煤層氣排采知識點

1、煤層氣排采知識點緒論瓦斯主要由高等植物經(jīng)烷基化作用形成。以高等植物為主的成煤原始質(zhì)料在沼澤中細菌參與下經(jīng)生物降解作用形成活泥炭，泥炭經(jīng)成巖作用形成褐煤，再經(jīng)變質(zhì)作用有機質(zhì)發(fā)生熱裂解形成煙煤和無煙煤。瓦斯的基本特征1、瓦斯儲層是孔隙裂隙雙重介質(zhì)結(jié)構(gòu)微孔體系：大孔體系：吸附量占80-90%，游離瓦斯量占10-20%。2、瓦斯的賦存狀態(tài)3、瓦斯的運移方式微孔-大孔-微裂紋-裂隙-裂縫煤體是由若干尺寸小于極限顆粒組成，在尺寸小于極限粒度的煤粒中，瓦斯?jié)L動是擴散運動，符合菲克定律。煤粒在尺寸大于極限粒度的煤粒中，瓦斯的滾動是滲流運動，符合達西定律。煤儲層滲透率大小受多種地質(zhì)因素影響，其中地應(yīng)力是最主要的

2、因素?；|(zhì)收縮：煤層氣的產(chǎn)出，鉆孔周邊的瓦斯含量與壓力下降，煤體會發(fā)生收縮變形，使得煤層中的裂縫張開，增大鉆孔周邊的煤層透氣系數(shù)。如天府礦務(wù)局劉家溝煤礦，抽放瓦期前，瓦斯原始最高壓力是4.6MPa，抽放后壓力下降到0.5MPa，透氣性增大到原來的60倍。國際精細應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會分類：大孔50nm；中孔2-50nm；微孔2nm。微孔：就是指在相當(dāng)于滯后回線開始時的相對壓力下已經(jīng)被完全充填的那些孔隙，它們相當(dāng)于吸附分子的大小。微孔容積約為0.2-0.6cm 3 /g，而其孔隙數(shù)量約10 20 個，表面積500-1000m 2 /g。中孔：是那些能發(fā)生毛細凝結(jié)使被吸附液化而形成彎液面，從而在吸附等溫曲

3、線上出滯后回線的孔隙。大孔在技術(shù)上是不能實現(xiàn)毛細凝結(jié)的?？锥?、裂隙孔洞：氣孔、植物剩余組織孔、溶蝕孔、鑄?？住⒕чg孔、原生粒間孔、縮聚失水孔裂隙：內(nèi)生和外生孔：通孔、盲孔、封閉孔、開式孔不同形態(tài)的孔對于瓦斯運移作用是不同的，孔的通道是構(gòu)成煤體中流體滲流的主要通道，盲孔雖然與孔的通道相連接，但對流體的滲流沒能貢獻，其中的流體以擴散的開工運移達到孔的通道，敞開孔與自由面相通，其中的流體擴散至自由空間中，敞開孔對流體滲流沒有貢獻，由于封閉孔與其他孔不連通，其中的流體處于封閉狀態(tài)。排采時間越長，排采有效半徑越大，其影響范圍漸漸增加。抽放30個月有效半徑達到40米，抽放8個月有效半徑可達到20m。煤孔徑

4、分布與煤階關(guān)系煤的最高內(nèi)在水分是指煤的孔內(nèi)達到 飽和吸水狀態(tài)的水分，或是煤在飽和水蒸氣的氣氛中達到平衡時除去外在水以外的水分。褐煤(Cdaf75%)有著最發(fā)達的孔結(jié)構(gòu)，隨著煤化程度的增高，孔隙率漸漸變低；到無煙煤階段(Cdaf穩(wěn)定組鏡質(zhì)組太原組(海陸交相互)和山西組(陸相)同屬一個含煤地層，在幾乎所有煤階中，太原組煤的氣孔都比山西組 發(fā)育。低變 質(zhì)煤(Ro=0.5-0.9%)中，各種類型的孔隙都很豐富，其中粒間孔 和植物胞腔孔占絕對優(yōu)勢，長焰煤中有氣孔。中等變質(zhì)煤(Ro=0.9-2.0%)中，鏡下可見孔大大減少，低變質(zhì)煤中極為發(fā)育的粒間孔已不常見，且其孔徑大大減小，出現(xiàn)了較為豐富的氣孔，什物組

5、織孔仍舊是這個階段主要的孔隙類型。高變質(zhì)階段(Ro2.0%)，鏡下所見孔隙基本上和中等變質(zhì)孔一致，孔徑變小， 可見孔隙極為稀少。煤裂隙分類裂隙是煤層中流體運移和產(chǎn)出的通道 ，瓦斯地質(zhì)和煤層氣地質(zhì)工作者對煤的裂隙研究十分關(guān)注。煤中裂隙的宏觀分類主要基于發(fā)育規(guī)模，巨型裂隙、大型裂隙、中型裂隙、小型裂隙、特小型裂隙。內(nèi)生裂隙：失水裂隙、濃縮裂隙、靜壓裂隙。成因：煤化作用過程中，成煤物質(zhì)體積均勻收縮產(chǎn)生內(nèi)張力，從而產(chǎn)生張裂隙，主要出現(xiàn)在鏡煤條帶中；垂直差異落實作用產(chǎn)生內(nèi)生裂隙；雙重成因，即煤體積收縮作用和差異落實作用重疊產(chǎn)生內(nèi)生裂隙；因煤中氣的生成及驅(qū)出，引起孔隙壓力的提高而產(chǎn)出內(nèi)生裂隙。煤化作用具有

6、明顯的階段性，不同階段煤層內(nèi)部發(fā)生不同的變化，形成成因不同的裂隙。按煤化階段和力的來源，內(nèi)生裂隙還可進一步分出失水裂隙、縮聚裂隙和靜壓裂隙，內(nèi)生裂隙屬于張性裂隙。裂隙發(fā)育程度與煤巖有關(guān)，不同煤巖組分的裂隙，其密度由大到小是：鏡煤亮煤暗煤 。外生裂隙的成因及特征煤層形成后，受各種地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用而產(chǎn)生的裂隙為外生裂隙，或稱之為構(gòu)造裂隙。按 力學(xué)性質(zhì)，外生裂隙可分為張性裂隙、壓性裂隙、剪性裂隙、松馳裂隙。3.6煤裂隙與煤體滲透性關(guān)系3.6.1煤體的滲透性與煤體的裂隙數(shù)量之間也具有確定 的正比關(guān)系。3.7煤化程度與煤的物理性質(zhì)3.7.1煤的宏觀組成煤巖的宏觀組成是用肉眼方法觀測煤的光澤、顏色、硬度、

7、脆度、斷口、裂隙、形態(tài)等主要特征而能區(qū)分出來的組分。3.7.2煤的顯微硬度與煤的宏觀強度構(gòu)成煤體中流體通道的有孔隙通道和裂隙通道。煤體的孔隙通道決定于煤體的孔隙度，煤體具有較大的孔隙度時，流體的通道暢通有利于煤體中的瓦斯的滾動。從煤化程度與孔隙度的關(guān)系可知，低變質(zhì)程度的褐煤和高變質(zhì)程度的無煙煤具有較大的孔隙度，而變質(zhì)程度中等的肥煤和貧煤具有較小的孔隙度，不利于流體的滾動。張性裂隙處于張開狀態(tài)，有利于流體的滾動；壓性裂隙區(qū)的裂隙處于閉合狀態(tài)，不利于流體的滾動。裂隙的張開度與裂隙處的地應(yīng)力有關(guān)。在地應(yīng)力作用下，裂隙被壓縮、閉合，阻止了流體的滾動。地應(yīng)力越大，裂隙的滲透性越差。第4章 煤層瓦斯賦存與

8、運移的基本理論煤體中瓦斯由于賦存的特別性以及煤與瓦斯之間的吸附作用， 使得煤體中的瓦斯運移變得極其繁雜。達西定律： Q=KFh/L式中 Q 為單位時間滲流量， F 為過水?dāng)嗝妫?h 為總水頭損失， L 為滲流路徑長度， I=h/L 為水力坡度， K 為滲流系數(shù)。關(guān)系式說明，水在單位時間內(nèi)通過多孔介質(zhì)的滲流量與滲流路徑長度成反比，與過水?dāng)嗝婷娣e和總水頭損失成正比。從水力學(xué)已知，通過某一斷面的流量 Q 等于流速 v 與過水?dāng)嗝?F 的乘積，即 Q Fv 。菲克定律： 菲克就提出了：在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質(zhì)流量（稱為 擴散通量 Diffusion flux ，用 J 表示

9、）與該截面處的 濃度梯度 (Concentration gradient) 成正比，也就是說， 濃度梯度越大，擴散通量越大 。吸附：瓦斯分子由氣相擴散到煤體表面；擴散到煤體表面的瓦斯分子被煤體吸附；被吸附的瓦斯分子與煤體表面發(fā)生反應(yīng)，生成被煤體所 吸附的產(chǎn)物分子。煤體表面對不同的氣體的吸附量的大小和氣體凝結(jié)性有交，凝結(jié)性越強的氣體，被煤吸附的量就越大。朗繆爾方程：正是由于吸附相的存在，才使煤的表面張力下降、煤的表面能降低，使煤的固體骨架發(fā)生相對的膨脹，導(dǎo)致煤的強度的降低，使煤易以碎。解吸瓦斯后，其強度就會上升，也就是基質(zhì)收縮。從分子運動論的 觀點來看，氣體擴散的本質(zhì)是氣體分子不規(guī)矩運動的結(jié)果。

10、煤是一種典型的多孔介質(zhì)，根據(jù)氣體在多孔介質(zhì)中的擴散機理的研究，可以用表示孔隙直徑和分子平均自由程相對大小的克努森數(shù)將擴散分為Fick型擴散、過渡型擴散和Knudsen型擴散。在煤體的大孔和裂隙中，瓦斯?jié)L動是以壓力梯度為動力，其運移遵循達西定律；而在微孔結(jié)構(gòu)中，瓦斯?jié)L動是以濃度梯度為動力，運移遵循菲克定律。分子在相互碰撞前所走的一段直線距離稱為分子自由程。氣體壓力越大，其擴散能力越強。煤體中甲烷以過渡型擴散為主。煤體發(fā)生變形的理由：瓦斯壓力驅(qū)使瓦斯分子進入了煤中裂隙或孔隙空間乃至 煤體膠粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部，且使更多的吸著層楔開了與瓦斯分子直徑大小相近的微孔隙或微孔隙。煤的表面張力減小也是導(dǎo)致煤體發(fā)生變形

11、的理由，煤吸附氣體越多，煤的表面張力下降也越多，導(dǎo)致煤的 變形值也越大。隨著瓦斯壓力的增加，煤體的膨脹變形加大。當(dāng)瓦斯壓力下降時，煤體中瓦斯發(fā)生解吸，煤體即產(chǎn)生收縮變形，且這種收縮變形尋常狀況下不能回到原點，即存在一定量的剩余變形；煤吸附氣體所表現(xiàn)的吸附性越大，其剩余變形量越大。當(dāng)發(fā)生解吸時，一部分瓦斯將人煤體結(jié)構(gòu)內(nèi)部釋放出來，會引起煤體微孔隙和微裂隙的閉合，從而引起煤體發(fā)生收縮變形。一方面依靠與煤中碳分子的強大吸引力而結(jié)合在一起的吸附瓦斯還殘留在煤膠粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部，另一方面原來借助于氣體壓力楔入微孔隙和微裂隙中的部分瓦斯，因煤體在瓦斯壓力下降時的收縮效應(yīng)，而被禁錮在這些微孔隙和微裂隙中。煤體膨脹

12、就會產(chǎn)生附加應(yīng)力，降壓排采解吸時，煤體應(yīng)力就會相應(yīng)降低，煤的強度就會提高，同時煤體還會發(fā)生部分收縮，對于改善滲透率是有積極意義的。1、 隨著煤體中瓦斯的釋放，煤體孔隙壓 降低，則煤體裂隙在地應(yīng)力作用下漸漸閉合，從而降低了煤體的滲透性。2、 隨著瓦斯的解吸，煤體收縮變形，降低了煤體的吸附瓦斯產(chǎn)生的附加應(yīng)力，進而降低煤休珠滲透性。3、 由于瓦斯的解吸，煤體的中緯度漸漸增加，煤體抗?fàn)幍貞?yīng)力變形的能力加強，從而抵消應(yīng)力變化對滲透性的影響。在瓦斯解吸、滾動過程中，伴隨著煤體與瓦斯的相互作用，其 作用反映為煤體有效應(yīng)力的變化，并以煤體滲透系數(shù)的變化表達出來，因此煤體的滲透率是變化的。要改變低滲透煤層的滲透

13、性，增加連通的孔隙與裂隙是唯一方法。自然巖石發(fā)生逾滲轉(zhuǎn)變的逾滲閾值遠遠低于理想均質(zhì)多孔介質(zhì)的逾滲閾值。加強排采抽放應(yīng)當(dāng)從增大孔隙率入手。創(chuàng)造更多的裂隙、孔隙通道，降低瓦斯壓力，是煤層氣開采的關(guān)鍵步驟。如何在低滲透煤儲層中創(chuàng)造更多的裂隙，并有效地保持其連通性是進行低滲透煤儲層改性的關(guān)鍵。三維應(yīng)力場對裂隙滲流有顯著的影響，不僅僅是作用于裂縫的法向應(yīng)力對裂縫滲流有顯著影響，而且平行于裂縫的兩個側(cè)向壓應(yīng)力也同樣使裂縫滲透系數(shù)顯著衰減。如陽泉3號煤層，埋深400m比埋深100m的煤層滲透系數(shù)低近90%。因此得出三維地層壓力是導(dǎo)致煤儲層滲透性降低的主要因素。壓裂在巖體中產(chǎn)生的裂縫數(shù)量仍舊很少。由于水力壓裂

14、并添加支撐劑，在煤層壓裂裂縫周邊會形成一高應(yīng)力區(qū)，高壓力區(qū)較大幅度的降低了裂縫周邊煤體的滲透性，盡管通過裂縫形成了一條較好的滲流通道，但在裂縫周邊反而形成一個屏障區(qū)。以上二者是水力壓裂改造低滲透煤層效果不佳的真正理由所在。水力壓裂適用于那些相對堅硬的裂縫性儲層的資源開采，對于較軟的儲層，水力壓裂的作用十分有限。隨著煤層埋藏深度的增加，煤樣的瓦斯極限排放量減小。深度每增加200m，煤樣的最大瓦斯排放量減小17%以上。在瓦斯排放的中后期，由于裂隙的慂生大于基質(zhì)塊體，裂隙內(nèi)的游離瓦斯完全依靠基質(zhì)塊體內(nèi)解吸的瓦斯給予補充。裂隙處的瓦斯壓力衰減趨勢與基質(zhì)塊體內(nèi)的瓦斯壓力衰減趨勢趨于一致而低于基質(zhì)塊體。當(dāng)

15、埋深增加時，滲透性也變差。5.4.4瓦斯排放過程中煤體應(yīng)力的變化規(guī)律從瓦斯壓力的變化超勢看，在排放初期，裂隙處的瓦斯要比基質(zhì)塊體內(nèi)的瓦斯?jié)L動速度快，瓦斯壓力衰減迅速。這一狀況導(dǎo)致的直接結(jié)果是裂隙處的煤體有效應(yīng)力同樣比基質(zhì)超導(dǎo)體內(nèi)的有效應(yīng)力增加迅速。由于基質(zhì)塊體內(nèi)部的瓦斯?jié)B流是一個緩慢的過程，有效應(yīng)力的增加相對平穩(wěn)，而裂隙處的瓦斯?jié)B流速度快，有效應(yīng)力在排放初期迅速增長，在排放后期，裂隙內(nèi)的瓦斯壓力趨于平衡，裂隙與基質(zhì)塊體內(nèi)的瓦斯解吸速度相當(dāng)，有效應(yīng)力變化趨勢趨于一致。排采三個階段： 隨著煤層周邊壓力的下降，首先只有水產(chǎn)出，由于這時壓力下降不多，煤壁附近只有單相流 動。當(dāng)儲層壓力進一步下降煤壁附近開始進八第 二階段，這時有一定數(shù)量甲烷從煤的表面解吸，開始 形成氣泡，阻礙水的滾動，水的相對滲透率下降，但氣也不能滾動，無論在基質(zhì)孔隙中還是在割理中，氣 泡都是孤立的，沒有相互連接 雖然出