河南理工大學(xué)煤層氣地質(zhì)學(xué)

1、煤層氣地質(zhì)學(xué)煤層氣成因1 .煤層氣成因：（一）生物成因氣：生物成因煤層氣是指在微生物作用下，有機質(zhì)（泥炭、煤等）部分轉(zhuǎn)化為煤層氣的過程。按形成階段可劃分為原始生物成因氣和次生生物成因氣。（二）熱成因氣：在溫度、壓力作用下發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化的同時，也生成大量的氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)。演化過程中形成的烴類以甲烷為主。1.原生熱成因氣2.次生熱成因氣。（三）混合成因氣：（ 1）原地混合，即原地形成的熱成因氣和原地形成的次生生物氣相混合，不發(fā)生運移，一般出現(xiàn)在淺部。（ 2）異地混合氣，熱成因氣和次生生物氣發(fā)生了運移，在地下水滯留區(qū)聚集、混合。（四）無機成因氣2 .煤層氣成因判別：（一）有機成因氣的判別-

2、Whiticar圖示法。二）無機成因氣的判別：有烴類氣體的成分、烷烴碳同位素系列、與烴類氣體伴生的非烴類氣體、稀有氣體的含量與同位素，以及地質(zhì)背景綜合分析煤層氣的地球化學(xué)特征：同位素分布，鏡質(zhì)組反射率。第2xx煤層氣儲層xx、裂隙特征1 .煤中孔隙的研究方法：（1）形貌觀測：光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡下（TEM和SEM）和原子力顯微鏡下。2）壓汞法研究孔隙結(jié)構(gòu)：是測定部分中孔和大孔xx分布的方法。（3）低溫氮吸附法：氮吸附法就是將定量的煤樣置于液氮溫度下的氮氣流中，待煤樣吸附的氮氣達到平衡后，測定其吸附量，計算出煤樣的比表面積。2 .割理（內(nèi)生裂隙）和外生裂隙的區(qū)別割理的力學(xué)性質(zhì)以xx為主外生裂隙

3、可以是張性、剪性及xx等。割理在縱向上或橫向上都不穿過不同的煤巖類型或界線，一般發(fā)育在鏡煤和亮煤條帶中，遇暗煤條帶或絲質(zhì)終止。外生裂隙不受煤巖類型的限制。割理面垂直或近似垂直于層理面。外生裂隙面可以與層理面以任何角度相交。割理面上無擦痕，一般比較平整。裂隙面上有擦痕、階步、反階步。割理中充填方解石、褐鐵礦及粘土，極少有碎煤粒。外生裂隙中除了方解石、褐鐵礦、粘土外，還有碎煤粒。割理外生裂隙割理的成因：割理一般呈相互垂直的兩組出現(xiàn)，且與煤層層面垂直或高角度相交。成因假說：內(nèi)張力作用、流體壓力作用和構(gòu)造應(yīng)力作用。煤儲層壓力1. 儲層壓力、靜水壓力、上覆巖層壓力之間的關(guān)系1 、）上覆巖層壓力（地靜壓力

4、）上覆巖石骨架和孔隙空間流體的總重量所引起的壓力。其值的大小與上覆巖層的厚度、骨架密度和孔隙流體密度有關(guān)。單位為MPa。2 、）靜水壓力（流體靜壓力）液柱重量所產(chǎn)生的壓力。其大小與液體的密度和液柱的高度有關(guān)，而與液體的形狀和大小無關(guān)。3 、）煤層氣儲層壓力：是地層壓力的一種，是指作用于煤孔隙、裂隙內(nèi)的水和煤層氣上的壓力，亦稱煤儲層壓力、煤層壓力。靜水壓力PH、上覆巖層壓力Po和地層壓力Pf三者之間的關(guān)系：a、地層滲透性能良好，與地表水相連通：此時流體承擔的壓力（地層壓力）即為連通孔隙中的靜水壓力：Pf=PH,相應(yīng)地Gf=GH。而上覆巖層壓力Po全部由巖石基質(zhì)來承擔b、地層滲透性能較好，但上下左

5、右均被不滲透的隔層所隔，呈透鏡體狀：此時流體所承擔的壓力最終要和上覆地層壓力趨于平衡，即：Pf=Po,或Gf=Gdc、地層滲透性能較差，且?guī)r性非均質(zhì)性較強，孔隙水與地表水有連通，但其連通性不好，流體可緩慢滲透，處于一種半封閉狀態(tài)：此時上覆巖層壓力由孔隙流體和巖層基質(zhì)共同負擔，這種情況下的地層壓力是小于上覆巖層壓力而大于靜水壓力的。即：PHPfPo或GHGf0.01MPa/m時：高壓異常；Gp0.01MPa/m時：低壓異常。1 、）異常高壓的形成機理（ 1）欠壓實：流體受圍巖嚴格控制不易滲流出來（ 2）礦物脫水：礦物會脫出層間水和析出結(jié)晶水，增加儲層中流體的數(shù)量（ 3）水熱增壓：當熱膨脹引起的流

6、體運移由于流體被阻擋而無法逸出（4）烴類的生成：體積的增加和流體滲透率的降低（ 5）古壓力（ 6）構(gòu)造作用（ 7）測壓水位的影響（ 8）流體密度差異（ 9）注入作用（ 10）膠結(jié)作用（ 11）滲析作用2 、）異常低壓的形成機理（ 1）測壓水位的影響（ 2）古壓力（ 3）構(gòu)造作用（ 4）頁巖減壓膨脹（ 5）溫度降低：（ 6）地下流體的開采煤儲層吸附解吸特征1 .煤吸附甲烷能力的影響因素？水分：濕度越大，吸附能力越低溫度：同上煤變質(zhì)程度煤階2 .等溫吸附曲線的用途？1）、飽和度的計算含氣飽和度是指煤儲層在原位溫度、壓力、水分含量等儲層條件下，煤層含氣總量與總?cè)輾饽芰Φ谋戎怠?）、臨界解吸壓力（PC

7、D指在等溫曲線上煤樣實測含氣量所對應(yīng)的壓力。.理論采收率煤層氣含量及其控制因素1. 煤層氣含量測定方法（逸散氣、解吸氣、殘存氣）煤層氣含量:當煤層未受采動影響而處于原始賦存狀態(tài)時，單位重量煤中所含有的換算成標準狀態(tài)下（0C,0.1MPa）的煤層氣（瓦斯）體積稱之為煤層氣含量（原煤瓦斯含量），它常用m3/t和cm3/g作計量單位。直接測定法:1 .）煤層氣含量測定方法（GB/T19559-2008）2 .）地勘時期煤層瓦斯含量測定方法（GB/T23249-2009）3 .）煤層瓦斯含量井下直接測定方法（GB/T23250-2009）散失氣量：指煤心快速取出，現(xiàn)場直接裝入解吸罐之前釋放出的氣量。這

8、部分氣體無法計量，必須根據(jù)散失時間的長短及實測解吸氣量的變化速率進行推算。解吸氣：指煤心裝入解吸罐之后解吸出的氣體總量。實驗過程中需要求出氣量隨時間的變化規(guī)律，結(jié)合一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算解吸氣量。殘存氣：指終止解吸后仍留在煤中的那部分氣體。需將煤樣裝入球磨罐中密封，破碎后，放入恒溫裝置中，待恢復(fù)到儲層溫度后按規(guī)定的時間間隔反復(fù)進行氣體解吸間接測定方法:主要是井下測定煤層瓦斯壓力、實驗室測定吸附常數(shù)、工業(yè)分析指標等有關(guān)參數(shù)，通過朗格繆爾方程計算出煤層瓦斯含量。煤層氣含量測定步驟：（ 1）自然解吸（測定解吸量及解吸速率）（ 2）殘余氣含量測定（ 3）氣樣采集及氣成分測定（ 4）損失氣含量的計算（ 5）綜

9、合結(jié)果計算2 .影響煤層氣含量的主要地質(zhì)因素煤化程度和煤的顯微組分；煤層頂、底板圍巖的透氣性和厚度；地質(zhì)構(gòu)造；地下水；煤層露頭；煤層埋藏深度。其他：煤層厚度煤層傾角巖漿侵入巖溶陷落柱3 .煤層氣含量預(yù)測方法預(yù)測方法有含氣梯度法、壓力吸附曲線法、煤質(zhì)灰分含氣量類比法、測井曲線法、地質(zhì)條件綜合分析法等。煤儲層滲透性1. 滲透性的基本概念儲集層的滲透性是指在一定壓力差下，允許流體通過其連通孔隙的性質(zhì)，也就是說，滲透性是指巖石傳導(dǎo)流體的能力，滲透性優(yōu)劣用滲透率表示，K，（mD）。1 .）絕對滲透率：單相流體充滿整個孔隙、流體不與煤發(fā)生任何物理反應(yīng)時，測出的滲透率2 .）有效滲透率和相對滲透率：當儲層中

10、有多相流體共存時，煤對其中每一相流體的滲透率稱為有效滲透率，分別用kg和kw表示氣和水的有效滲透率；相對滲透率是當儲層中有多相流體共存時，每一相流體的有效滲透率與其絕對滲透率的比值，分別用krg和krw表示氣和水相對滲透率。3 .滲透性的影響因素）有效應(yīng)力與原地應(yīng)力：有效應(yīng)力為總應(yīng)力減去儲層流體壓力。）Klinkenberg效應(yīng)：在多孔界質(zhì)中，由于氣體分子平均自由程與流體通道在一個數(shù)量級上，氣體分子就與通道壁相互作用（碰撞），從而造成氣體分子沿孔隙表面滑移，增加了分子流速，這一現(xiàn)象稱分子滑移現(xiàn)象，這種由氣體分子和固體間的相互作用產(chǎn)生的效應(yīng)）基質(zhì)收縮效應(yīng)：煤體在吸附氣體或解吸氣體時可引起自身的膨

11、脹與收縮。4 .煤層氣的擴散與滲流（一）擴散1）、（準）穩(wěn)態(tài)擴散一一Fick第一定律煤基質(zhì)顯微孔隙內(nèi)甲烷氣體的擴散系在濃度差的驅(qū)動下進行的，單位時間內(nèi)通過單位面積的擴散速度與濃度梯度呈正比。2）、非穩(wěn)態(tài)擴散一一Fick第二定律在非穩(wěn)態(tài)擴散過程中，在距離x處，煤層甲烷的濃度隨時間的變化率等于該處的擴散通量隨距離變化率的負值。二）滲流1）、線性達西定律2）、滲流階段：階段1:單相流階段，井筒壓力臨界解吸壓力，只有水的單相流動；階段2:非飽和流階段，水與不連續(xù)甲烷氣體混合流動；階段3:兩相流階段，連續(xù)甲烷氣體與水混合流動。5 .滲透率的動態(tài)變化采氣過程中煤儲層的自調(diào)節(jié)效應(yīng)。負效應(yīng)：壓力降低，基塊升高

12、，裂隙降低，滲透率降低。正效應(yīng)：解吸增大，基塊減少，裂隙增大，滲透率增大。6 .滲透性的地質(zhì)控制（一）地應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力場：裂隙特征；局部構(gòu)造：裂隙發(fā)育程度；強烈變形煤：阻塞裂隙埋藏xx:xx壓力（二）埋藏xx（三）裂隙系統(tǒng)煤層氣資源選區(qū)評價9 / 111 .煤層氣資源評價的主要內(nèi)容資源聚集場所：勘探對象的類型、賦存狀態(tài)等資源的有無：勘探對象是否存在等資源的數(shù)量：資源量規(guī)模大小、序列和可信度等資源的分布：煤層氣資源在地質(zhì)三維體中的分布等資源的開發(fā)：勘探對象優(yōu)選排序、資源開發(fā)的工程分析、經(jīng)濟評價、勘探部署、開發(fā)規(guī)劃等四項任務(wù)：煤層氣地質(zhì)條件煤層氣資源量計算煤層氣資源開發(fā)前景評估煤層氣開發(fā)有利區(qū)塊選擇2 .煤層氣選區(qū)評價標準（1）首先將含煤區(qū)按照演化程度劃分為高中低煤階低煤階：Ro：0.7%，包括褐煤、長焰煤；中煤階：0.7%Ro1.9%包括氣、肥、焦、瘦煤；高煤階：1.9%Ro4.0%包括貧煤、無煙煤3號。3.煤層氣資源評價方法評分法