煤层气排采知识点

绪论瓦斯主要由高等植物经烷基化作用形成。

以高等植物为主的成煤原始质料在沼泽中细菌参与下经生物降解作用形成活泥炭，泥炭经成岩作用形成褐煤，再经变质作用有机质发生热裂解形成烟煤和无烟煤。

瓦斯的基本特征1、瓦斯储层是孔隙裂隙双重介质结构微孔体系：大孔体系：吸附量占80-90%，游离瓦斯量占10-20%。

2、瓦斯的赋存状态3、瓦斯的运移方式微孔-大孔-微裂纹-裂隙-裂缝煤体是由若干尺寸小于极限颗粒组成，在尺寸小于极限粒度的煤粒中，瓦斯流动是扩散运动，符合菲克定律。

煤粒在尺寸大于极限粒度的煤粒中，瓦斯的流动是渗流运动，符合达西定律。

煤储层渗透率大小受多种地质因素影响，其中地应力是最主要的因素。

基质收缩：煤层气的产出，钻孔周围的瓦斯含量与压力下降，煤体会发生收缩变形，使得煤层中的裂缝张开，增大钻孔周围的煤层透气系数。

如天府矿务局刘家沟煤矿，抽放瓦期前，瓦斯原始最高压力是4.6MPa，抽放后压力下降到0.5MPa，透气性增大到原来的60倍。

国际精细应用化学联合会分类：大孔>50nm；中孔2-50nm；微孔<2nm。

微孔：就是指在相当于滞后回线开始时的相对压力下已经被完全充填的那些孔隙，它们相当于吸附分子的大小。

微孔容积约为0.2-0.6cm3/g，而其孔隙数量约1020个，表面积500-1000m2/g。

中孔：是那些能发生毛细凝聚使被吸附液化而形成弯液面，从而在吸附等温曲线上出滞后回线的孔隙。

大孔在技术上是不能实现毛细凝聚的。

孔洞、裂隙孔洞：气孔、植物残余组织孔、溶蚀孔、铸模孔、晶间孔、原生粒间孔、缩聚失水孔裂隙：内生和外生孔：通孔、盲孔、封闭孔、开式孔不同形态的孔对于瓦斯运移作用是不同的，孔的通道是构成煤体中流体渗流的主要通道，盲孔虽然与孔的通道相连接，但对流体的渗流没能贡献，其中的流体以扩散的开工运移达到孔的通道，敞开孔与自由面相通，其中的流体扩散至自由空间中，敞开孔对流体渗流没有贡献，由于封闭孔与其他孔不连通，其中的流体处于封闭状态。

排采时间越长，排采有效半径越大，其影响范围逐渐增加。

抽放30个月有效半径达到40米，抽放8个月有效半径可达到20m。

煤孔径分布与煤阶关系煤的最高内在水分是指煤的孔内达到饱和吸水状态的水分，或是煤在饱和水蒸气的气氛中达到平衡时除去外在水以外的水分。

褐煤(Cdaf<75%)有着最发达的孔结构，随着煤化程度的增高，孔隙率逐渐变低；到无烟煤阶段(Cdaf<90%)孔隙率开始增加，这主要由于煤芳香片层的秩理增加使孔隙增多。

丝质组>稳定组>镜质组太原组(海陆交互相)和山西组(陆相)同属一个含煤地层，在几乎所有煤阶中，太原组煤的气孔都比山西组发育。

低变质煤(Ro=0.5-0.9%)中，各种类型的孔隙都很丰富，其中粒间孔和植物胞腔孔占绝对优势，长焰煤中有气孔。

中等变质煤(Ro=0.9-2.0%)中，镜下可见孔大大减少，低变质煤中极为发育的粒间孔已不常见，且其孔径大大减小，出现了较为丰富的气孔，什物组织孔仍然是这个阶段主要的孔隙类型。

高变质阶段(Ro>2.0%)，镜下所见孔隙基本上和中等变质孔相同，孔径变小，可见孔隙极为稀少。

煤裂隙分类裂隙是煤层中流体运移和产出的通道，瓦斯地质和煤层气地质工作者对煤的裂隙研究非常关注。

煤中裂隙的宏观分类主要基于发育规模，巨型裂隙、大型裂隙、中型裂隙、小型裂隙、特小型裂隙。

内生裂隙：失水裂隙、浓缩裂隙、静压裂隙。

成因：煤化作用过程中，成煤物质体积均匀收缩产生内张力，从而产生张裂隙，主要出现在镜煤条带中；垂直差异压实作用产生内生裂隙；双重成因，即煤体积收缩作用和差异压实作用重叠产生内生裂隙；因煤中气的生成及驱出，引起孔隙压力的提高而产出内生裂隙。

煤化作用具有明显的阶段性，不同阶段煤层内部发生不同的变化，形成成因不同的裂隙。

按煤化阶段和力的来源，内生裂隙还可进一步分出失水裂隙、缩聚裂隙和静压裂隙，内生裂隙属于张性裂隙。

裂隙发育程度与煤岩有关，不同煤岩组分的裂隙，其密度由大到小是：镜煤>亮煤>暗煤。

外生裂隙的成因及特征煤层形成后，受各种地质构造应力作用而产生的裂隙为外生裂隙，或称之为构造裂隙。

按力学性质，外生裂隙可分为张性裂隙、压性裂隙、剪性裂隙、松驰裂隙。

3.6煤裂隙与煤体渗透性关系3.6.1煤体的渗透性与煤体的裂隙数量之间也具有确定的正比关系。

3.7煤化程度与煤的物理性质3.7.1煤的宏观组成煤岩的宏观组成是用肉眼方法观察煤的光泽、颜色、硬度、脆度、断口、裂隙、形态等主要特征而能区分出来的组分。

3.7.2煤的显微硬度与煤的宏观强度构成煤体中流体通道的有孔隙通道和裂隙通道。

煤体的孔隙通道决定于煤体的孔隙度，煤体具有较大的孔隙度时，流体的通道畅通有利于煤体中的瓦斯的流动。

从煤化程度与孔隙度的关系可知，低变质程度的褐煤和高变质程度的无烟煤具有较大的孔隙度，而变质程度中等的肥煤和贫煤具有较小的孔隙度，不利于流体的流动。

张性裂隙处于张开状态，有利于流体的流动；压性裂隙区的裂隙处于闭合状态，不利于流体的流动。

裂隙的张开度与裂隙处的地应力有关。

在地应力作用下，裂隙被压缩、闭合，阻止了流体的流动。

地应力越大，裂隙的渗透性越差。

第4章煤层瓦斯赋存与运移的基本理论煤体中瓦斯由于赋存的特殊性以及煤与瓦斯之间的吸附作用，使得煤体中的瓦斯运移变得极其复杂。

达西定律：Q=KFh/L式中Q为单位时间渗流量，F为过水断面，h为总水头损失，L为渗流路径长度，I=h/L为水力坡度，K为渗流系数。

关系式表明，水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比。

从水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面F的乘积，即Q＝Fv。

菲克定律：菲克就提出了：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusion flux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。

吸附：瓦斯分子由气相扩散到煤体表面；扩散到煤体表面的瓦斯分子被煤体吸附；被吸附的瓦斯分子与煤体表面发生反应，生成被煤体所吸附的产物分子。

煤体表面对不同的气体的吸附量的大小和气体凝聚性有交，凝聚性越强的气体，被煤吸附的量就越大。

朗缪尔方程：正是由于吸附相的存在，才使煤的表面张力下降、煤的表面能降低，使煤的固体骨架发生相对的膨胀，导致煤的强度的降低，使煤易以碎。

解吸瓦斯后，其强度就会上升，也就是基质收缩。

从分子运动论的观点来看，气体扩散的本质是气体分子不规则运动的结果。

煤是一种典型的多孔介质，根据气体在多孔介质中的扩散机理的研究，可以用表示孔隙直径和分子平均自由程相对大小的克努森数将扩散分为Fick型扩散、过渡型扩散和Knudsen型扩散。

在煤体的大孔和裂隙中，瓦斯流动是以压力梯度为动力，其运移遵循达西定律；而在微孔结构中，瓦斯流动是以浓度梯度为动力，运移遵循菲克定律。

分子在互相碰撞前所走的一段直线距离称为分子自由程。

气体压力越大，其扩散能力越强。

煤体中甲烷以过渡型扩散为主。

煤体发生变形的原因：瓦斯压力驱使瓦斯分子进入了煤中裂隙或孔隙空间乃至煤体胶粒结构内部，且使更多的吸着层楔开了与瓦斯分子直径大小相近的微孔隙或微孔隙。

煤的表面张力减小也是导致煤体发生变形的原因，煤吸附气体越多，煤的表面张力下降也越多，导致煤的变形值也越大。

随着瓦斯压力的增加，煤体的膨胀变形加大。

当瓦斯压力下降时，煤体中瓦斯发生解吸，煤体即产生收缩变形，且这种收缩变形通常情况下不能回到原点，即存在一定量的残余变形；煤吸附气体所表现的吸附性越大，其残余变形量越大。

当发生解吸时，一部分瓦斯将人煤体结构内部释放出来，会引起煤体微孔隙和微裂隙的闭合，从而引起煤体发生收缩变形。

一方面依靠与煤中碳分子的强大吸引力而结合在一起的吸附瓦斯还残留在煤胶粒结构内部，另一方面原来借助于气体压力楔入微孔隙和微裂隙中的部分瓦斯，因煤体在瓦斯压力下降时的收缩效应，而被禁锢在这些微孔隙和微裂隙中。

煤体膨胀就会产生附加应力，降压排采解吸时，煤体应力就会相应降低，煤的强度就会提高，同时煤体还会发生部分收缩，对于改善渗透率是有积极意义的。

1、随着煤体中瓦斯的释放，煤体孔隙压降低，则煤体裂隙在地应力作用下逐渐闭合，从而降低了煤体的渗透性。

2、随着瓦斯的解吸，煤体收缩变形，降低了煤体的吸附瓦斯产生的附加应力，进而降低煤休珠渗透性。

3、由于瓦斯的解吸，煤体的中纬度逐渐增加，煤体抵抗地应力变形的能力增强，从而抵消应力变化对渗透性的影响。

在瓦斯解吸、流动过程中，伴随着煤体与瓦斯的相互作用，其作用反映为煤体有效应力的变化，并以煤体渗透系数的变化体现出来，因此煤体的渗透率是变化的。

要改变低渗透煤层的渗透性，增加连通的孔隙与裂隙是唯一办法。

天然岩石发生逾渗转变的逾渗阈值远远低于理想均质多孔介质的逾渗阈值。

强化排采抽放应该从增大孔隙率入手。

创造更多的裂隙、孔隙通道，降低瓦斯压力，是煤层气开采的关键步骤。

如何在低渗透煤储层中创造更多的裂隙，并有效地保持其连通性是进行低渗透煤储层改性的关键。

三维应力场对裂隙渗流有显著的影响，不仅仅是作用于裂缝的法向应力对裂缝渗流有显著影响，而且平行于裂缝的两个侧向压应力也同样使裂缝渗透系数显著衰减。

如阳泉3号煤层，埋深400m比埋深100m的煤层渗透系数低近90%。

因此得出三维地层压力是导致煤储层渗透性降低的主要因素。

压裂在岩体中产生的裂缝数量仍然很少。

由于水力压裂并添加支撑剂，在煤层压裂裂缝周围会形成一高应力区，高压力区较大幅度的降低了裂缝周围煤体的渗透性，尽管通过裂缝形成了一条较好的渗流通道，但在裂缝周围反而形成一个屏障区。

以上二者是水力压裂改造低渗透煤层效果不佳的真正原因所在。

水力压裂适用于那些相对坚硬的裂缝性储层的资源开采，对于较软的储层，水力压裂的作用十分有限。

随着煤层埋藏深度的增加，煤样的瓦斯极限排放量减小。

深度每增加200m，煤样的最大瓦斯排放量减小17%以上。

在瓦斯排放的中后期，由于裂隙的慂生大于基质块体，裂隙内的游离瓦斯完全依靠基质块体内解吸的瓦斯给予补充。

裂隙处的瓦斯压力衰减趋势与基质块体内的瓦斯压力衰减趋势趋于一致而低于基质块体。

当埋深增加时，渗透性也变差。

5.4.4瓦斯排放过程中煤体应力的变化规律从瓦斯压力的变化超势看，在排放初期，裂隙处的瓦斯要比基质块体内的瓦斯流动速度快，瓦斯压力衰减迅速。

这一情况导致的直接结果是裂隙处的煤体有效应力同样比基质超导体内的有效应力增加迅速。

由于基质块体内部的瓦斯渗流是一个缓慢的过程，有效应力的增加相对平稳，而裂隙处的瓦斯渗流速度快，有效应力在排放初期迅速增长，在排放后期，裂隙内的瓦斯压力趋于平衡，裂隙与基质块体内的瓦斯解吸速度相当，有效应力变化趋势趋于一致。