%，西北靖远下中侏罗统煤的甲烷解吸率为29.8%，华北石炭二叠系煤的甲烷解吸率介于22.0%59%之间，云南恩洪中二叠统煤的甲烷解吸率在53%左右。58 煤层甲烷解吸率受煤层原位含气量和储层压力影响，与煤层埋藏深度有关（见图4-15，图4-16所示）。沁水盆地中南部煤层甲烷解吸率介于15.6%68.0%之间，平均为37.82%。其中3煤解吸率、解吸量基本上随埋深增加而增大，平均解析率为30

40、.9%，15煤埋深500m左右，平均解吸率为37.8%。图4-16给出了沁水盆地中南部煤层甲烷解吸率与煤层埋深关系的统计。东北铁法和西北宝积山等中生界煤层随埋深增大煤层甲烷解吸率却有明显的降低趋势，最佳解吸深度在400600m之间。由此来看，不同地区和不同时代煤层甲烷解吸率与埋深之间关系有很大差异。59图 4-17 沁水盆地中南部煤层甲烷解吸率与煤层埋深的关系15煤解吸率/%15煤埋深/m38.636.633.739.637.733.7303234363840423004005006007008003煤解吸率/%3煤埋深/m49.138.136.238.427.628.580070060050

41、04003006050403020100图4-15沁水盆地中南部煤层甲烷解吸速率与煤层埋深的关系（据傅雪海等，2007）60图 4 - 1 8 沁 水 盆 地 中 南 部 煤 层 可 解 吸 量 与 煤 层 埋 深 的 关 系8 . 8 55 . 0 64 . 76 . 2 26 . 76 . 1 28 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 0 01 21 0864201 5 煤 埋 深 / m15煤可解吸量/m3t-13 煤 埋 深 / m8 . 6 77 . 2 55 . 8 35 . 4 83 . 2 93 . 7 2024681 01 23 0 04 0 05 0 06 0

42、 07 0 08 0 03煤可解吸量/m3t-1图4-16沁水盆地中南部煤层甲烷解吸速率与煤层埋深的关系（据傅雪海等，2007）61（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，

43、但不利于气井的长期稳产。62 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：吸附时间 D扩散系数 形状因子 由下式定义： 式中：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。D1mmVaA63 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） 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

44、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l5d，黑勇士盆地为130d，北阿巴拉契亚盆地为80100d。%2 .63)%63STPV总解吸气量（121%2 .63121)(tttVVVVtttT64 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23d，二1煤层解吸时间为13h。淮南13-1煤层吸附时间为1h4.6d, 11-1煤层吸附时间为1h1.8d ，8煤层解吸时间为3h1.5d。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 h1.6d，4煤和6煤层吸附时间仅有数h。沁水盆地石炭

45、二叠系煤层的吸附时间相对较长，但也只有120d。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。65（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）。66晋 城 枣 园煤 层 ： 3 煤采 样 深 度 ： 5 1 3 . 65 1 4 . 0 m储 层 温 度 ： 2 3 解 吸 温 度 ： 2 2

46、 2 5 样 品 暴 露 时 间 ： 9 m i n损 失 量 ： 5 2 4 . 8 7 m L解 吸 气 量 ： 1 7 0 3 7 . 2 8 m L残 余 量 ： 1 6 4 3 . 5 5 m L样 品 重 量 ： 1 7 2 0 g吸 附 时 间 ： 8 . 3 6 d图 4 - 1 9 晋 城 3 煤 层 解 吸 过 程 中 解 吸 速 率 的 变 化 规 律解吸速率/mLmin-1时 间 /d1 0 01 010 . 10 . 0 10 . 0 0 101234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 1图 4-17 晋城3煤层解吸过程中解

47、吸速率的变化规律（据傅雪海等，2007）67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 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 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 第四节第四节 煤层瓦斯垂向分带煤层瓦斯垂向分带 第五节第五节 煤储层压力特征煤储层压力特征 第六节第六节 煤层孔隙与裂隙特征煤层孔隙与裂隙特征 第七节第七节 煤储层渗透性特征煤储层渗透性特征第八节第八节 煤储层瓦斯流动规律煤储层瓦斯流动规律 第四章第四章 煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征 68一、煤层瓦斯含量的基本概念一、煤层瓦斯含量

48、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。 69 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

49、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。70二、影响煤层瓦斯含量的因素二、影响煤层瓦斯含量的因素 瓦斯是地质作用的产物，瓦斯的形成和保存、运移和

50、富集与地质条件关系密切。影响瓦斯赋存和分布的主要地质因素包括：煤的变质程度、围岩条件、地质构造、煤层的埋藏深度、煤田的暴露程度、地下水活动和岩浆活动。71（一）煤的变质程度的影响（一）煤的变质程度的影响 煤化作用过程中会不断地产生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。即在其他因素恒定的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量越大。褐煤长焰煤无烟煤石墨可吸附瓦斯量生成瓦斯总量保存瓦斯量72（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

51、、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。 73（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。741 1褶皱构造褶皱构造 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

52、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。752 2断裂构造断裂构造 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：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；断层与地表或与冲积层

53、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；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；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。76 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，对瓦斯赋存产生不同的影响。焦作矿区东西向的主体构造凤凰岭断层和朱村断层，落差均在百米以上，使煤层与裂隙溶洞发育的奥陶系灰岩接触，属于开放型断层，因而断裂带附近瓦斯含量低。而

54、矿区内的一些中型断层，与煤层接触的断层另一盘岩性多为粉砂岩或泥质岩，属于封闭型断层，它们是瓦斯分带的构造边界。773 3构造组合构造组合 控制瓦斯分布的构造形迹的组合形式，大致归纳为以下3种类型：（1）逆断层边界封闭型 这一类型中，压性、压扭性逆断层常为矿井或区域的两翼边界，断层面一般相背倾斜，使整个区段处于封闭的条件之下。如内蒙古大青山煤田，南北两侧边界均为逆断层，断层面倾向相背，煤田位于逆断层的下盘，在构造组合上形成较好的封闭条件。该煤田各矿井煤层的瓦斯含量普遍高于开采同时代含煤岩系的乌海煤田和桌子山煤田。78（2）构造盖层封闭型 盖层条件，原来是就沉积盖层而言，从构造角度，也可以指构造成

55、因的盖层。如某一较大的逆掩断层，将大面积透气性差的岩层推覆到煤层或煤层附近之上，改变了原来的盖层条件，同样对瓦斯起到封闭作用。吉林通化矿区铁厂二井，北东东向的张性断层虽然有利于瓦斯排放，但煤层上覆地层被逆断层的上盘所覆盖，由于断层面及上盘地层的封闭作用，下盘煤层瓦斯大量聚集，瓦斯含量显著增高。79（3）断层块段封闭型 该类型由两组不同方向的压扭性断层在平面上组成三角形或多边形块体，块段边界为封闭型断层所圈闭。 如河北峰峰煤田，含煤岩系被晚期构造运动所产生的一系列高角度正断层切割，形成若干小型地堑或地垒构造（图4-19），构成一些有利于瓦斯储存的封闭区。当这些封闭区远离煤层露头时（如羊渠河矿、大

56、椒树矿等），即使含煤地层被抬升、埋深较浅，矿井瓦斯涌出量仍然很大。8012OQC - P羊 渠 河图4-19 峰峰煤田地质剖面略图81（四）煤层的埋藏深度的影响（四）煤层的埋藏深度的影响 在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯涌出量都与煤层埋藏深度有关。 一般而言，煤层中的瓦斯压力随着埋藏深度的增加而增大。随着瓦斯压力增加，煤与岩石中游离瓦斯量所占的比例增大，同时，煤中的吸附瓦斯逐渐趋于饱和。由此可以推断，在一定深度范围内，煤层瓦斯含量亦随埋藏深度的增大而增加；当埋藏深度继续增大时，瓦斯含量增加的幅度将会减缓。 82 个别矿井的煤层，随着煤层埋藏深度的增加瓦斯涌出量反而相对减小。如徐州

57、矿务局大黄山矿，属于低瓦斯矿井，位处较浅的煤盆地，煤层倾角大，在新、老不整合面上有厚层低透气性盖层，瓦斯主要沿煤层向地表运移。由于煤盆地范围小，深部缺乏足够的瓦斯补给，当从盆地四周由浅部向深部开采时，瓦斯涌出量随着开采深度的增加而减小。83（五）煤田暴露程度的影响（五）煤田暴露程度的影响 暴露式煤田煤系地层出露于地表，煤层瓦斯易于沿煤层露头排放。而隐伏式煤田如果盖层厚度较大，透气性又差，则煤层瓦斯保存条件好；反之，若覆盖层透气性好，容易使煤层中的瓦斯缓慢逸散，煤层瓦斯含量一般不大。 在评价一个煤田的暴露情况时，不仅要注意该煤田目前的暴露程度，还要考虑到成煤整个地质历史时期内煤系地层的暴露及瓦斯

58、风化过程的情况。 84 如红阳煤田三井开采石炭-二叠系煤层，煤层露头上部有巨厚的侏罗系及第三系和第四系沉积地层覆盖，13号煤层露头的埋藏深度达7001100m。尽管煤层埋藏深度如此巨大，接近露头部分的煤层瓦斯含量仍然很小。这主要是因为，在晚侏罗世地层覆盖之前，从晚古生代到晚侏罗世之间的漫长地质时期内，区内地壳上升，含煤地层出露地表，遭受强烈地风化剥蚀作用，晚期地层覆盖仅保存了早期存在的瓦斯分布状态 85（六）地下水活动的影响（六）地下水活动的影响 地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，运移和赋存都与煤、岩层的孔隙及裂隙通道有关。地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移，另一方面又带动溶解于

59、水中的瓦斯一起流动。尽管瓦斯在水中的溶解度仅为1%4%，但在地下水交换活跃的地区，水能从煤层中带走大量的瓦斯，使煤层瓦斯含量明显减少。同时，水吸附在裂隙和孔隙的表面，还减弱了煤对瓦斯的吸附能力。因此，地下水的活动有利于瓦斯的逸散。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种相逆的关系，常表现为水量大的地带，瓦斯量相对较小，反之亦然。86（七）岩浆活动的影响（七）岩浆活动的影响 岩浆活动对瓦斯赋存影响比较复杂。岩浆侵入含煤岩系或煤层，在岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程度升高，瓦斯的生成量和吸附能力增大。在缺少隔气盖层或封闭条件不好时，岩浆的高温作用可以强化煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。岩浆岩

60、体有时会使煤层局部被覆盖或封闭，形成隔气盖层。但在某些情况下，由于岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化作用加强，可逐渐形成裂隙通道，有利于瓦斯的排放。由此可见，岩浆活动对瓦斯赋存既有生成和保存作用，在某些条件下又会增加瓦斯逸散的可能性。因此，在研究岩浆活动对煤层瓦斯的影响时，要结合地质背景作具体分析。87 总的来看，岩浆侵入煤层有利于瓦斯生成和保存的现象比较普遍。如辽宁北票煤田的东西两翼有强烈的岩浆活动，位于煤田东翼的三宝矿一井和西翼的台吉四井，岩浆侵入体呈岩墙、岩床、岩脉和岩株等产状侵入煤系地层。其中沿煤层侵入的岩床对瓦斯赋存和煤与瓦斯突出影响显著，一是使煤层产生接触变质，进一步生成瓦斯；二是岩床位