地质因素对煤层气赋存的影响 资源环境与城乡规划管理 毕业论文

1、PAGE PAGE 41地质因素对煤层气赋存的影响摘 要近年来，我国经济结构不断优化，作为能源市场重要组成部分的天然气市场发展迅速。但由于我国煤层气产业化尚处于起步阶段，而且我国煤层气普遍存在低渗、低储层压力和低饱和度的“三低”不利条件，虽然煤层埋深、吨煤含气量以及煤层厚度均比较理想，多数项目仍然面临如何稳定与提高单井产量的技术难题，因此寻求科学的煤层气产业化途径是我国面临的一项迫切而艰巨的任务，搞清楚各种地质因素对煤层气赋存的影响就显得尤为重要。本文系统地阐述了煤层气的概念、类型、特性及其赋存状态，以及目前对煤层气藏的各种认识及其成因。通过对各种地质因素的探讨，重点分析了地质构造和水文地质条

2、件对煤层气赋存的影响，主要是褶皱和断裂这两种构造以及地下水对煤层气赋存的影响。最后对地质因素对煤层气赋存和开发利用的关联性做了分析，使得这些主要地质控制因素能够在实际生产中得到保证，这样就大大降低煤层气勘探风险，对煤层气的开采和开发具有重要的指导意义。关键词：煤层气；赋存状态；水文地质；褶皱；断裂Geological Influence on Occurrence of Coal Bed MethaneAbstractCurrently, with the increasing optimization of our countrys economic structure, the natur

3、al gas market is developing fast, as an essential part of the energy market. However, because the industrialization of coal bed methane in China is at the primary stage, and three disadvantages such as low permeability, low storage pressure and low saturation commonly exist, many projects are faced

4、with the technical problems of how to stabilize and increase the production per well in spite of a little satisfaction of the depth of coal bed, gas content per ton and thickness of coal bed; thus, it is an urgent and formidable mission for our country to seek the scientific industrialization of coa

5、l bed methane and what seems perfectly important is to figure out geological influence on the occurrence of coal bed methane. In the thesis, the concept, category, characteristics of coal bed methane and state of the occurrence are systematically elaborated as well as all kinds of present thoughts a

6、nd causes of formation of gas accumulation of coal bed; geological factors are explored and emphasis is put upon the analysis of the geological structure and hydro geological factors influences on the occurrence of coal bed methane, in particular, ground water and structures like fold and fracture;

7、finally, the connection between geological elements and the occurrence, exploration and use of coal bed is made an analysis of, which guarantees the main geological factors in practical production, to great extent, reduces the risk of prospecting coal bed methane and consequently, is of great signif

8、icance in guiding exploitation and development of coal bed methane.Key words: coal bed methane; occurrence; hydro geological; fold; fracture 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc201541977 摘 要 PAGEREF _Toc201541977 h I HYPERLINK l _Toc201541978 Abstract PAGEREF _Toc201541978 h II HYPERLINK l _Toc20154

9、1979 1 绪论 PAGEREF _Toc201541979 h 1 HYPERLINK l _Toc201541980 PAGEREF _Toc201541980 h 1 HYPERLINK l _Toc201541981 PAGEREF _Toc201541981 h 2 HYPERLINK l _Toc201541982 1.3 煤层气资源勘探开发前景 PAGEREF _Toc201541982 h 2 HYPERLINK l _Toc201541983 1.4 本文主要内容 PAGEREF _Toc201541983 h 3 HYPERLINK l _Toc201541984 2 煤

10、层气概况 PAGEREF _Toc201541984 h 4 HYPERLINK l _Toc201541985 PAGEREF _Toc201541985 h 4 HYPERLINK l _Toc201541986 PAGEREF _Toc201541986 h 4 HYPERLINK l _Toc201541987 PAGEREF _Toc201541987 h 4 HYPERLINK l _Toc201541988 PAGEREF _Toc201541988 h 4 HYPERLINK l _Toc201541989 PAGEREF _Toc201541989 h 5 HYPERLINK

11、 l _Toc201541990 PAGEREF _Toc201541990 h 5 HYPERLINK l _Toc201541991 2.3.1 煤层气藏的定义 PAGEREF _Toc201541991 h 5 HYPERLINK l _Toc201541992 2.3.2 煤层气藏的成因 PAGEREF _Toc201541992 h 6 HYPERLINK l _Toc201541993 PAGEREF _Toc201541993 h 8 HYPERLINK l _Toc201541994 PAGEREF _Toc201541994 h 10 HYPERLINK l _Toc2015

12、41995 PAGEREF _Toc201541995 h 10 HYPERLINK l _Toc201541996 2.5.2 煤层气的流动 PAGEREF _Toc201541996 h 11 HYPERLINK l _Toc201541997 2.5.3 煤层气吸附等温线 PAGEREF _Toc201541997 h 12 HYPERLINK l _Toc201541998 2.5.4 渗透率 PAGEREF _Toc201541998 h 13 HYPERLINK l _Toc201541999 PAGEREF _Toc201541999 h 14 HYPERLINK l _Toc2

13、01542000 3 主要地质因素对煤层气生成赋存影响分析 PAGEREF _Toc201542000 h 16 HYPERLINK l _Toc201542001 PAGEREF _Toc201542001 h 16 HYPERLINK l _Toc201542002 PAGEREF _Toc201542002 h 16 HYPERLINK l _Toc201542003 PAGEREF _Toc201542003 h 17 HYPERLINK l _Toc201542004 PAGEREF _Toc201542004 h 20 HYPERLINK l _Toc201542005 PAGER

14、EF _Toc201542005 h 22 HYPERLINK l _Toc201542006 PAGEREF _Toc201542006 h 23 HYPERLINK l _Toc201542007 3.3 地质构造对煤层气生成赋存的意义 PAGEREF _Toc201542007 h 24 HYPERLINK l _Toc201542008 4 水文地质对煤层气的影响 PAGEREF _Toc201542008 h 25 HYPERLINK l _Toc201542009 4.1 地下水的类型及含水特征 PAGEREF _Toc201542009 h 25 HYPERLINK l _Toc

15、201542010 4.1.1 包气带水定义及其特征 PAGEREF _Toc201542010 h 25 HYPERLINK l _Toc201542011 4.1.2 潜水定义及其特征 PAGEREF _Toc201542011 h 26 HYPERLINK l _Toc201542012 4.1.3 承压水定义及其特征 PAGEREF _Toc201542012 h 26 HYPERLINK l _Toc201542013 4.1.4 孔隙水定义及其特征 PAGEREF _Toc201542013 h 27 HYPERLINK l _Toc201542014 4.1.5 裂隙水定义及其特

16、征 PAGEREF _Toc201542014 h 28 HYPERLINK l _Toc201542015 4.1.6 岩溶水定义及其特征 PAGEREF _Toc201542015 h 28 HYPERLINK l _Toc201542016 4.2 地下水对煤层气赋存的影响 PAGEREF _Toc201542016 h 29 HYPERLINK l _Toc201542017 4.2.1 水力运移逸散作用 PAGEREF _Toc201542017 h 30 HYPERLINK l _Toc201542018 4.2.2 水力封闭控气作用 PAGEREF _Toc201542018 h

17、 31 HYPERLINK l _Toc201542019 4.2.3 水力封堵控气作用 PAGEREF _Toc201542019 h 32 HYPERLINK l _Toc201542020 4.3 地下水对煤层气勘探与开采的意义 PAGEREF _Toc201542020 h 32 HYPERLINK l _Toc201542021 5 地质因素对煤层气赋存和开发利用的关联性分析 PAGEREF _Toc201542021 h 34 HYPERLINK l _Toc201542022 PAGEREF _Toc201542022 h 34 HYPERLINK l _Toc201542023

18、 PAGEREF _Toc201542023 h 34 HYPERLINK l _Toc201542024 5.2.1煤层层数、煤层厚度 PAGEREF _Toc201542024 h 34 HYPERLINK l _Toc201542025 5.2.2 煤层气储层的渗透性 PAGEREF _Toc201542025 h 35 HYPERLINK l _Toc201542026 5.2.3 煤储层压力 PAGEREF _Toc201542026 h 35 HYPERLINK l _Toc201542027 5.2.4 煤层埋藏深度 PAGEREF _Toc201542027 h 35 HYPE

19、RLINK l _Toc201542028 PAGEREF _Toc201542028 h 36 HYPERLINK l _Toc201542029 5.3 二者关联性分析的意义 PAGEREF _Toc201542029 h 36 HYPERLINK l _Toc201542030 结 论 PAGEREF _Toc201542030 h 37 HYPERLINK l _Toc201542031 参考文献 PAGEREF _Toc201542031 h 39 HYPERLINK l _Toc201542032 致 谢 PAGEREF _Toc201542032 h 411 绪论煤层气是煤层在地

20、质史漫长的煤化过程中所生成的以甲烷为主的天然气，在煤矿中俗称瓦斯。它目前仍储集在煤层中，包括煤层基质表面的吸附气、煤层裂缝与割理中的游离气、煤层水中的溶解气和煤层间薄常规储层中的游离气等四大组成部分。由于煤层气主要以吸附状态赋存于煤层内表面上，故又称煤层吸附气或煤层甲烷气。煤层气是优质的化工和能源原料。煤层气具有热值高、无污染的特点。它可以用来发电，用作工业燃料、化工原料和居民生活燃料。煤层气随着煤炭的开采泄漏到大气中，会加剧全球的温室效应。而如果对煤层气进行回收利用，在采煤之前先采出煤层气，煤矿生产中的瓦斯将降低70到85。目前煤层气已经在美国、德国、俄罗斯等多个国家使用，但国内的利用率较低

21、。人们早就知道有煤层气，因为它就是煤矿采掘中令人“谈虎色变”3d。到70年代末，大规模开采煤层气资源已有了基础。1980年12月12日美国阿拉巴马州黑勇士盆地的Oak Grove煤层气田的建成投产，标志着现代煤层气工业的诞生。此后，美国煤层气工业迅速发展。1994年底，全美已有6000多口煤层气井，其中正在生产的井超过5500口，年产量逾210亿m3；剩余探明可采储量3400亿m3,约占美国天然气探明储量的8。 由于美国开发煤层气资源的成功，世界其他煤炭资源丰富的国家也开始从事这方面的研究和探索。我国的有关部门已进行了多次试验、研究和探索，取得了可喜的成果。其他为澳大利亚、加拿大、波兰、捷克、

22、俄罗斯、乌克兰、比利时和印度等国家也都进行了不同程度的研究工作和先导性试验等。澳大利亚取得的进展较为突出，近二、三年内已累计钻了60多口煤层气井，其中有的已投入生产。该国的勘探和开发工作主要集中在西南威尔士和昆士兰两州，已有多家主要的公司参与了这项工作。在我国，由于煤层气地面开发起步较晚，无论是煤层气地质学的基础理论还是勘探开发工艺，基本上是引进、消化、吸收外国的经验。地矿部、煤炭部和一些外国公司已先后进行了煤层气勘探，目前已有约百口井进行了煤层气的试验。中国石油天然气总公司新区勘探事业部于1994年专门成立了煤层气项目经理部，开展煤层气地质勘探、钻井和试气等研究工作，初步评选出我国煤层气远景

23、资源量为(2535)1012煤层气是一种非常规的天然气资源，也是一种战略的后备资源，由于世界各国对环保问题日益重视，开发煤层甲烷就提到议事日程上来，美国十多年来在煤层气勘探开发中所积累的技术和经验，以及取得的显著效益，更促使了煤层气工业在世界范围内的开展。全世界有一定煤炭资源量的国家至少有60个，煤炭的地质储量估计达131012t，如果加上低阶煤，估计可达251012t。拥有煤资源的主要国家有：俄罗斯、中国、美国、加拿大、澳大利亚和亚、欧、非的其他一些国家。据国外有关部门估算，世界煤层气资源量约有2401012m3，其中独联体171012m3，加拿大(5.6676.4)1012m3，中国(30

24、35)1.3 煤层气资源勘探开发前景我国煤层气产业化开发利用经过10多年的探索，在攻克相关技术难题后，已经在山西晋城等地取得重要进展。作为一种优质高效清洁能源，煤层气的大规模开发利用前景诱人。在国际能源局势趋紧，我国煤矿安全生产形势严峻的大背景下，应推进煤层气的产业化开发，使瓦斯成为接替煤炭、石油和天然气等常规能源的新能源资源。 随着国民经济的快速发展，我国对能源的需求越来越大。而资源赋存条件决定国内油气产量无法大幅增长，油气供应缺口急剧增大。据发展改革委能源所预测，2010年我国油气缺口将分别达到1.3亿吨和300亿立方米；2020年这两个数字将分别上升到2.2亿吨和1000亿立方米。 在这

25、样的能源背景下，需对瓦斯进行充分利用。我国煤层气资源十分丰富，是世界上继俄罗斯、加拿大之后的第三大煤层气储量国，占世界排名前12位国家资源总量的13。根据最新一轮资源评估结果，我国埋深2000米以浅的煤层气资源量达31.46万亿立方米，相当于450亿吨标煤，350亿吨标油，与陆上常规天然气资源量相当。煤矿基层技术人员和瓦斯研究专家都认为，开发洁净气体能源是我国社会经济可持续发展的需要。因此，对煤层气这一新兴产业，政府应从战略高度，在其发展初期，从科研、勘探和项目建设上提供资金和政策支持。1.4 本文主要内容本文对煤层气的成因、特性及赋存状态作了简要的概括和分析，为读者了解煤层气的状况提供了依据

26、。另外简略分析了褶皱、断裂等主要地质构造以及水文地质条件，重点分析了它们对煤层气赋存的影响，揭示了在煤层气开发过程中应该注意的问题。最后分析了地质因素对煤层气赋存和开发利用的关联性，使得煤层气能够在各种地质因素综合分析的基础上，得到更好的开发利用，真正意义上实现煤层气的价值。2 煤层气概况煤层气是煤层在形成过程中经过生物化学和热解作用所形成的以甲烷为主得烃类气体，主要以吸附状态储集于煤层中，部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中。煤层气又称煤层瓦斯或煤层甲烷，是煤层本身自生自储式非常规天然气。煤层气有两种基本的成因类型：生物成因和热成因。根据这两种成因类型可以将煤层气分为生物成因气和热成因气。生物

27、成因气是由各类微生物的一系列复杂作用过程导致有机质发生降解而形成的；而热成因气是指随着煤化作用的进行，伴随温度升高煤分子结构与成分的变化而形成的烃类气体。生物成因气体可形成于煤化作用早期阶段（泥炭-褐煤）以及煤层形成以后的构造抬升阶段，因此又可分为早期（原生）生物成因气与晚期（次生）生物成因气。早期生物成因气早期生物成因气形成于泥炭-褐煤阶段（R），由于埋藏深（400m）、温度低，热力作用尚不足以使有机质结构变化产生气体。在此阶段，有机质成分与结构的变化主要通过各类微生物参与下的生物化学反应实现。次生生物成因气在煤层后期抬升阶段，煤层中温度等环境条件又适宜微生物生存。这些微生物主要通过位于补给

28、区的煤层露头由大气降水带入，在相对低温条件下（56热成因气从烃源岩的角度，可以将煤级演化阶段分为低成熟阶段（泥炭-褐煤，RR）和高成熟阶段（贫煤-无烟煤，R）三个阶段。在低成熟阶段主要生产生物气，而真正的热成因气形成于长焰煤-无烟煤阶段。成熟阶段和高成熟阶段的产气过程分别如下：R）这一阶段的化学反应，按反应程度可以分为早、中、晚三期。R）：以含氧官能团的断裂为主，产生二氧化碳，芳烃结构上烷烃支链部分断裂形成少量的甲烷和乙烷以上的重烃。H/C变化不大，O/C由1.23急降至0.12。R）：有机质的演化主要通过树脂、孢子、角质等稳定组分的降解初期所形成的沥青的转化，以及芳核结构上烷烃支链的断裂，形

29、成富含重烃的气体，该阶段相当于生油岩高峰生油期。该阶段H/C从1.76降至0.89，O/C从0.12降至0.05，甲烷生成量高于二氧化碳，其中R为热成因甲烷大量形成的阶段。R）：沥青质、液态残余烃等较大分子烃类断裂、芳核支链进一步断裂形成含甲烷较多的气体。H/C由0.79降至0.48，O/C由0.05到0.04保持稳定。 第二，高成熟阶段（R）由于有机质芳香结构上的大部分烷烃支链在成熟阶段已消耗，化学反应由以断裂为主转向以芳香核之间的缩合为主，并由此产生大量的甲烷气体。在此阶段，有机质芳香度从0.85增至0.97，C原子几乎全部集中在芳香结构上。 煤层气藏的定义煤层气藏是在压力封闭作用下，吸附

30、煤层气达到相当数量的煤岩体或煤层，是煤层气聚集和煤层气勘探开发的基本地质单元。煤层气藏作为煤层气聚集的基本单元，现已基本达成共识，但目前对煤层气藏的概念及其分类等一些基本问题，则尚未取得一致看法。李明潮等认为，煤层气藏是煤中甲烷在具备适当外界条件时，相对集中在一定的围限内，围限内的气体富集程度、压力一般高于围限外。因此，认为煤层气藏属流体压力圈闭气藏，可细分为水压圈闭和气压圈闭两种类型，并认为煤层气藏对圈闭的要求不如常规气藏严格。钱凯等、赵庆波等以及李五忠等均认为，煤层气藏是指在压力作用下“圈闭”着一定数量气体的煤岩体，并提出了“有效煤层气藏”或“经济煤层甲烷气藏”的概念，指出有效煤层气藏是指

31、具有商业开采价值的煤层气藏。袁政文等其他一些学者也曾对煤层气藏的概念和类型等进行了探讨。认为煤层气藏主要是热成熟煤岩生成的烃(主要是甲烷)，其大部分已运移出去，仅少部分通过范德华力被吸附在煤岩基质微孔隙内表面，吸附量随压力增加而增大，随温度增高而减少。且认为煤层气藏生、储同层是受压力封闭(或圈闭)成藏，对构造圈闭条件要求不高。张建博等则认为，煤层气田是煤层气评价研究和勘探开发的基本单元，其在盆地中的位置与煤田的概念大致相当，其下再无需划分出煤层气藏，指出煤层气田应理解为具有一定规模，并具有商业开采价值的煤岩体。桑树勋等认为，煤层气藏是地层中煤层气聚集的基本单元，其形成同样需要具备煤层气聚集和圈

32、闭两个必要条件，只不过形成煤层气藏的圈闭为压力圈闭，与常规圈闭的容纳机制不同，它没有一个确定的地质边界和确定的几何形态，因而将煤层气藏理解为是煤层气发生富集的压力圈闭，并认为压力圈闭是煤层气成藏要素优化配置的结果，压力圈闭的富气程度主要受控于煤层气成藏过程匹配关系的优化。张新民等亦认为，煤层气藏是进行煤层气勘探开发的基本地质单元，但认为其定义并不建立在圈闭概念之上，指出煤层气藏是指在地层压力(水压和气压) 作用下保有一定数量气体的同一含煤地层的煤岩体，并具有独立的构造形态，它是在煤层热演化作用过程中形成的，且在后期构造运动中未被完全破坏，呈层状产出。 可见，目前对煤层气藏的认识还存在分歧。2

33、煤层气藏的成因煤层气是含煤地层中的有机质，在煤化过程中经过生物化学、热解及热裂解作用所生成的以甲烷为主的烃类气体，并以吸附状态储集于煤层中。煤层气藏的成藏因素主要包括煤层条件、压力封闭和保存条件。煤层气和煤是同体共生、共存的伴生矿藏，仅是赋存状态不同。一般只要有煤层存在，煤层中就会有一定数量煤层气的存在，这一点已被煤矿的开采所证实。同时煤层气的勘探经验和成果也证实，不是有煤层就有经济开采价值的煤层气藏。只有那些吸附相当数量煤层气的煤岩体，或者说煤层中吸附的煤层气富集到一定程度才能称之为煤层气藏。煤层需要具有较高的含气量、较好的渗透性能和完善的封盖条件，才能形成煤层气藏。煤层对甲烷的吸附能力及煤

34、层压力是煤层中吸附气量多少的主要控制因素。煤层对甲烷的吸附不仅为煤层气的富集提供了空间，而且为煤层气的富集提供能量。压力对煤层气富集的影响是明显的，一定煤阶的煤层，随压力的增大，含气量增大。压力主要作用于煤层气富集成藏的两个方面：一方面为煤层气藏提供一部分能量，增大煤层对甲烷的吸附；另一方面，维持煤层气藏能量平衡，阻止煤层气解吸、逸散。同一压力条件下，煤层的吸附性能主要取决于其所处的演化阶段和组成成分，是煤自身的特性。但自然界中吸附能力大小相差无几的煤层，含气量大小却相差悬殊。究其原因，主要是压力的差异。由煤层的顶底板岩层及煤层的水动力系统所提供的压力，是形成煤层气富集与封闭的重要因素。但从煤

35、层气形成的过程来看，煤层气有两种基本的成因类型：生物成因和热成因。第一，生物成因。以甲烷为主要成分的生物成因气，主要是在泥炭沼泽环境中通过微生物对有机质的分解作用而形成。这一生物降解过程是由一系列不同的微生物种类来完成的，每一种只在有机质的某一部分和某一阶段中起作用。依其所利用的C源，生物气的形成途径可以分为两种：一是二氧化碳还原生产甲烷；二是醋酸、甲醇和甲胺等发酵转化成甲烷。在现代的泥炭沼泽环境中，通过二氧化碳还原或甲基发酵都可形成生物气，但通过气体的化学成分分析和同位素组成研究，大部分古代的生物气是通过二氧化碳的还原产生的。近地表处的新鲜沉积物可以通过两个途径形成气体：一是甲烷菌通过辅酶M

36、活化二氧化碳和氢气，并使之形成甲基，最终还原为甲烷；二是甲烷菌使乙酸还原为甲烷。通过研究表明，生物气的形成应满足两个条件：一是要有丰富的有机质提供产气的物质基础；二是具备有利于甲烷菌繁殖的环境条件。一般在厌氧环境、低温（通常在50第二，热解作用。随着埋深的增加，温度和压力随之增加，煤层由低煤阶向高煤阶演化，也就是煤层中的挥发性物质不断降低的过程。在热力作用下，有机质中各种官能团和侧链分别按活化能大小，依次发生分解，转化为具有不同分子结构的烃类。煤层中以甲烷为主的热解烃类的生成主要是发生在高挥发分烟煤和以上的煤阶中。煤化作用不断加深的过程中，二氧化碳和水不断消耗，同时生成大量甲烷。煤化过程中形成

37、的甲烷量，由于煤的组成、煤阶等的不同，不同研究者的估计值有较大的差别，约为每克煤生成100cm3至300cm3的甲烷。随着埋深的增加煤化作用不断加深，煤化作用主要包括以下阶段：泥炭化阶段：腐殖质形成，芳构化增加；脱水阶段：湿度增加、氧碳比（O/C）减小，形成割理；中低变质作用：镜煤反射率（R0）增加，荧光强度增加，可抽汲物增加，湿度降低，强度增加；高变质作用：荧光强度降低，可抽提物分子量降低，氢碳比(H/C)减小，强度降低，割理发育；石墨化作用：氢碳比(H/C)降低，X射线衍射增强到峰值，吸附可达性增加，各向异性增加，强度增加，环构凝析作用增强，割理开始部分闭合。煤层气的生成过程与常规油气并没

38、有多大区别，均是有机质热演化过程中的产物。煤层气作为一种非常规天然气，其“非常规”性主要表现在其赋存状态的特点。众所周知，常规天然气主要以游离气存在于以砂岩为主要储集层的孔隙或裂隙中，而煤层气主要(90以上)是以吸附状态附着于煤的内表面上，只有少量的煤层气以游离态储存在煤岩的割理、裂隙和孔隙中，或溶解在煤层的水中。正是这一特殊的赋存方式，决定了煤层气在成藏方面的特殊性及其勘探、开发特点。所以说煤层气的赋存状态是其区别于常规天然气的最本质特征。目前关于煤层气的赋存状态比较一致的认识是：它以吸附态、游离态和溶解态三种形式储集在煤储层中。其中最主要的是吸附态，占95以上。溶解态煤层气储集层多是饱含水

39、的，在一定的压力条件下必定有一部分煤层气要溶解于其中，其溶解度可用亨利定律描述：Pb = Kc Cb式中：Pb溶质在液体上方的蒸气平衡分压（Pa）；Cb气体在水中的溶解度（mol/m3）；Kc亨利常数。另一种表示方法为： Cb = Pb = Kc Pb式中：Kc溶解系数。不同温度、压力和含盐度条件下甲烷在水中的溶解系数不同（见表21）。表21 甲烷在水中的溶解系数气体水含盐度（mol）温度（）压力（MPa）溶解系数甲烷蒸馏水4甲烷蒸馏水15甲烷蒸馏水17甲烷氯化钠溶液19甲烷氯化钠溶液318该定律表明，在一定温度下气体在液体中的溶解度与压力成正比，式中亨利常数取决于气体的成分和温度，同一气体在

40、不同温度下和不同气体在同一温度下，Kc都不相同。可见气体在液体中的溶解度不仅与压力有关，而且与温度有关，温度越高溶解度越小。游离态煤的孔隙或裂隙中有一部分自由气体，称游离气体。这种赋存状态的气体符合气体状态方程。对理想气体而言，其状态方程为 PV = 式中：V气体体积，cm3；M气体质量，kg；摩尔质量，kg/mol；T绝对温度，K。有些气体如H2、O2、N2和空气等，其P、V、T满足理想气体状态方程。其它许多气体却不能用上式描述，如CO2、CH4等，而是满足真实气体状态方程范德华方程。 ( P + ）（ V - b ）= RT式中：a、b常数，可由实验求得。吸附态煤层中煤层气的含量远远超过其

41、自身孔隙的容积，用溶解态和游离态难以解释这一现象，因此必定存在着其它赋存状态吸附态。吸附量与煤的比表面积、温度和压力有关。吸附态煤气层可用吸附状态方程来表达，但最直观的是吸附等温线，它描述在一定的温度下，不同压力时煤层通过吸附而存储甲烷气体的能力，即反应了等温条件下吸附量与压力的关系。由于煤层气的吸附是100的可逆过程，因此吸附等温线可以用来描述煤层气的解吸过程，预测煤层气储层在连续生产过程中由于压力下降而解吸的甲烷气量对确定开采策略有很大的帮助。 煤层气是一种非常规的天然气资源。煤层既是煤层气的生气源岩，又是其储集层。煤层气储层的特性与常规天然气藏有相似之处，但差别也很大，因此煤层气开发与开

42、采技术与常规天然气差别较大，有其自身的特点。下表（见表22）比较了煤层气储层与常规天然气藏的特性。表22 煤层气储层与常规天然气藏的特性比较常规气藏煤层气储层气体向井筒的流动符合达西流动定律气体在微孔隙内为扩散，裂隙中的流动为达西流动定律气体存储于宏观孔隙中气体以吸附的形式存储与微孔隙表面产量符合递减曲线初始产量增加，后期递减通过测井可解释气层含量通过现场解吸可确定煤层气含量气水比随时间递减开采后期，气水比随时间递增无机储集岩有机储集岩可能需要通过水力压裂作业提高产量必须进行水力压裂作业，渗透率取决于裂缝宏观孔隙尺寸1m1mm微空隙尺寸11010501010储集岩与源岩不同储集岩与源岩同层渗透

43、率与应力无关渗透率与应力有很大的关系井间干扰对生产有害井间干扰对生产有利煤层气储层的主要特性包括煤层气的吸附、扩散、气水两相达西流动等，以及储层主要参数如绝对渗透率、相对渗透率、孔隙度、可压缩性及含气量之间的关系及它们对煤层气生产的影响。2煤层气解吸特性及解吸时间煤层气的吸附属于物理现象，是100的可逆过程。在煤层气的开采过程中，当地层压力下降到临界解吸压力时，被吸的气体分子与煤层微孔隙表面脱离，进入游离状态，这一过程通常称为解吸。即解吸是煤中吸附气由于自由气体压力减小而转变成游离气体的过程，吸附解吸动态平衡结果是造成吸附量减少。煤储层解吸特性可用解吸量和解吸速率来衡量，解吸总量由阶段解吸量组

44、成，解吸速率往往采用吸附时间来定量表示。煤层气的解吸过程对煤层气的生产动态有直接的影响。甲烷气体在一定温度和压力下在地层水中具有一定的溶解度。在温度为，压力为6.895MPa 时，一桶淡水最多溶解3的甲烷气，但其溶解度随地层水的矿化度增加而下降。虽然在动态地下水系中所溶解的气体的体积很小，但煤层中含有大量的饱含甲烷的水，仍可分离出大量的天然气。通常，当地层压力下降50时，解吸的甲烷气量一般不到20，只有当地层压力下降到接近1个大气压时，煤层中的甲烷气才能全部解吸。因此，煤层气的解吸过程对煤层气的生产动态有直接的影响。吸附时间由罐装煤样解吸实验求得，定义为实测气体体积累计达到63 所对应的时间。

45、显然吸附时间短，则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。吸附时间通常取决于煤的组成和割理间距，它代表了甲烷气从煤基质解吸、扩散进入割理系统所需的时间，它的大小直接影响煤层气井不同时期的产气量。煤储层的吸附时间变化极大。例如美国圣胡安盆地、中阿巴拉契亚等为15d，黑勇士盆地为130d，北阿巴拉契亚80100d，长短相差悬殊，最大值与最小值相差达100倍以上。我国以前没有煤储层吸附时间资料，近年来进行过少量测试。总的来看，我国煤储层吸附时间在数小时至5d之内。例如平顶山三9-10煤为23d，二1煤为13h；淮南13-1煤为1h到416d，11-1煤为1h到

46、118d，8煤为3h到115d；韩城3煤在1d左右，11煤为8h；峰峰2煤为115h到116d，4煤和6煤仅有数小时。阳泉寿阳目标区韩庄井田石炭二叠系煤的吸附时间相对较长，但也只有19d。2 煤层气的流动煤层气是一种洁净的非常规的天然气能源，也是一种温室气体，能污染环境，对煤矿的安全生产构成严重威胁。因此，研究煤层气扩散渗流规律及其特征参数测试方法对开发利用煤层气，保护大气环境，减少煤矿瓦斯事故具有重大意义。目前，国内指导煤矿瓦斯防治和抽放瓦斯(煤层气)的流动模型主要有2个：认为煤层气在煤层中的流动服从斐克扩散定律，即纯扩散模型；认为煤层气在煤层中的流动服从线性达西渗透定律，即纯渗透模型。大量

47、实验和理论研究及相关生产实践都表明，在多孔吸附介质中，气体的扩散和渗流同时发生，共同决定流动速率的大小。 孔隙中吸附煤层气和裂隙中游离煤层气的流动分别服从斐克定律和达西定律，即 m = - D C V = -p 式中：m为吸附状态煤层气的质量扩散通量矢量，kg/(m2s)；D为吸附状态煤层气(孔隙系统)的扩散系数，m2/s；V为游离状态煤层气的渗流速度矢量(体积通量矢量)，m/s；k为煤层裂隙系统的渗透率，m2；为煤层气动力粘度，Pas；为哈密顿算子。2 煤层气吸附等温线吸附等温线描述在一定温度下，不同压力时煤层通过吸附而存储甲烷气的能力。利用吸附等温线可分析煤层含气量和储层压力之间的关系。由

48、于煤层气的吸附是lOO%的可逆过程，因此吸附等温线也可用来描述煤层气的解吸过程，预测煤层气储层在连续生产过程中由于压力下降而解吸的甲烷气量，从而对确定开采策略有很大的帮助。吸附等温线通常在实验室内试验测定。测定时，按所研究的煤层的实际地层温度条件，用100g经过粉碎和处理的煤样，置于压力容器中，逐渐增加压力，测定不同压力条件下相应的吸附气量，作出吸附气量与压力的关系曲线，从而得到了如图所示的吸附等温线。煤层气吸附等温线可用下述方程表示： V=(1-ad)VL 式中：VL兰格谬尔体积常数m3kg； PL兰格谬尔压力常数Nm3； V在压力P下，吸附气体体积m3kg； P储层压力Nm3；ad为干灰质

49、量分数。兰格谬尔体积常数VL的含义是当孔隙压力接近无穷大时每克煤样吸附的气体体积，PL的含义是当吸附气体体积V达到VL2时的对应储层压力。这两个常数可通过吸附等温线线性化来确定。煤层气的吸附等温线应是根据煤阶、储层压力、储层温度、煤层气组分及储层水分含量测定的。事实上，煤层气除甲烷气外，还含有不同比侧的二氧化碳、氨气和重烃，气体的多组分对吸附等温线的形态有重大的影响。此外，煤层通常含有水分，对煤层气的吸附也有很大的影响。吸附等温线的形状对煤层气的开采极为重要，如果吸附等温线的非线性很强，那么排水降压初期的产气量很少，只有当储层压力下降到一定程度是才等有大量的气体产出。如果吸附等温线呈线性，那么

50、在整个排水降压过程中，煤层气的产量比较稳定。强非线性等温线对低渗透率煤层气储层的开采的影响尤为严重，因为在低渗透储层中，随着距井简距离的增加，储层排水降压困难加大，只能在井筒附近地层中出现较大的压降，产出较多的天然气。例如，煤样的空气干燥基兰氏体积分布在1.826cm3/g，干燥无灰基兰氏体积分布在2.231.0cm3/g，兰氏压力分布在0.1913.81MPa。傅小康等通过对40组测定样品的等温吸附结果（如图2图23 煤样等温吸附曲线2 渗透率煤层渗透性是煤在一定气体压差下允许气体通过的特性，一般用渗透率进行描述，它是煤层气开采中一个最为关键的参数。当流体流过煤体时发生耦合作用，渗透率应受流

51、体的压力即孔隙气压的影响。1953年Tiller 等提出过类似假设。随着煤炭工业的发展和瓦斯抽采利用的需要，研究渗透率与孔隙压力的关系越来越有意义。实际煤层瓦斯平均气压梯度小，约为。在气体渗透试验时，希望压差要小且孔隙压力可变。为此研制了可任意给定煤试件两端压力、不给试件过大的压差，并可提供高平均气压的气体渗透试验装置。该装置在无围压情况下使孔隙气压(平均气压)保持一定，同时能变化压差进而测量气体流量，可精确研究孔隙气压对煤层气体渗透规律的影响。影响渗透率的因素很多，储层压力、自然裂缝的出现频率及其连通情况、裂缝开度、端割理和面割理方向、水饱和度、煤层埋深、基质收缩、应力等都会影响煤层的渗透率

52、。R.Puri和J.Seidls用数值模拟的方法研究了渗透率对气、水产量的影响，结果表明渗透率的变化对气、水产量的影响是很大的。并在圣胡安盆地Fruitland煤层的储层温度、压力和应力条件下进行测试，直接得到了渗透率与压力的关系式：式中：k为绝对渗透率；p为孔隙压力；i为初始含意。对煤层气储层渗透率产生影响的另一个重要因素是煤层的埋藏深度。McKee、Bumb和Bell收集了圣胡安盆地、黑勇士盆地和Piceance盆地煤层的渗透率数据。下图为不同埋深的煤层渗透率，可以看出，当煤层埋藏深度大于1219米时，渗透率迅速降低，速度在每305米下降20左右。2孔隙度煤层为双孔隙系统，即微孔隙和宏观孔

53、隙。宏观孔隙既为割理系统及其天然裂缝，呈不均匀分布，其间距为几分之一英寸到几英寸，是水、游离气及溶解气的存储空间和流通通道。宏观孔隙度一般在15之间，其中的含气量不到10。BWGrash等通过研究得出，割理孔隙度受应力影响。应力升高，孔隙度降低，并给出了割理孔隙度与应力的问接关系，即孔隙度与渗透率的关系：式中：、i为割理的孔隙度和渗透率，i，ki为初始压力下的孔隙度和渗透率。微孔隙指的是煤层基质孔隙，98甲烷气以吸附形式存储在微孔隙内。微孔隙的直径为510-10mlO10-10m，孔隙度仅约2，但其内表面积十分巨大，每磅煤拥有近92903m2的内表面积，其储气能力相当于相同埋深、孔隙度为20的

54、储气能力。3 主要地质因素对煤层气生成赋存影响分析褶皱和褶皱要素褶皱（如图31）是岩石中面状构造(如层理、劈理或片理等)形成的弯曲。单个的弯曲也称褶曲。褶皱的面向上弯曲，两侧相背倾斜，称为背形；褶皱面向下弯曲，两侧相向倾斜，称为向形。如组成褶皱的各岩层间的时代顺序清楚，则较老岩层位于核心的褶皱称为背斜；较新岩层位于核心的褶皱称为向斜。正常情况下，背斜呈背形，向斜呈向形，是褶皱的两种基本形式。单个褶皱大者可延伸数十公里，小者可见于手标本或在显微镜下才能见到。图31 褶皱 褶皱要素（如图32）是褶皱的基本组成部分，用以描述褶皱的形态和产状。包括：核，褶皱的中心部位；翼，泛指核部两侧比较平直的部分；

55、轴迹，褶皱面从一翼过渡到另一翼时出露的轴部；枢纽，同一褶皱面上最大弯曲点的连线；轴面，各相邻褶皱面的枢纽联成的面，可以是平面，也可以是不规则的曲面，轴面与地面或其他面的交线称为该面上的轴迹；轴，理想的圆柱状褶皱可以由一条平行其自身移动而描绘出该褶皱面弯曲形态的直线，这一直线又称为褶轴。褶轴只是具有表明几何方位意义的线段，圆柱状褶皱的枢纽方向代表了褶轴的方向。非圆柱状褶皱可有枢纽线而没有统一的褶轴，只有把它分解成许多近似圆柱状褶皱的区段，才可分别确定其褶轴；脊线和槽线，在横剖面上褶皱面的最高点称为脊，同一褶皱面上脊的连线称为脊线；反之，褶皱面在剖面上的最低点称槽，同一褶皱面上槽的连线称为槽线。图

56、32 褶皱要素褶皱对煤层气赋存的影响褶皱构造控制煤层气的赋存已为多数学者所承认，但就具体的事例而言，每个学者又都有各自的看法。从目前的统计资料来看，背斜和向斜特别是它们的轴部及其附近，既有煤层瓦斯含量较高、或者发生煤层瓦斯涌出或发生煤与瓦斯突出的现象，也有煤层瓦斯含量较低、或者不发生煤层瓦斯涌出或发生煤与瓦斯突出的现象。这些问题的关键是仅仅停留在构造几何学的研究上，没有考虑煤层与褶皱中和面的相对位置关系，更没有运用构造运动学和构造动力学的观点去分析，因而要运用中和面去分析褶皱对煤层气赋存的影响。在材料力学中，内部构造均匀的一根横梁在水平挤压下发生弯曲变形时，梁内应力分布明显不均一，外侧受拉伸长

57、，内侧受压缩短，中间有一既不伸长，又不缩短的无应变面，称之为中和面（如图33）。对于单一岩层或彼比粘结很牢的一套岩层来说，在受到侧面挤压产生纵弯褶皱时，其内部也同样存在这样一个中和面。褶曲在其中和面以上和以下的部位具有完全不同的应力状态。背斜的中和面以上遭受拉张，而以下却遭受挤压，相邻的向斜中和面以上处于挤压应力状态，而以下都遭受拉张。如果岩层属塑性层，则中和面外凸侧会因拉伸而变薄，内凹侧会因压缩而变厚；如果为较脆性的岩层，在外凸侧会产生节理和正断层，而在内凹侧会产生剪节理和逆断层；若内凹侧为塑性层，也可产生小褶皱。图33 横梁弯曲中的中和面(1).背斜对煤层气赋存的影响 背斜的基本形式可以分

58、为背斜褶皱上层和背斜褶皱下层（如图34）。背斜褶皱上层指背斜中和面以上的褶皱岩层。该层受平行于弯曲面的引张力而拉伸，岩层随距中和面的距离增大而引张力越大，当岩层为韧性时岩层厚度将变薄，脆性岩层则产生楔状张性裂面或折裂面。背斜褶皱下层指背斜中和面以下的褶皱岩层。该层在挤压力作用下受压缩，岩层随距中和面的距离增大而挤压力增大，岩层在挤压力作用下韧性岩层向背斜轴部移动增厚，或产生小型褶皱和压性断裂。图34背斜褶皱上层和背斜褶皱下层背斜褶皱上层的特点是中和面以上岩层或煤层为拉伸引张力作用，尤其是背斜轴部引张力更为强大，致使韧性岩层在轴部厚度变薄、孔隙增大，或脆性岩层发育张性裂面或断层，使煤层或岩层透气

59、性增高，提供了煤层气活动的通道。另外，由于煤层的软塑性的特点，煤层由背斜轴部向着两翼移动增厚，褶皱作用所伴生的沿层理的活动极易选择煤层作为活动层，使得煤层揉皱、破碎，煤层气由吸附状态大量解析为游离状态，顺其孔隙、张性裂面或断层逸散。而中和面以下的挤压力，对由于局部作用力使得煤层气可能沿张裂面下移起到了阻挡的作用，故背斜轴部没有煤层气富集的构造封闭环境，因而煤层气含量较小或在煤矿生产过程中不发生突出，如四川南桐煤矿二井，在开采乌龟山复背斜轴部地带的煤层时，在标高200m以上的广大地区均未发生突出当属此类型。背斜褶皱下层的特点是岩层或煤层在挤压力作用下煤层从褶皱翼部向轴部流动变厚，或产生层间滑动和

60、顺层断层，使得煤层揉皱、破碎，煤层气由吸附状态大量解析为游离状态，当中和面之上张性裂面组成的非封闭构造并未影响到煤层时，这时背斜轴部将处于一种高度挤压，煤层气富集的构造封闭环境。煤矿生产中一旦揭露，这里煤层气含量较大甚至产生突出。(2).向斜对煤层气赋存的影响向斜的基本形式可以分为向斜褶皱上层和向斜褶皱下层（如图35）。向斜的受力情况与背斜的受力情况刚好相反，即向斜褶皱上层和向斜褶皱下层分别与背斜褶皱上层和背斜褶皱下层相反。图35向斜褶皱上层和向斜褶皱下层向斜褶皱上层的基本特点是岩煤层处于强烈的被挤压的状态，向斜轴部煤层增厚、顺煤层滑动等使得煤层揉皱、破碎，煤层气大量解析。尽管岩煤层中也有可能