摘 要:在我国煤系地层中的煤层气的研究起步较晚,研究的程度也较浅和较片面。其主要是从煤层气资源的勘探开发、利用方面进行研究,很少系统地对煤系地层中煤层气(瓦斯)富集规律、瓦斯富集区域、瓦斯的分区和瓦斯的富集区域煤炭开采中瓦斯事故的预防进行研究。文章主要是从地质构造、煤的结构构造、变质程度等方面探讨煤系地层中瓦斯的分布规律,为煤炭资源的综合开发利用和预防提供科学依据。
关键词:煤系地层;瓦斯;研究
1 前沿
煤层瓦斯是我国开发和利用的主要能源之一,在我国,瓦斯资源的开发和利用占国民资源开发和利用的比例虽然不高,但它的利用价值却非常可观(杨孟达,2000)。理论上说,大量的煤炭资源,必然会产生大量的瓦斯资源。同时在煤炭资源开采过程中,常常会因为瓦斯的含量过高而引起许多的瓦斯事故,不但造成人类生命财产的损失,同时也造成大量的资源浪费。因此,对于瓦斯的研究就成了当今我国研究领域的一个比较热门的研究点(张新民,2002)。
2 煤层的变质程度与瓦斯的关系
在煤层的形成演化过程中,当煤进入长烟煤时就开始热解生气作用,从肥煤-瘦煤阶段,煤层生成瓦斯的能力相对较低,而且煤储存瓦斯的能力也相对较低,在这个阶段,煤层瓦斯的生成和富集能力都比较低,在这些地区很难形成煤层气藏富集区。从贫煤-无烟煤阶段,煤的变质程度都相对较高,煤层生成瓦斯的能力达到峰值(张洪林,2004),煤层储存瓦斯的能力也相应增加。在这个阶段,煤层瓦斯的生成和富集能力都很高,在这些地区就很容易形成高瓦斯富集区。从煤层的变质程度分析,在我国许多地区的煤质都较有利于瓦斯的储存,这为瓦斯的大量富集提供有利的储存空间。
煤层的生气量和储气量能力都受煤变质程度的控制,所有煤层的变质程度对煤层气藏的形成具有重要的作用。其表现主要有两个方面:第一个方面,煤的变质过程太低,不利于煤层气藏的形成。对于未变质阶段(Rmax>0.5%)的褐煤,为生物化学生气阶段,热解气即将开始生成,因此煤层的含气量不高。同时由于褐煤层和围岩的固结程度较差,透气性能较好,封闭能力差,致使含量很低的煤层气大量逸散。因此褐煤很难形成有价值的煤层气藏。但是,当煤层埋藏较深,厚度很大时,褐煤也可以形成煤层气藏。第一个方面,煤变质程度较高,煤层已经失去储气能力,同样不能形成煤层气藏。超高变质(Rmax>6%)的超无烟煤,对甲烷基本上不吸附,空隙度也很低。因而储气能力十分有限,同样也不属于储集层范畴,所以不能形成煤层气藏。由上述可知,低、中、高变质的烟煤和无烟煤可以形成煤气藏;未变质的褐煤一般不利于形成有价值的煤层气藏;而超高变质的超高无烟煤也不属于储集层,所以不能形成煤层气藏。不同的煤质对瓦斯的吸附能力是不同的,其吸附能力如图1所示(张新民,2002)。
从图2可以看出,随着煤层的变质程度的增加,煤层的吸附能力不断增强,但当其Rmax=5%左右的时候,其吸附能力达到最大值,随后随着Rmax的值增加而迅速下降达到零吸附。
3 地质构造发展对煤层气藏的影响
3.1 褶皱
在褶皱隆起的背景下,煤层常以向斜或背斜的构造形态赋存,因此背斜和向斜都可以形成煤层气藏。但以背斜和向斜储存的煤层气藏的储存条件是完全不一样的。当煤盆地或矿区为单一的向斜构造时,在同一水平上,煤层的含气量在褶皱的转折端减少;同时在向斜的内部,如果没有继续生气的条件,向斜轴部埋深最大处的含气量有时会低于埋藏较浅的翼部。造成这种现象的原因可能是轴部位置岩层变形最大,应力最集中,多以生成张力裂隙和轴面劈理所消耗,从而为煤中的气体运移提供了良好的通道,有利于轴部地区的煤层去气作用的进行。
3.2 断裂
断裂对煤层气藏的形成的影响比较复杂,归结起来有两种不同性质的影响:一种是断裂促使气体沿着断裂向地表运移,造成煤层脱气,从而降低了煤层及其临近的地带的含气性,不利于煤层气藏的形成,这种断层属于导气断层。另一种是致密地层组成的断层阻碍煤中气体的运移,成了气体向地表或别的圈闭中运移路途上的不渗透遮挡,从而提高了煤层及其邻近地带的含气性,这种断层属于阻气断层。同时,断裂作用使煤层裂缝和节理发育,有利于吸附在煤层上的瓦斯解吸,形成高煤层。
一般说来,规模较大的张性断裂属于导气断层,它降低煤层的含气性,不利于煤层气藏的形成和保存。挤压作用形成的逆断层多属于阻气断层,这种断层所产生的裂隙通常处于闭合状态,断层面两侧的岩层被紧压;另一方面,断层的位移往往使致密的泥质岩层与煤层的断头相接触,从而阻断了气体沿煤层至下而上的运移。这两种作用结合起来在很大程度上使煤层保存了较高的含气量(郭斌武,2001)。
4 地下水的活动与瓦斯的关系
煤层气吸附于煤的空隙表面或游离于孔隙中,由煤层裂隙网络中的地下水将其封存,在一般情况下,煤层气与地下水之间是处于动态平衡,只有在一定压力差下,气体才能流动。所以地下水活动对瓦斯的富集影响也是很大的,有许多的矿井,根据煤质、煤层厚度、构造等因素分析,瓦斯的含量应该很高,但是实测矿井瓦斯数据却与预期的结果要低,其结果可能是因为研究区的地下水活动影响造成的结果(张建博,2000)。
5 含煤地层的岩性特征与瓦斯的关系
煤层之上存在具有一定封闭能力的岩层,可以阻挡和减缓煤层气渗透、扩散、水溶流失等方式发生逸散,所有煤层顶底板岩性特征决定了其封闭能力。煤层顶底板岩性对煤层气的封闭能力主要取决于毛细管力,毛细管力封闭是由于盖层具有较高的毛细管阻力而阻止气体逸散,毛细管力的大小取决于毛细管半径的大小及其分布,而毛细管发育状况主要受盖层岩性、粒度、密度、致密程度等因素的影响。从对煤层气封闭能力大小的角度分析,先将其封闭能力大小顺序排列如下:油页岩-泥岩-砂泥岩-石灰岩-砂岩。油页岩封闭性能极为良好,其分布稳定,延伸范围大,岩性致密坚硬。其孔隙度为3.09-6.37%,但含水和含油率比较高,水和油充满了空隙空间,致使岩层渗透率很低,对下覆煤层中的甲烷起到了很好的封闭作用。泥岩是煤层中最常见的一种围岩,它通常具有很好的封闭性能,具有较高的压力,在裂缝不发育的条件下,泥质含量
大于40%的泥岩或泥质粉砂岩的岩体渗透率变化范围为107~109um2,具有较好的封闭性;煤系中出现的灰岩一般主要是生物碎屑泥晶灰岩、含生物碎屑灰岩及泥灰岩,其孔隙度大多数小于1%,渗透率一般小于0.01×103um2,但是具有裂缝的灰岩其空隙度可达4%,渗透率可达2×103um2-。因此对于灰岩型围岩进一步又可以分为两类:第一类是指在构造运动不强烈的地区的灰岩,其裂缝溶洞均不发育,具有一定的封闭能力。第二类灰岩的裂隙和岩溶较发育,导致其封闭能力大大降低。砂岩型围岩在横向上最不稳定,往往很快相变为砂泥岩和泥岩,该类型的围岩对煤层的封闭能力很差,往往和煤层一起构成储气层。
瓦斯在煤层中要受到一定的外应力,在外应力的作用下驱使瓦斯不断的运移和排放,其运移和排放的速度与煤层顶底板岩性的渗透性密切相关。如果煤层顶底板岩性的渗透性大,则瓦斯就不易保存,如果煤层顶底板岩性的渗透性小,则瓦斯就容易保存。煤层中瓦斯高低还与煤层渗透性有关,煤层大量的微裂隙发育,加大了瓦斯的储存空间,同时就增加了瓦斯的储存量,就容易形成高瓦斯煤层。如果煤层顶底板岩性的渗透性虽小,但由于煤层渗透性差,煤层的储存空间小,生成的瓦斯被吸附在煤层内部,瓦斯很难排放出来,也形成不了高瓦斯煤层。
6 结束语
(1)瓦斯的生成量与煤层的变质程度是成正相关,低、中、高变质的烟煤和无烟煤可以形成煤气藏;未变质的褐煤一般不利于形成有价值的煤层气藏;而超高变质的超高无烟煤也不属于储集层,不能形成煤层气藏。
(2)煤层顶底板的岩性几乎都是泥岩、页岩及粘土岩,岩性的结构特征都比较有利于瓦斯的保存;在研究区有很多的地区夹有砂岩层,砂岩也是瓦斯储存的有利空间,其中很有可能找到适合工业开采的煤成气资源。
(3)构造应力作用比较强的地区,煤层微裂隙系统发育,为吸附在煤层中的瓦斯提供了很好的运移通道,也是导致煤层中高瓦斯的重要原因。
(4)地下水对瓦斯的富集有一定的外界影响。
参考文献
[1]杨孟达,刘新华,王瑛,等.煤矿地质学[M].北京:煤炭工业出版社,2000.
[2]张新民,庄军,张遂安. 中国煤层气地质与资源评价[M].北京: 科学出版社, 2002,1~10.