第六章 含气量与控气地质因素

邻近层瓦斯抽放率 /% 40 50 60 70
80
90
100
y = -40.19Ln(x ) - 157.62 r = 0.95
3）煤炭资源残留区
本煤层采动影响区 掘进巷道 采煤工作面 1）有限元法
2） 瓦斯涌出量法
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 60 12.0 C Qt = 23（1+t ）-0.79 r = 0.99 10.0 C Qt = 13.90（1+t ）-0.90 r = 0.99
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 600
t Qad / m3·-1
y = -7E-06x2 + 0.0193x - 6.3226 r = 0.83 800 1000 1200 埋深（H / m） 1400
2、压力－吸附曲线法
煤储层含气性取决于煤岩体的吸附能力和含气饱和度， 即含气量＝理论吸附量×含气饱和度。煤岩体的吸附能力又 是煤储层压力和温度的函数，温度相差不大的情况下，与煤 储层压力关系密切，
3、煤级－灰分－含气量类比法
煤层含气量受煤级和煤岩组分、灰分等控制。因此，应
用该方法的前提条件是预测区煤级、煤岩特征与参照区可以
类比。
4、测井响应拟合煤层气含量
测井响应拟合煤层气含量的工作步骤依次为数据采集、 预处理、逐步回归分析、建立数学模型、进行质量检验。若 效果显著，就可以利用该数学模型对有测井曲线而无煤层气 含量的钻孔进行煤层含气性预测。
E∶V∶I=3∶1∶0.8 V=4.3 × E E=11×I 吸附能力 I> V>E 显微组分及 充填情况
3、沉积体系
沉积体系
表 5-4 煤层气储盖组合的基本类型及其主要特征 储 盖 组 合 岩 相 岩 性 特 征
岩相组合 台地相→沙坝相→障壁岛→泻湖 相→潮坪相→沼泽相→泥炭沼泽 相→泻湖相
岩性组合 碳酸盐岩→细砂岩→粉砂岩或 泥岩→泥岩或碳质泥岩→煤→ 泥岩或粉砂质泥岩 碳酸盐岩→粉砂岩或泥岩→泥 岩或碳质泥岩→煤→碳酸岩盐 泥岩或粉砂质泥岩→砂岩→泥 岩或粉砂质泥岩或砂岩→煤→ 泥岩或粉砂质泥岩或砂岩 砂岩→砂质泥岩或泥岩→煤→ 砂质泥岩或泥岩 砂岩→砂质泥岩或泥岩→煤→ 砂岩 细砂岩或粉砂岩或粉砂质泥岩 →泥岩或粉砂质泥岩→煤→泥 岩或粉砂质泥岩或油页岩 砾岩或砂岩→(碳质泥岩)→煤 →（砂质泥岩或砂岩或砾岩）
2、解吸气量
指煤样置于解吸罐中在正常大气压和储层温度下，自然脱
出的煤层气量。终止于一周内平均解吸气量小于10ml/d或在一 周内每克样品的解吸量平均小于0.05ml/d。
3、残留气量
指充分解吸结束后残留在煤样中的煤层气量。
二、中国的解吸法
1、损失气量（V1）
2、现场2h解吸量（V2）
3、真空加热脱气量（V3） 4、粉碎脱气量（V4）
VL,daf／m3 .t -1
其关系可由等温吸 附实验得到，理论 吸附量可以由朗格 缪尔方程求得 。
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2
y 2= -6.5863x + 61.122 r = 0.97
y 1 = 7.9593x + 3.9913 r = 0.89 3 5 6 Ro，max／％ 4 7 8 9
90
100ຫໍສະໝຸດ Baidu
2、邻近层采动影响区
上邻近层离开采层距离 /m
100 90 80 70 60 50 40 30 20 y = -53.48Ln(x ) + 275.01 r = 0.93
下下 邻邻 近近 层层 距距 开开 采采 层层 距距 离 离
10 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 20 30
min) C Qt (m3 /m2 ·
d) C Qt (m3 /m2 ·
8.0 6.0 掘进巷道 4.0 2.0 0.0
工作面
120
180
240
300
（1+t）/min
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 （1+t）/d
暴露煤壁瓦斯涌出系数与时间的关系（据包剑影等，1996）
二者的差异：解吸时间、温度、阶段
18000 16000 14000
解吸累计体积(ml)
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 -2000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 解吸时间平方根(min 1/2 ) 取前10个点推算逸散气量为524.87ml r =0.999 损失时间:9min
水力封堵控气作用
勇 士 盆 地 煤 储 层 水 矿 化 度 分 布 平 面 图
束缚水封闭型
山西组含水层
大宁－潘庄－樊庄 阳城北
7、历史演化
煤层有机 质 生 气
垂 向 扩散散失
垂向盖层 突破散失
断层割理 渗流散失
第四节
煤层含气量预测方法
一、原位煤层含气量预测
预测方法有含气梯度法、压力－吸附曲线法、煤质－灰 分－含气量类比法、测井曲线法、地质条件综合分析法等。
占体积和相同条件下理想气体所占体积之比）。 是压力和温度的函数，即Z＝Z（P，T），可查表得到 。
3、吸附气 吸附气可由等温吸附实验来模拟（见前一章）。
第二节 煤储层围岩物性及封盖能力
一、煤储层顶底板的岩石类型
煤层顶底板是封堵煤层气的第一道屏障，是煤储层围岩组 合中最重要的岩层。其主要岩石类型有碳酸盐岩、砂岩、泥岩、 油页岩及砂泥岩互层组合。
第四章 煤储层 含气特征及控气地质因素
第一节 煤储层含气量的组成 第二节 煤储层围岩物性及封盖能力 第三节 控气地质因素
第四节 煤层含气性的预测方法
第一节 煤储层含气量的组成
一、美国矿业局（USBM）的直接法
1、逸散气量
指从钻头钻至煤层到煤样放入解吸罐以前自然析出的天然 气量。逸散气的体积取决于钻孔揭露煤层到把煤样密封于解吸 罐的时间、煤的物理特性、钻井液特性、水饱和度和游离态气 体含量。
煤层在组合 封盖能力 中的位置
浅海— 障壁海岸
中部或上部 完整，强
浅海—无 台地相→泻湖或潮坪相→沼泽相 障壁海岸 →泥炭沼泽相→台地相 前三角洲相→三角洲前缘相→三 三 角 洲 角洲平原相 （分流河道相/沼泽相/ 泥炭沼泽相/分流河道相） 河床相→河漫相→泥炭沼泽相→ 河流 沼泽相 河床相→河漫相→泥炭→沼泽相 →河床相 滨湖三角洲或浅湖或滨湖相→沼 湖泊 泽相→泥炭沼泽相→沼泽相或深 湖相 冲 积 扇 扇顶相→扇中相→扇尾相
5
0
5
10
15
20
距暴露煤 壁的 距离 ( m)
采动影响区内煤层瓦斯含量和排放率与时间和距暴露煤壁距离的关系 1— 迎头掘过后6h；2—迎头掘过后4d；3—迎头掘过后10d； 4—迎头掘过后15d；5—迎头掘过后55d；6—迎头掘过后155d（稳定）
0 120 110
10
20
30
40
50
60
70
80
浓度封闭 围岩本身的生烃强度能阻止煤层气的扩散作用
第三节 控气地质因素
1 、 煤化程度
不同煤类的产气量和吸附能力 煤类 褐煤 长焰煤 气煤 生气量m3/t 38~68 138~168 182~212 吸附能力m3/t <8 8~9 9~11
肥煤 瘦煤
焦煤 贫煤 无烟煤
199~230 257~287
二、采动影响区煤层含气量预测
煤矿井巷开拓和煤炭生产改变了煤层的地应力场、流体压力 场，打破了煤层内游离气、吸附气和水溶气之间的动态平衡关 系。采动影响区内煤层的含气量、透气性、储层压力等均呈现 出动态变化特征。
1、本煤层采动影响区
压力 /MPa
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 5 10 15 20 距暴露煤壁的距离 /m t =5d, P 0 =3.80MPa K =5.06× -18 m2 10 y = 0.3805Ln(x ) + 1.694 r = 0.96
3）瓦斯压力测试法
据实测瓦斯卸压带内煤中某点的原始瓦斯压力和不同时间的残 余瓦斯压力，由朗缪尔方程计算原始瓦斯含量和残余瓦斯含量 。
15
1 0.9 0.8
1 2 3 4 6
3
) t / m1 0 ( ¿ Á ¬ º ¹ Ë ß Í Ä µ º 5 Ã
排 放效率 /%
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1 0 0 5 10 15 20 距巷道壁 的距离 /m 5 6 2 3 4
1、含气梯度法
（1）同一构造单元中已有浅部勘探区含气性资料的深部地区；
（2）煤级受埋深控制，煤级相当或变幅较小；
（3）勘探区含气性资料较为丰富，含气梯度明显或埋深与煤层气 含量关系离散性较小；
（4）适用深度：止深在甲烷风氧化带下500~700米（前苏联）； 800~900米（英国）； 古地表起算垂深800~ 1000米（张新民，1991） 傅雪海（1995）等研究表明煤层气含量止深受煤 变质作用的方式和煤变质作用程度的影响。
矿化度=100mg/ml
18 21 24 27 30 33
MPa
甲烷溶解度(m 3 甲烷/m 3 水)
2、游离气
VPT0 Vg P0TZ
P0 、Vg、T0—标准状态下游离气压力、体积和绝对温度； P 、V、T—储层状态下游离气压力、游离气体积和绝对 温度 ；
Z－气体压缩因子（在给定温度、压力条件下，真实气体所
煤层 上覆地层 下伏地层 成藏富集区
hw
1）水力运移逸散控气作用； 2）水力封堵控气作用
3）水力封闭控气作用；
水力封堵控气作用
粉河盆地
Fort Union组煤层是区域含水层，东缘露头为补给区，向西部（深部） 径流，盆地中心（煤层深部）形成承压水条件，具有超压含水层。 煤层气单井产量平均5660m3/d，最高10万m3/d，产水量30-150 m3/d
240~270 295~330 346~422
11~14 14~18
18~20 20~24 24~36
2、 煤岩组分
100
生气量
显微组分含量／％
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 V L ， daf ／ m 3 t -1 （变）镜质组 （变）惰质组 多项式 (（变）镜质组) 多项式 (（变）惰质组)
图4-52
二、围岩的封盖能力
围岩封盖能力与围岩的岩性、韧性、厚度、连续性及埋深有 关。从岩性来说，由砂岩、碳酸盐岩、砂泥岩互层组合、泥岩、 煤层到油页岩，其封盖能力依次增强。
三、围岩的封闭机理
表 4-4 围岩的封闭类型 （转引自庞雄奇等，1993） 封盖类型 薄膜封闭 毛细管压力封闭 水力封闭 孔隙流体压力和毛细管压力封闭 压力封闭 厚层泥岩欠压实造成流体排出不畅，导致地层压力异常 增高 封盖机理 围岩类型 泥岩、油页岩、部分致密灰岩和砂岩 含水泥岩、含液态烃油页岩 巨厚泥岩 油页岩、碳质泥岩
中部或上部 完整，弱
上部或顶部 较强或弱
上部
完整，较弱
顶部
不完整，弱
上部或顶部 强或极强
上部或顶部 较弱或弱
4、 构造样式及构造部位
5、埋藏深度与地温状态
6、水文地质条件
地层水静水势能可由测压水头hw表示： P
Φ ＝gZ+ dp/ρ +q2/2 ＝Z+ p/gρ
hw
0
w
Z－测点高程； g－重力加速度； P－测点压力； ρ W 流体密度 －流体速度； q－流速。
三、相态含气量
1、溶解气
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 100 200 300 400 500 矿化度（mg/ml）
压力2MP a，温度20℃ 压力6MP a，温度30℃ 压力10MP a，温度40℃ 压力14MP a，温度50℃ 压力18MP a，温度60℃ 压力22MP a，温度70℃ 压力26MP a，温度80℃
5、地质条件综合分析法
通过对预测区煤层赋存特征、地质构造演化历史及煤层埋
藏－热演化－生烃－保存历史分析，确定煤的变质方式和煤
的变质程度，进而预测其含气性。 从广义上讲，所有的地质预测方法都包含着一定程度的综
合地质分析，不同方法之间存在着一些不可分离的相辅相成
的关系。因此，在对同一地区煤层含气性分析预测中，往往 是以某种方法为主的多种方法综合预测。