煤炭学报2016深部（煤炭学报常琛）

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• 1、晋城无烟煤CO2&N2-ECBM数值模拟研究
• 2、煤中微量元素和矿物富集的同沉积火山灰与海底喷流复合成因
• 3、如何对煤炭行业有个全方面的了解？
• 4、中国不同煤阶煤的煤层气成藏特征对比
• 5、基于煤层压裂模拟的水饱和煤样单轴力学试验研究

晋城无烟煤CO2&N2-ECBM数值模拟研究

张松航1 唐书恒1 潘哲军2 汤达祯1 李忠诚1 张静平1

作者简介:张松航,男,博士,讲师;中国地质大学(北京),北京市海淀区学院路29号100083;Tel:13522441469:E-mail:zshangdream@126.com.

(1.中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083;2.澳大利亚联邦科工组织地球科学与资源工程部,墨尔本 3168)

摘要:基于晋城无烟煤储层地质条件下煤炭学报2016深部的储层和煤岩参数,结合晋城无烟煤煤层气藏直井生产必须压裂增产的实际,以200m为产注井距,使用澳大利亚联邦科工组织的煤层气储层数值模拟软件(SIMED Win)模拟煤炭学报2016深部了不同气体组分条件下(CO2:N2=90:10,75:25,50:50)的煤层气增产和二氧化碳埋存过程。研究结果表明,采用CO2和N2混合气体驱替煤层气的早期,氮气组分含量越高,气井产量越高,但从整体上看对煤层甲烷产量影响不大;不同气体组分条件下的驱替对水产量变化影响不大;煤储层的割理孔隙度在甲烷解吸、氮气、二氧化碳吸附、煤岩有效应力改变的综合效应下呈现增高-降低-增高-降低的变化趋势。综合考虑煤层甲烷产量和CO2的封存效果,采用在煤层气开发初期适当增加氮气组分含量,改善储层渗透性,随后注入纯二氧化碳驱替的方式更加经济有效。

关键词:沁水盆地 煤层气 煤储层 CO2N2 提高采收率

Numerical Simulation of CO2 N2 Enhanced Coalbed Methane Recovery on Jincheng Anthracite Coal Reservoir

ZHANG Songhang1, TANG Shuheng1, PAN Zhejun2,TANG Dazhen1 , LI Zhongchen1 , ZHANG Jingping1

(1.School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;2.CSIRO Earth science and resources engineering, Melbourne 3168, Australia)

Abstract: In this paper, the gas production and CO2 N2 injection processes of the production well and the injection well with 200 m spacing were respectively studied using the coal reservoir simulator, SIMEDWin, devel- oped by CSIRO Earth Science and Resources Engineering, Australia. The coal reservoir and coal property parame- ters used in this simulation were full account of the in-situ coal geological conditions of the anthracite coal in Jincheng district.In addition, the hydraulic fracturing which was widely used as an enhanced methane recovery technology was also taken into account . The simulation results show that the higher of the N2 content in the mixed gas, the higher of the CBM output in the early stage of the production.But N2 content show very small effect on the long term CBM production.In addition, the injected mixed gas of CO2N2 with different ratio has little effect on the water production.The cleat porosity of the coal reservoir changing dynamically under the effect of desorption of CH4, adsorption of CO2 N2 and changing of pore pressure during the gas and water production process.Considering the production of CBM and the sequestration of CO2 for CO2 N2 -ECBM the suggestion is that appropriately increase the nitrogen component in mixed gas improving the reservoir permeability in the early production stage, and then inject the pure carbon dioxide.

Keywords: Qinshui Basin; coalbed methane; coal reservoir; CO2N2; ECBM

全球变暖问题已经越来越严重,如何减少全球变暖的“主犯”——二氧化碳气体的排放,已经成为煤炭学报2016深部了一个亟待解决的全球性热点问题。碳捕集和封存技术(CCS)被认为是最切实可行和最具发展前景的二氧化碳减排技术。其中煤层封存二氧化碳技术受煤储层埋深影响较小,既可以达到减少温室气体排放的效果,还可以提高煤层甲烷的采收率(CO2-ECBM),具有经济和环境双重效益。目前,我国已经和加拿大合作实施了“中国煤层气技术开发/CO2埋藏”项目,项目实施效果良好(Wong et al.,2007;Wong et al.,2010;叶建平 et al.,2007),但是由于CO2注入引起的煤基质膨胀,使得煤储层的渗透率降低,一定程度上抵消了该项目的可操作性。然而,加拿大在Alberta地区进行的CO2/N2-ECBM试验,使得在渗透率为1mD的低渗透煤储层中进行的气体注入比较容易进行(Mavor et al.,2004)。因此,注入CO2和N2混合气体的方式有助于CO2封存和ECBM项目实施的成功;此外,由于CO2和N2是工厂烟道气的主要成分,直接使用能够减少CO2的捕集和分离成本,增加了项目实施的经济性。考虑注入CO2和N2混合气体就要求寻找最佳的注气比例和注气方式。我国目前处在CO2-ECBM的探索阶段,相关研究还很少,本文采用数值模拟方法,研究晋城无烟煤储层地质条件下,不同比例CO2和N2混合气体的CO2封存和ECBM效果,并提出相关建议,对深部煤层中进行CO2埋存和ECBM有一定的指导意义。

1 方法原理

本研究基于澳大利亚联邦科工组织的煤储层数值模拟软件——SIMEDWin。SIMEDWin是一款气、水两相多组分,包含单孔和双孔隙模型的三维储层模拟软件,适于煤层气单井或气田范围内的多井生产模拟,以及注气(多组分)提高煤层气采收率模拟(潘哲军,卢克·康奈尔,2006;张松航 et al.,2011)。本论文模拟网格采用对数网格,气体吸附模型采用扩展的兰氏方程,孔隙度-渗透性模型采用P-R模型(Pekot and Reeves,2003),基质至割理的气体扩散采用Warren and Root公式描述;割理中的气、水流动采用达西定律描述;储层中压降模型采用扩散方程描述;物质守恒方程的求解采用全隐式多元牛顿方法和正交极小化方法,由于张松航等(2011)已做详细介绍,本文不再赘述。另外,张松航等(2011)的研究结果表明,就晋城无烟煤的储层地质条件而言,200m产注井距具有较好的驱替效果,因此本文设定产注井距为200m,而CO2和N2混合气体的组分比例分别设定为90:10,75:25和50:50。

2 煤储层地质特征和参数设置

沁水盆地南部,太原组的15#煤层和山西组的3#煤层厚度大且全区分布稳定,为煤层气勘探的主要目的层,本次的模拟工作主要考虑封闭性较好的3#煤层。3#煤层厚4.5~7.0m,埋深变化于292.41~780.05m。宏观煤岩类型主要为半亮煤和半暗煤,属中低灰煤。镜质体反射率介于2.2%~4.5%之间,属半无烟煤和无烟煤,反映了较高的生气能力。煤层含气量一般介于10.0~27.2m3/t,理论含气量29.6~35.6m3/t,含气饱和度多大于70%。煤储层压力主要在2.06~6.85MPa之间变化,平均3.49MPa,属欠压-常压储层。储层渗透性变化较大,试井渗透率变化于0.04~112.6mD之间,多数储层原始渗透率小于1mD。从晋试1和TL-003井的3#煤层的气样组分分析结果看,甲烷气含量占主体(分别为98.17%和97.52%),含少量氮气(分别为1.45%和2.42%)和二氧化碳(分别为0.35%和0.04%),及一些痕量气体。

本次模拟的参数选择主要参考TL-003井,以及上述的区域总体储层地质特征。TL-003井为枣园地区施工的第一口煤层气井,张先敏和同登科(2007)采用数值方法拟合了其从1998年3月16日至1999年4月11日共392天的排采资料,取得了不错的效果;叶建平(2007),wong等(2007)分别报道了2004期间对其实施的ECBM微型先导性实验研究成果,并通过数值拟合结果校正了储层参数。本次模拟实验的参数选取见表1,考虑到我国煤储层初始渗透率偏低,普遍需要储层压裂,根据单学军等(2005)的数据设计了煤储层压裂裂缝模拟参数。3#煤层对甲烷、二氧化碳和氮气的吸附参数选取见表2。此外,在模拟过程中存在以下假设,1)在排采过程中煤储层的温度不变;2)储层原始状态下割理裂隙被水100%饱和。

表1 晋城3#无烟煤数值模拟参数汇总表

表2 晋城3#煤层无烟煤吸附解吸参数取值表

3 模拟结果

3.1 气体组分对产气的影响

从每种气体组分条件下的产气量曲线(图1)可以看出,总日产气量基本存在三个阶段:第一次产气高峰及其随后的下降阶段,从产气低值到第二次产气高峰的持续增长阶段和达到第二次产气高峰及其后的稳定阶段。其中前两个阶段,甲烷的产量基本和总产气量重合,说明此时还未出现氮气和二氧化碳气体的穿透;而在第三阶段,随着氮气和二氧化碳的穿透,甲烷日产量与日总产气量差值越来越大(图1a)。每种气体组分条件下,氮气和二氧化碳的产出具有时间性,氮气的产出约在第800~1000天,二氧化碳的产出在第3000天前后(图1b)。

图1 生产井日产气量图(a)总产气量和甲烷产气量;(b)二氧化碳产气量和氮气产气量

对比不同组分注气条件下的气产量(图1)可知,各条件下的气产量(即甲烷产量)曲线在总日产气的第一阶段基本重合。生产井的第一产气高峰和煤储层压裂裂缝和储层原始渗透性的“二元”渗透性相关,气体主要来源于井筒和裂缝周围的气体解吸,而在稍远离该高渗通道的煤基质内部由于渗透性较低,不能快速补给,导致气产量降低。生产井产气量降至最低点的时间在第300天左右,从第330天的气相相对渗透率(图2)可以看出,在生产井产气量降至最低值前,生产井周围的气相相对渗透率较低,一般小于0.05mD,此时注入井周围产生的气相相对渗透率的增加尚未对生产井的气产量产生直接影响。同时除注入混合气体组分不同外,其煤炭学报2016深部他模拟参数都相同,产气井周围的压力分布相似,因此该阶段不同组分注气条件下的气产量相同。从总日产气的第二阶段开始,90:10,75:25,50:50三种注气条件下的总日产气量依次增加,即随着混合气体中氮气组分含量的增加,总日产气量逐渐增加;同时容易发现,随氮气组分含量的增加,产气第二阶段的持续时间依次减少,即产气量达到第二产气高峰的时间提前。

三种气体组分比例条件下的甲烷产出情况显示(图1a),从第300天左右的日产气量低值开始到第3000天,组分比例为50:50条件下,甲烷的产量最高,组分比例为75:25条件下的甲烷产量中等,组分比例为90:10条件下的甲烷产量最低。也就是说,随着注入气体组分中二氧化碳含量的增高,在生产的前3000天,甲烷的产量降低;相反混合气体中氮气含量增加有助于提高甲烷的产量。从图2可以看出,在第330天生产井和注入井刚刚出现气相相对渗透率的贯通,而且90:10,75:25,50:50三种气体组分比例条件下,生产井和注入井的贯通性依次变好,这也是在产气低值至生产约第3000天以前这段时间内,在这三种气体组分比例条件下,气井产量依次升高的原因。然而在50:50条件下,气体达到第二次产气高峰后,形成的甲烷产量并不稳定持久,成缓慢下降趋势,气体组分中氮气含量越高,甲烷日产量下降越快。而在生产3000天以后,在90:10的组分比例条件下的甲烷日产量反而最高。值得注意的是,第3000天左右这个时间点,既是不同组分条件下甲烷产量的交点,即转折点,同时也是二氧化碳产量逐渐快速增加的阶段。

图2 第330天时气相渗透率等值线图

对比三种组分条件下氮气产量和二氧化碳产量的差别可知,随着注入混合气体组分中氮气含量的增加,产出井中的氮气含量依次增加;同样,注入混合气体中二氧化碳组分含量增加,产出井中的二氧化碳含量依次增加(图1b)。然而,虽然不同混合气体组分条件下,氮气和二氧化碳的产出量不同,但是它们开始产出的时间基本相同。分析认为,由于氮气和二氧化碳气体存在性质上的差别,注入氮气和二氧化碳气体对增产甲烷存在两个关键时间。第一个关键时间是产气井中氮气含量明显上升的时间,此时表明生产井和注入井之间的气相渗透性的穿透形成不久,生产井逐渐达到第二次产气高峰。第二个关键时间是产气井中二氧化碳气体产量开始明显上升的时间,此时产气井中,氮气产量基本趋于稳定。两个关键时间出现的先后,不因气体组分比例的差别而有太大的差别,说明不同气体组分在煤岩中的运移,与气体本身和煤岩的作用性质相关,而与气体本身的浓度关系不大。此外,在第二关键时间点与甲烷产气量的交点相对应,说明在这个时间点,氮气对增产甲烷的影响已经比较小。

90:10,75:25,50:50三种气体组分比例条件下,在第3000天时生产井产出氮气含量占注入井注入氮气含量的比例分别为0.68,0.67,0.66;在第7000天时,生产井产出的氮气含量占注入井氮气含量的比例分别为0.83,0.84,0.84,这说明在生产井生产3000天以后,从注入井注入的氮气有一半以上都产出了。对比甲烷的产气情况,说明氮气对CO2N2-ECBM的影响主要体现在对采出速率的影响上,由于其对煤岩的竞争吸附能力弱于甲烷、更弱于二氧化碳,不能从本质上起到提高甲烷采收率的作用。因此,在实际的注气操作中,可以考虑在注气前期注入氮气和二氧化碳的混合气体,而在注入后期单注二氧化碳。

3.2 气体组分对产水的影响

从数值模拟的结果看,不同气体组分对生产井产水的影响不大,仅在第一产气阶段存在差别,随氮气含量的增高,日产水量略有增加(图3)。由于煤储层对二氧化碳、甲烷和氮气的吸附能力依次为CO2CH4N2(于洪观等,2005;唐书恒等,2004;吴建光等,2004),向煤层中注入混合气后,CO2分子会置换吸附着的甲烷分子,CH4分子被置换后扩散到煤层天然裂隙系统中,而CO2则被捕获到煤基质中;同时,由于N2的吸附能力小于CO2和CH4,仅一小部分注入的N2被吸附到煤基质中,其余大多数停留在裂隙系统中,裂隙中的N2一方面减少了甲烷在裂隙系统中的分压,从而提高了甲烷从原生孔隙中的解吸速率和在原生孔隙系统中的扩散速率;另一方面,增加了煤层的天然裂隙系统的总压力,提高了气体从裂隙系统到达生产井的推进力。由此可知,氮气的存在,改变了注入井周围的渗透性,增加了压力传播的效率。在生产井和注入井间气相穿透前,随着混合气体中氮气组分的增多,两井间的压差呈略微增大趋势,因此50:50组分条件下生产井排水量略高。生产井和注入井气相穿透后,不同气体组分条件下,生产井的水产量基本相等,说明改变注入井的气体组分,整体上对生产井的排水情况影响不大。

图3 不同气体组分条件下气井日产水量图

3.3 气体组分对储层孔渗性的影响

在90:10组分比例注气增产条件下,储层的平均孔隙度变化呈先降低,略有升高,再缓慢降低的趋势(图4)。总体上在90:10组分比例条件下,储层孔隙度呈降低趋势。75:25,50:50组分比例条件下,在模拟时间内,储层孔隙度都呈现先降低,再升高的趋势。比较三种组分比例条件下的平均孔隙度变化曲线,气体组分中氮气组分的比例越高,在生产的初始阶段储层平均孔隙度下降的速率越小,下降的幅度也越小,下降的时间也越短。同时,氮气含量越高,储层平均孔隙度由下降转上升的时间也越早,增大的幅度也愈大。

图4 不同气体组分下储层平均孔隙度随时间变化图

3.4 不同气体组分条件下CO2-ECBM综合效益分析

对比不同气体组分条件下,累积总产气量和累积甲烷产量(图5),可以看出,90:10,75:25,50:50三种气体组分比例条件下,总气体产量依次升高,模拟生产7000天的总产气量分别约为889.9万m3,945.5万m3,1050.4万m3;而三种气体组分比例条件下生产7000天的甲烷累积含量相差不大分别为759.5万m3,765.3万m3,779.3万m3。可见,在注入气体中,增加氮气组分的含量,在生产的约前3000天,明显提高了甲烷气体的生产速率,但是在总体上,即整个7000天的模拟时间内,对甲烷气体增产的贡献不大。在生产的后半段,氮气组分含量对储层孔渗性的改善主要体现在,增加了注入气体的穿透速度,总体上对甲烷增产的作用不大。

从90:10,75:25,50:50三种气体组分比例条件下的累积注入气量和累积封存二氧化碳气体含量图(图6)上可以看出,三种气体组分比例条件下的气体注入气量依次降低分别为,892.1万m3,835.7万m3,792.6万m3,同时二氧化碳气体的封存气量也依次降低分别为,724.2万m3,571.7万m3,364.8万m3。由此,生产7000天的时间内三种气体组分比例条件下的注存比分别为0.81,0.68,0.46。总体上二氧化碳气体含量越高,注入的二氧化碳越多,封存的二氧化碳也越多。

图5 累积甲烷产气量对比图

图6 累积注入气量和累计净封存二氧化碳含量图

因此,考虑到生产井产出混合气体后,分离混合气体的成本,以及注入气体的成本,如果不考虑时间成本的话,注入井的气体用纯二氧化碳气体最好,因为在整个生产周期内,氮气组分对甲烷气体的总产量影响不大;如果考虑时间成本,可以考虑在生产的前半期使用较高含量的氮气的混合气体,可以有效地提高甲烷气体的采出率,但是在生产后期,可以考虑使用纯二氧化碳气体入注。减少不必要的注入和分离成本。

4 结论

使用SIMEDWin软件可以有效地模拟不同储层参数对煤层气井生产的影响,同时可以了解生产过程中储层压力、气和水相相对的渗透率、气和水相饱和度、储层平均孔隙度等储层参数的动态变化。

通过对比90:10,75:25,50:50三种CO2:N2组分比例条件下的CO2N2-ECBM模拟结果可知,在煤层气生产的前期,适当增加注入井中氮气组分含量,可以有效地改善储层孔渗性能,提高煤层气甲烷产量;然而,从整个煤层气生产过程考虑,增加注入气体组分中氮气的含量,并不能从实质上增加甲烷气体的产量,同时由于注入气体中氮气组分含量过大,造成生产井总产气量的大幅提高,从而增加分离产出气体的成本;从二氧化碳气体封存的角度看,增加注入气体中氮气组分的含量,会大幅度减小同期内的二氧化碳封存量;此外,从氮气的流动情况看,注入气体中氮气含量越高,在煤层气生产的后半段稳定的产出的氮气含量越高,基本上煤储层已经氮气饱和,注入氮气量和产出氮气量形成了一种均衡。因此,在煤层气生产的前半期适当增加注入氮气的含量,而在煤层气上产的后半期改用纯的二氧化碳注入,一方面能够起到,煤层气增产的目的;另一方面能够起到节约成本,增加二氧化碳注入量的目的,是一个有效的CO2N2-ECBM措施。

参考文献

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煤中微量元素和矿物富集的同沉积火山灰与海底喷流复合成因

摘 要 煤中常量、微量元素和矿物煤炭学报2016深部的富集往往是多种地质因素共同作用的结果。运用低温灰化、X射线衍射分析、带能谱仪的扫描电子显微镜、逐级化学提取、电离耦合等离子体质谱等方法对云南砚山晚二叠世煤的矿物学和地球化学特征进行了研究煤炭学报2016深部，提出了煤中微量元素和矿物富集的同沉积火山灰与海底喷流复合模式(或成因类型)。研究发现，砚山矿区M9煤层硫分含量很高(St，d=10.65%)，属于超高有机硫煤(So，d=9.51%)。矿物组成主要有β-石英副像、透长石、钠长石、白云母、伊利石、黄铁矿以及少量的高岭石、斜长石、钙镁黄长石、金红石和片钠铝石。煤中高度富集的微量元素F(841μg/g)，V(567μg/g)，Cr(329μg/g)，Ni(74μg/g)，Mo(204μg/g)和U(153μg/g)。该煤中的矿物质主要有3个来源:①高温石英、透长石、白云母和伊利石等是泥炭聚积期间酸性火山灰降落到泥炭沼泽后的产物;②钠长石和片钠铝石以及以上超常富集的微量元素是在泥炭聚积期间，基性-超基性海底喷流侵入到闭塞缺氧的泥炭沼泽中所致;③稀土元素，Nb，Y，Zr和TiO2等亲石元素来源于盆地南部的越北古陆。除了物源供给以外，砚山矿区煤的矿物学和地球化学异常是同沉积酸性火山灰和基性-超基性海底喷流共同作用的结果。

任德贻煤岩学和煤地球化学论文选辑

煤中常量和微量元素以及矿物是煤形成和演化地质历史过程的产物，Ren等人［1］和任德贻等人［2］总结了煤中微量元素富集的成因机理，并提出了5种富集模式，即陆源富集型、沉积的生物作用富集型、岩浆热液作用富集型、深大断裂-热液作用富集型和地下水作用富集型。含煤地层中的火山灰蚀变黏土岩夹矸(Tonstein)对研究区域地质历史演化和煤层对比等方面具有重要作用［3，4］。对中国西南地区晚二叠世煤中发育的Tonstein的研究表明［4～6］，晚二叠世早期的火山喷发以碱性火山灰为主，晚二叠世中晚期以酸性为主。煤中的Tonstein可能会对煤的地球化学特征产生重要影响［7］。影响西南地区晚二叠世煤中微量金属元素富集的因素很多，但低温热液是主控因素［8，9］。赋存在煤中的同沉积火山灰(分布在煤中有机质中的火山灰，不包括Tonstein)有较少报道［7］，而海底喷流对煤中矿物和元素富集的影响尚未见诸报道。本文对云南砚山局限碳酸盐台地型煤层的矿物学和地球化学进行了研究，提出了煤中矿物和微量元素富集的同沉积火山灰与海底喷流复合模式。该文提出的煤中微量元素和矿物的富集模式，可以为新型金属矿床的寻找提供借鉴。

一、地质背景

砚山矿区位于云南省东南部(图1)，其含煤地层为上二叠统吴家坪组(P2w)和长兴组(P2ch)［10］，该区M9煤层是典型的局限碳酸盐台地型煤层。M9煤层位于上二叠统吴家坪组的中部，厚度为1.91m，其顶板为富含生物碎屑的隐晶灰岩，底板为炭质泥岩或含炭泥灰岩。含煤沉积的主要物源来自盆地南部的越北古陆(图1)。

图1 砚山矿区位置图和晚二叠世古地理图

二、研究方法

共采集砚山干河M9煤层全层刻槽样品3个，编号分别为YS-1，YS-2和YG。同时，自上而下共采分层刻槽样品3个，编号分别是Y-3-1，Y-3-2和Y-3-3，这3个分层的厚度分别为0.70，0.67和0.54m。

运用光学显微镜、带能谱仪的扫描电子显微镜、低温灰化和X射线衍射仪对矿物的种类、存在状态进行了研究。利用显微镜光度计对煤中显微组分的形态和镜质组反射率进行了测定。运用X射线荧光光谱仪对煤中常量元素的含量进行了测定，F和Hg分别运用离子选择性电极和冷原子吸收光谱法进行了测定，Cl采用艾士卡混合剂熔样-硫氰酸钾滴定法测定;B利用电离耦合等离子体原子发射光谱测定;其他微量元素采用电离耦合等离子体质谱进行了测定。

三、结果与讨论

1.煤化学特征

云南砚山晚二叠世M9煤属于中灰(27.51%)、高硫(10.65%)的高煤化程度的烟煤(贫煤)。由于M9煤层中有机硫含量高达9.51%，又称之为超高有机硫煤(表1)。这种超高有机硫煤在自然界中非常罕见。在中国，此类型煤仅在贵州贵定(So，d=8.57%)和广西合山(So，d=3.42%～6.46%)有报道［11，12］。

表1 云南砚山晚二叠世M9煤的工业分析、全硫和形态硫测试结果 单位:%

注:6个样品均值.M—水分;A—灰分;V—挥发分;St—全硫;Ss—硫酸盐硫;Sp—硫化物硫;So—有机硫;ad—分析基;d—干燥基;daf—干燥无灰基。

2.煤中矿物的种类、赋存特征和成因

煤中常见的矿物一般有黏土矿物、硫化物矿物、石英和方解石［13］。利用低温灰化+X射线衍射分析、光学显微镜和带能谱仪的扫描电子显微镜观察后发现，砚山M9煤层中的矿物组合较为异常，主要矿物有透长石、β-石英副像、白云母、伊利石、钠长石、黄铁矿，还有少量的片钠铝石、斜长石、钙镁黄长石、锐钛矿和金红石。

黄铁矿:主要呈浸染状或莓球状分布在基质镜质体中，其粒径较小，大部分小于20μm。煤中黄铁矿的赋存形态表明，它属于海水影响下的产物。泥炭聚积期间，海水中的硫酸根离子被硫酸盐还原菌还原成硫化氢后与沼泽中的Fe离子反应而形成［14］。

β-石英副像:主要呈细小的、晶型较好的颗粒分布在基质镜质体中，其绝大部分颗粒小于10μm，横切面近六边形(图2(a))，有的有熔蚀现象、柱面不发育。从其形态特征可以推断属于高温成因。

透长石:粒径较小，绝大部分小于10μm，有的晶形保存较好(图2(b)，(c))，有的发生了熔蚀，被熔蚀的透长石有时仅保留模糊的外形，有的透长石熔蚀现象较为严重，仅留有残缺不全的边缘，内部被钠长石所替代或片钠铝石(NaAl(OH)2CO3)所充填(图2(c))。

白云母:呈长条状分布在基质镜质体中。

钠长石:晶形较透长石完整(图2(d))，简单双晶发育，部分钠长石发生了熔蚀现象(图2(c))，有的钠长石充填在被熔蚀了的透长石内部。

伊利石:呈不规则团块状、长条状、絮凝状(图2(e))或浸染状分布在煤的基质镜质体中。

此外，M9煤层中还有少量的斜长石、金红石、钙镁黄长石和高岭石等矿物分布在基质镜质体中。

虽然煤系地层中酸性火山灰蚀变黏土岩夹矸中的高温石英非常普遍［3，15］，但在煤中和有机质紧密联系的高温成因的石英却鲜有报道。砚山M9煤层中高温成因的石英其外形仍然依β石英成副像(图2(a))。β石英和透长石是高温相的产物。该煤中高温石英-透长石-白云母矿物组合是泥炭聚积期间酸性火山灰降落到沼泽中的产物。由于这些矿物的粒径很小，并且均匀地分布在煤的有机质中，推测当时的火山口距沼泽较远，并且降落到沼泽中的火山灰的数量较少，尚不足以形成所谓的火山灰蚀变黏土岩夹矸(Tonstein)。在M9煤层中尚未发现Tonstein层，砚山矿区位于与Zhou等人［4］所圈定的西南地区Tonstein的分布范围之外，而在此范围内，晚二叠世火山活动较为强烈，在煤层中形成多层的Tonstein。

图2 M9煤中的矿物赋存特征

陆源碎屑供给和后生作用等均可在煤中形成伊利石［13］。但M9煤层中的伊利石并非陆源碎屑成因，也不是后期热液作用的产物。降落到M9煤层的沼泽中的酸性火山灰玻璃质在泥炭聚积期间和成岩作用早期蚀变形成高岭石，随着成岩作用的增强和在偏碱性的介质环境条件下，大部分高岭石转变为伊利石，有些伊利石还保留着火山灰絮凝状的结构特征(图2(e))。Burger等人［5］、周义平和任友谅［6］的研究表明，在云南东部和贵州西部上二叠统煤系地层的Tonstein中黏土矿物(高岭石-伊利石)的组成比例与煤的变质程度密切相关，在烟煤阶段，高岭石占优势，到无烟煤阶段，绝大部分高岭石蚀变为伊利石。砚山M9煤中火山灰性质和西南地区的火山喷发物的特征相吻合，即在晚二叠世中晚期以酸性为主。

煤中的长石和白云母一般被认为是陆源碎屑成因的矿物［13，16］。但砚山M9煤层中的长石并非陆源碎屑成因。M9煤中的钠长石与火山成因的透长石、高温石英亦不是同期成因的产物。钠长石有时充填在被熔蚀的透长石内部，是在透长石发生溶蚀后形成的，其形成时间晚于透长石，表明钠长石是从热液中自生的。因此，可以推断在泥炭聚积期间，火山灰降落到泥炭沼泽并且经过了一定的蚀变作用后，又有基性-超基性的海底喷流形成的热液进入到泥炭沼泽中，形成了钠长石和少量的片钠铝石和斜长石等矿物。片钠铝石在煤中尚未见诸报道［13，17，18］，是一种水热成因的矿物［19～21］。片钠铝石记录了深部幔源-浅部壳源之间的物质转移，是流体运移后留下的产物，并且形成于富钠离子的碱性流体介质条件［21，22］，该矿物的存在进一步证明了海底喷流侵入到了泥炭沼泽。

片钠铝石和钠长石的赋存状态排除了这两种矿物属于后生热液的可能性:①M9煤中的后生裂隙极不发育，尚未发现充填于后生裂隙的长石和片钠铝石;②钠长石在煤层中顺层理分布(图2(f))，显示出同沉积的特征，而非后生热液成因;③该煤中的矿物组成的平面分布的差异性极不明显，钠长石在该煤层中普遍存在，在研究者1988年采集的样品和2006年采集的样品中均富集钠长石等矿物(样品采集间隔18a);而后生热液成因的矿物往往在煤层中具有局部富集的特征，含量分异明显。

3.煤中常量和微量元素的丰度、赋存状态和成因

表2列出了砚山M9煤中常量元素和微量元素的含量及其与中国大部分煤、世界大部分煤的对比。从中可以看出，砚山干河M9煤中的元素有如下特征:与中国大部分煤和世界大部分煤中微量元素的均值相比，砚山煤中F(841μg/g)，V(567μg/g)，Cr(329μg/g)，Ni(74μg/g)，Mo(204μg/g)和U(153μg/g)等微量元素的含量超常富集(表2)。该煤中V，Cr，Mo和U的均值分别是中国常见煤的16.2倍、21.4倍、63.9倍和63.5倍。

虽然陆源碎屑供给通常是煤中微量元素的一个重要来源，砚山M9煤中的稀土元素，Nb，Y，Zr和TiO2等亲石元素反映了越北古陆物源物质组成特征。越北古陆是加里东褶皱带泸江带，以酸性岩体为主［25，26］。但砚山煤中高含量的V，Ni，Cr，Mo和U是不能用陆源供给所能解释的。与超基性和基性岩相比，酸性岩中的V，Ni，Mo，Cr等元素均较低，U的含量虽然较高，但其含量也仅为3.5μg/g［27］，不足以提供煤中如此高含量的U。

这些高含量的元素也不是上面所叙述的酸性火山灰降落到泥炭沼泽形成的，酸性火山灰并不富集这些元素，何况降落到泥炭沼泽中的酸性火山灰的量比较少。

尚无证据表明这些元素是地外来源。这些元素(包括S在内)也不是正常海水能够提供的，海水中的硫酸盐浓度是一定的，并且泥炭聚积是在一种滞留的、受限的局限碳酸盐台地，影响泥炭沼泽的新鲜海水并不能得到及时的补充。

表2 砚山M9煤层元素的含量及其与中国大部分煤、世界大部分煤的对比

砚山M9煤层中富集的元素及其元素的组合特征类似于中国南方早寒武纪的黑色页岩(包括石煤)，然而砚山煤中元素比黑色页岩中的赋存形式和来源复杂得多，既有火山的、陆源碎屑的、生物的、海水的，还有海底喷流的。砚山煤的地球化学异常可能是在泥炭聚积期间，海底喷流携带的金属元素V，Ni，Mo，U，Cr以及S和F等沿深大断裂搬运沉积至泥炭沼泽的结果。海底喷流从镁铁质-超镁铁质岩中淬取了V，Ni，Cu和Mo，并可能与下伏的富U的岩浆层提供的物质混合在一起，搬运沉积到局限碳酸盐台地的泥炭沼泽中，缺氧的环境和沼泽中丰富的有机质(高等植物和低等生物菌藻类)为元素的长时间活化和富集提供了条件。鲍学昭等人［28］研究表明，海底喷流作用可带来大量的U元素。

虽然低等生物对有机硫和一些金属元素富集有贡献，但M9煤中如此高含量的硫和金属元素也不是硫细菌所能够提供的。该煤层的干酪根δ13C‰(PDB)值为－22.8‰～－23.7‰，N的含量并不高(0.67%～0.69%)，具有腐殖煤的特征，因此成煤植物的主体还是高等植物。但是，菌藻类在其生长和死亡后降解过程中，可在元素富集、改变环境pH和Eh值、改变水体中元素平衡系统和元素沉淀等方面对煤中有机硫和金属元素的富集发挥重要作用。

在微量元素的组合方面，以有机态结合的V/(V+Ni)=0.88，缺氧环境中有机质的V/(V+Ni)0.5，而氧化条件下0.4［29］。从砚山M9煤的U/Th关系(图3)中可以看出，投点均落入U/Th=1～100区域，另外，U/Th比值很高(8.9～35.2)，说明泥炭聚积时受到热液影响较为强烈［30，31］。用Th-U的关系式Ua=UTotal–Th/3(其中Ua为自生U)可以说明缺氧条件［32］，M9煤的Ua为107～176μg/g，而M7煤的Ua仅为17μg/g，表明M9煤的泥炭聚积时显著缺氧。

将砚山M9煤层中的Zn，Ni和Co元素含量投入Cronan的Zn-Ni-Co三元图中(图4)，这些点均落入热水沉积区，显示了热水沉积的特征［33］。

图3 砚山M9煤层的U/Th关系图

图4 砚山M9煤层的Zn-Ni-Co图解

关于硫的来源和赋存状态，由于现行的有机硫含量的确定方法(GB/T214－1996，GB/T215－2003和ASTMD3177/4239和D2492－2)是用全硫减硫化物硫和硫酸盐硫所获得的，这些方法尚不能证明这些硫就是有机的。砚山M9煤中的赋存状态值得深入研究。这些高含量的硫可能是海底热泉带入到封闭的沼泽中，并且均匀地分布在煤的有机质中，而被认为是所谓的“有机硫”。

综上所述，云南砚山M9煤层的矿物组成和一些元素的超常富集是同沉积火山灰与海底喷流共同作用的结果，该煤层矿物质的富集成因是一种新的复合富集模式。至于贵州贵定和广西合山晚二叠世煤是否受到同沉积酸性火山灰的影响还需进一步研究。

在煤中微量元素的利用方面，由于该煤中的V，Cr和U含量很高，它们在煤的燃烧产物(如飞灰)中可能进一步富集，如果能对这些元素进行提取，可以实现煤炭经济的良性循环发展，也为新类型的金属矿床研发提供借鉴。

四、结论

云南砚山M9煤是局限碳酸盐台地基础上形成的煤层，属于超高“有机硫”煤。该煤中矿物的种类和组合特征(β-石英副像、透长石、钠长石、白云母、伊利石、斜长石、钙镁黄长石、片钠铝石)和超常富集微量元素(F，V，Cr，Ni，Mo和U)是同沉积酸性火山灰和海底喷流共同作用的结果。该煤层中的微量元素和矿物的富集成因机制是一种新的富集模式(或成因类型)。

参 考 文 献

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( 本文由代世峰、任德贻、周义平、Chen-Lin Chou、王西勃、赵蕾、朱兴伟合著，原载《科学通报》，2008 年第 53 卷第 24 期)

如何对煤炭行业有个全方面的了解？

全面讲解：

2008年以来，受国内多年积累的能源“瓶颈”因素影响及国际金融危机不断深化等多重因素的作用，国内煤炭市场呈现出极度涨落的特征。主要成因为，近年来国内经济显著的“重工业化”趋势加剧，经济主要部类农业和工业发展呈不平衡发展态势。农产品及主要消费品供应不足，首先导致前半年由cpi持续上涨引导的全面物价上涨，并形成相当严重的“泡沫化”价格；而长期依赖外部需求的的工业尤其是加工制造部门的扩张投资，直接造就了能源供应相对不足、价格大幅上行的前提，但一经遭遇外部需求突发性减弱，即暴露产能过剩的弊病。在过剩压力态势下，需求难以短期内恢复、价格大幅下滑、工业品利润率下降、重工行业甚至亏损经营，是未来一定时期内工业行业的主要趋势。 煤炭下游用煤行业如电力、钢铁、化工等行业目前下行的趋势仍在加剧。虽然短期内政府刺激投资的经济政策对提振市场信心产生了一定的正面效应，但到发生实质性的影响尚需时日；钢铁、电力行业的生产开工虽然相比四季度初有所恢复，但当工业保有资源量增加的情况下，价格仍然将下滑，煤炭需求仍将呈现低位盘整。那么，影响09年煤炭市场的主导因素有哪些，下面笔者分利空及利好两方面加以分析： 影响09年煤炭市场的利空因素主要包括： 1、宏观经济政策的不稳定性、宏观调控决策难度在09 年逐渐增大，使09年煤炭市场变数加大。中央政府近期安排的四万亿元投资及在不到一百天内多达5次的货币政策调整，旨在通过增加货币流动性，从而扩大交易量来扩大内需，遏制工业品需求严重不足、价格持续狂跌、就业形势严峻局面，而非对业已过剩的工业行业的重复“追加”投资。政策预期对工业品需求的拉动作用到底有多大，还很模糊。而且值得注意的是，受价格及利润影响，2008年年内已建成未投产能及在建产能，不稳定的市场及投资恐慌，将导致09年工业产能的闲置率仍将处于一定水平。煤炭下游产能不能充分运行，进一步使煤炭需求低位盘整。 2、在加大投资力度、刺激内需的时候，政府还必须防止投资方向走偏、并形成低水平重复建设的苗头。一方面，资金使用不当，不仅拉动不了需求，反而会无形中加大货币供应量，形成投资陷阱，造成新一论的通货膨胀；另一方面，投资方向失误，将直接导致低水平重复建设，为未来一定时期内再次产能过剩埋下祸根。在政府这样的宏观经济路线考虑下，内需不可能象工业投资那样对刺激经济增长短期立竿见影，钢铁、电力原本产能过剩，煤炭产能过剩也是随之而发生的事件。 3、钢铁、电力等主要用煤行业对明年一季度的需求预期仍不是很乐观。一方面，一季度正值两节期间，其下游行业的放假、开工不足等因素促使产品需求走低，市场再次萎靡；另外，经济金融危机的影响仍在深化，部分产品出口退税率虽然调低，但对反倾销的考虑及外部市场本身难以在短期反弹的因素，仍然决定着国内市场的走势。 利好因素，主要为： 1、国家已经在12月份出台对矿产品增值税税率的调整计划，从明年一季度开始，矿产品增值税率统一调整至17%。煤炭产品的增值税税率将由原来的13%调高4个百分点，增加煤炭财务成本30元/吨左右（按照700元/吨的价格预算）。另外，国家对煤炭资源的资源税制改革也呼之欲出，草案是由原来的从量计征改从价征收，税率为煤价的5%（可能达到平均30-40元/吨），比以前2.5-3.6元/吨的从价额扩大10多倍。两项税收制度的改革将增加煤炭成本 70元/吨左右。税费的提高，将对煤炭价格形成一定支撑。 2、煤炭产品的不可再生性及初级资源属性，不允许煤炭价格一直在低水平运行。我国的煤炭资源经过近3-5年的大规模开采，储量已经大幅减少。20世纪曾经是主采矿区的各大矿业集团目前已把就业及满足煤炭需求的目光转向外围煤田，而本土储量大多接近枯竭，采掘衔接业已出现深层次矛盾。前半年煤炭价格大幅度上涨，正是煤炭“瓶颈”及采掘矛盾深层次暴露的体现。只不过税费的调整未及时跟进，明年税制改革的推进，将进一步使煤炭开采的隐性成本显性化，反应资源的稀缺程度，进而促进煤炭价格趋于稳定。 总体看来，明年一季度影响煤炭市场的因素多空并存，整体经济复苏、需求恢复仍然是决定性因素。煤炭资源开采部分隐性成本显性化，将加大煤炭成本，对煤炭价格形成有力支撑。

中国不同煤阶煤的煤层气成藏特征对比

王红岩 李景明 李剑 赵群 刘洪林 李贵中 王勃 刘飞

（中国石油勘探开发研究院廊坊分院 河北廊坊 065007）

作者简介：王红岩，1971年生，男，江苏徐州人，高级工程师，博士，长期从事煤层气等新能源综合地质研究。地址：河北省廊坊市万庄44号信箱石油分院，邮编：065007。

国家973计划项目资助（编号：2002CB211705）。

摘要 高低煤阶煤的煤层气在储层物性、地层水矿化度、煤的吸附性和成藏过程方面具有较大差别。国内学者普遍认为高煤阶煤层由于其演化程度较高，割理不发育，煤层的渗透率极低而低估了勘探前景，以至于形成了煤层气勘探的“禁区”。我国地质条件和含煤盆地的构造活动要比美国复杂得多，煤层气的生成和富集有着自身的特点，而且多数煤层在其沉积后经历了多个期次、多个方向的应力场改造，而且大部分高煤阶煤的形成与岩浆热变质事件有关。我国西北地区低煤阶煤的煤层气资源丰富，资源量占全国资源总量的50%。高低煤阶煤的气体成因、物性特征、水文地质条件、含气性和成藏过程与低煤阶煤和国外高煤阶煤明显不同，高低煤阶煤的成藏差异性非常明显，二者在匹配的条件下有可能形成煤层气高产富集区，形成煤层气勘探的有利地区。

关键词 煤层气 高煤阶 低煤阶

ComParison on Accumulation Performance of CBM in Different Rank Coal Seams of China

Wang Hongyan，Li Jingming，Li Jian，Zhao Qun

Liu Honglin，Li Guizhong，Wang Bo，Liu Fei

（Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum ExPloration＆Development Langfang 065007）

Abstract：Accumulation performances of CBM are quite different in different rank coal seams such as reservoir physical features，salinity of formation water，absorption of coal and accumulation history of coal.It is generally understood that high rank coal seams are so called forbidden area for CBM exploration because of high metamorphic grade，undeveloped cleats and low permeability.In fact，the exploration prospects of CBM are underestimated.CBM accumulation performance of China has its own features which are much more complicated than that of the U.S.and the main reasons are that most of coal seams of China suffered from historical multiphase and multidirectional transformation of stress after sedimentation，moreover，formation of these coal seams were related to the thermal events of magmatism.There are rich CBMresources in low rank coal seams of northwest parts of China which accounts for 50 percent of total CBM resources of China.The cause of formation of CBM，physical features，hydrogeology conditions，gas contents and accumulation process are quite different between high rank and low rank coals as well as between domestic and overseas.Either high rank coal or low rank coal may form favorable CBM accumulation and prospection area under matching geological conditions.

Keywords：CBM；high rank coal；low rank coal

我国高煤阶煤的煤炭资源量巨大，其中煤层气资源量占中国煤层气总资源量的30%〔1〕。由于美国煤层气勘探成功的含煤盆地的煤阶都为中低煤阶，国内学者普遍认为高煤阶煤层由于其演化程度较高，割理不发育，煤层的渗透率极低而低估了勘探前景，所以研究高煤阶煤层气成藏条件，开展高低煤阶煤层气成藏机理对比研究，具有重要科学意义。为了更好地对高煤阶成藏特征进行研究，这里着重通过高低煤阶对比，来探讨高煤阶成藏的特殊性。为了便于对比，将Ro＜0.7%定义为低煤阶煤层气藏，Ro＞2%视为高煤阶煤层气藏，Ro＞0.7%～2%视为中煤阶煤层气藏。

1 高低煤阶煤层气藏的成因不同，高煤阶以原生和次生热成因煤层气为主，低煤阶煤以原生生物成因煤层气为主

煤层气存在生物成因和热成因两种。原生生物成因气是指煤化作用的早期阶段（成岩作用阶段），有机质在微生物作用下降解形成的煤层气；次生生物成因气是指经历了变质作用的中低煤阶煤（Ro＜1.5+%）抬升后在微生物作用下形成的煤层气；原生热成因气是指有机质在变质作用过程中形成的煤层气；如果原生热成因气经过解吸—扩散—运移—再聚集，则为次生热成因煤层气。

高煤阶煤层气藏主要为原生与次生热成因煤层气。以沁水盆地南部煤层气藏为代表。沁南地区煤层主要为高煤阶无烟煤，Ro=2.2%～4.0%之间，煤层气主要为热成因。煤层气甲烷δ13C总体偏小，在-26.6‰～-36.7‰之间，且随着埋深的增加而变大。这是由于煤层气的解吸—扩散—运移引起同位素的分馏导致。这种次生热成因的煤层气在国内外非常常见。滞流区受解吸—扩散—运移分馏作用的影响小，基本保持了原始状态。可见沁南煤层气藏煤层气的成因在空间上存在分带现象：次生热成因煤层气存在于浅部径流带，原生热成因气存在于深部滞流区。

未熟低煤阶煤层气藏以原生生物成因煤层气为主，代表性煤层气藏位于美国粉河盆地。粉河盆地第三系Fort Union组的煤在大部分地区为褐煤（Ro=0.3%～0.4%），深部存在高挥发分烟煤，没有达到可以大量产生热成因甲烷的成熟度。其甲烷δ13C值为-60.0‰～-56.7‰，δD值为-307‰～-315‰。表明以生物成因气为主，且主要是通过微生物发酵代谢途径形成的〔2〕。

低煤阶成熟煤层气藏煤层气的成因非常复杂，既有次生生物成因的，也有原生与次生热成因的。美国的圣胡安和犹因他盆地都存在这三种成因的煤层气。我国阜新盆地白垩系阜新组煤的Ro=0.6%～0.72%之间，据同位素和煤层气组分分析，该区煤层气主要为次生热成因，其次为次生生物成因。

2 高低煤阶煤吸附能力的差异性很大，高煤阶区域煤层吸附量大，含气量高

煤的变质程度决定着煤层气生成量和煤的吸附能力，因而对煤层气含气量起着决定性影响。煤阶越高，煤层气生成量越大。吸附能力随煤阶增高经历了低—高—低三个阶段，在Ro=3.5%左右时达到极大值[3]。

高煤阶煤层气藏含气量最高。沁南煤层气藏含气量一般在10～20m3/t，最高可达37m3/t。除了煤阶影响外，保存条件也起到了一定作用。

低煤阶未熟煤层气藏含气量普遍较低。如粉河盆地煤层气含量一般为0.78～1.6m3/t，最高不超过4m3/t。低煤阶成熟煤层气藏含气量相对较高，犹他州中部上白垩统Ferron砂岩段Ferron煤层气藏含气量为0.37～14.3m3/t，一般在5～10m3/t。阜新盆地煤层气含量一般为8～10m3/t。低煤阶煤层气藏煤层的顶底板因成岩作用微弱而使其封闭能力低于高煤阶煤层气藏。因此对于低煤阶煤层气藏而言，地下水动力封闭显得尤为重要。低煤阶煤层气藏因含气量非常低，因此就必须发育巨厚煤层使得煤层气资源丰度大，高渗透率使得单井排采半径大，这样才可具备商业开发价值。

3 高低煤阶在物性方面差异的实质是物性变化二元论，变质程度高，基质致密，煤层物性渗透率偏低

高煤阶的沁南煤层气藏，储层渗透率为（0.1～5.7）×10-3μm2，一般不超过2×10-3μm2。煤层孔隙主要为微孔和过渡孔，中孔和大孔罕见，孔隙度在1.15%～7.69%之间，一般均＜5%，对渗透率几乎没有贡献[4]。割理严重闭合或被充填，对渗透性的贡献微弱。构造裂隙是渗透性的主要贡献者。这种孔裂隙发育特征决定了煤层气由基质孔隙解吸向裂隙扩散困难，吸附时间长，达到产量高峰时间短，稳定低产时间长[5]。

低煤阶未熟煤层气储层的基质孔隙度较高，且以大孔所占比例较高，对储层渗透率有一定贡献，因割理密度低而控制储层渗透率的主要因素是构造裂隙；低煤阶成熟煤层气储层渗透性的主要贡献者是割理和构造裂隙；高煤阶煤层气藏因基质孔隙度低且多为微孔，割理严重闭合或被矿物质充填，因此渗透率的主要贡献者是构造裂隙。低煤阶煤层气藏的渗透率一般大于高煤阶煤层气藏。

为了便于对比，这里采用吐哈盆地的褐煤和沁水盆地的无烟煤开展模拟工作。褐煤由于演化程度低，裂隙不发育，主要表现为孔隙型。随着煤阶的增加，煤层裂隙发育，基质变得致密，主要表现为裂隙型[6]。

图1 高低煤阶运聚压差与系统压力关系图

无烟煤高压情况下0.14MPa的压差就可以突破；低压情况下0.50MPa的压差可以突破；随着压力的降低，运聚压差增大。表明无烟煤降压基质膨胀物性降低，加压基质收缩物性增高。

对于吐哈盆地褐煤，模拟结果相反，高压情况下0.08MPa的压差就可以突破，低压情况下0.03MPa的压差就可以突破，褐煤降压基质膨胀物性增大，加压基质收缩物性降低。储层物性变化二元论反映了煤储层随着煤层气不断开采，地层压力不断下降，煤储层特征变化的实质（图1）。

4 构造热事件和构造应力场对煤层物性起到决定作用

由岩浆侵入引起储层结构和构造改变，增大煤层气储藏空间的作用，称岩浆侵入活动的储藏作用。岩浆的热力烘烤，使煤中有机质挥发，留下很多密集成群的浑圆状或管状气孔，提高了储层的孔隙度；煤基质收缩，产生收缩裂隙；岩浆侵入的动力挤压，产生的外生裂隙与内生裂隙（割理）叠加，使煤层裂隙性质、规模发生变化，裂隙度提高，渗透性增强。

煤储层中天然裂隙的壁距对原始渗透率起着关键性的控制作用。天然裂隙壁距是地应力大小和方向的函数，构造应力场主应力差对岩层裂隙壁距和渗透率的影响存在两类效果截然相反的情况。当构造应力场最大主应力方向与岩层优势裂隙组发育方向一致时，裂隙面实质上受到相对拉张作用，主应力差越大，相对拉张效应越强，越有利于裂隙壁距的增大和渗透率的增高。而在最大主应力方向与岩层优势裂隙组发育方向垂直时，裂隙面受到挤压作用，主应力差越大，挤压效应越强，裂隙壁距则减小甚至密闭，渗透率降低。也就是说，构造应力实质上是通过对天然裂隙开合程度的控制而对储层原始渗透率施加影响。

5 水文地质条件对高低煤阶煤层气成藏控制的差异性，高煤阶滞流水区域为富气区

地层总矿化度高值区的形成反映为闭塞的沉积环境，古气候为半干旱，水体外泄条件差，封闭条件极好，地层水不断浓缩的结果。同时由于断裂活动，导致高矿化度地层水通过断层向上运移，造成矿化度纵向上的分布和高值区的出现。因而，地层水的矿化度是反映煤层气运聚、保存和富集成藏的一个重要指标。

沁水盆地东部边界晋获断裂带的北段对中奥陶统含水层组起到明显的横向阻水作用，中段导水性及水动力条件强烈，南段地下水迳流条件极差，是不导水的。南部边界由东部导水段、中部阻水段以及西部导水段组成，特别是中段的阻水性质，对晋城一带煤层气的保存与富集起到了重要作用。西部边界以安泽为界，北段为一阻水边界，南段则由导水性断层组成。内部存在着4条重要的水文地质边界。其中寺头断裂是一条封闭性的断裂，导水、导气能力极差；在沁水盆地中、南部寺头断裂和晋获断裂南段之间的大宁-潘庄-樊庄地区，山西组和太原组含水层的等势面明显地要高于断裂东、西两侧地区，地下水显然以静水压力形式将煤层中的煤层气封闭起来。在寺头断裂西侧的郑庄及其附近地区，地下水迳流强度可能较弱，较有利于煤层气保存[7]。

高煤阶地下水滞流区是煤层气聚集的最佳场所，但最近的勘探和研究表明，对于低煤阶煤层气藏，尤其是未熟低煤阶煤层气藏存在例外。

吐哈盆地沙尔湖地区煤层气藏古生界地层水总矿化度为20000～160000mg/L，平均矿化度达109300mg/L，平均值较海水（35000mg/L）浓缩了3倍多，具有高矿化度的特点。吐哈盆地低煤阶褐煤含气量测试小于2m3/t，在深度＞300m，煤层厚度大于50m，水矿化度如此之高，含气量如此低，大大低于入们的想像。以往勘探工作证明，高煤阶勘探表明高矿化度对应着好的保存条件。

实验利用不同矿化度的水型饱和盐水和蒸馏水进行模拟，来研究褐煤在不同矿化度水的条件下对煤层气的吸附能力。饱和盐水模拟显示当地层压力达到1.7MPa时含气量达到2m3/t，蒸馏水模拟显示当地层压力达到2.5MPa时含气量达到2m3/t。矿化度越高，随着压力降低量越小，地层压力梯度降低越快，储层压力越低，造成吸附能力降低，含气饱和度增大，气体大量解吸散失。

低煤阶褐煤吸附量低，压力变化不明显，矿化度越高，吸附量越低，含气量越小；地质历史时期，矿化度不断增大。矿化度高造成吸附能力降低，造成地层压力梯度降低，储层压力低，含气饱和度增大，气体大量解吸散失。高变质倾向于高矿化度，预示着良好的保存条件，代表着水力交替作用弱，煤层气保存条件好。

6 高低煤阶煤层气藏的差异性主要体现在成藏过程的差异性，高煤阶煤层气成藏过程复杂

未熟低煤阶煤层气藏成藏历史简单〔8〕。煤层形成后一般只经历了一次抬升。但现今地下水的补给、运移、排泄和滞流对煤层气藏的调整和改造起决定作用。从煤层的形成直至现今都有气的生成，都对煤层气的成分和同位素特征有影响。但现今的构造格局和地下水赋存状态是影响煤层气生成的关键，也是控制成藏的关键。可见煤层气的生成具有持续性。

成熟低煤阶煤层气藏成藏过程相对简单，以深成变质作用为主，即便是存在岩浆活动影响，也仅为接触变质，影响范围有限。现今的构造格局和地下水赋存状态是煤层气藏调整改造的控制因素。煤层气的生成阶段性和持续性并存。埋深最大、热演化程度的时期决定了热成因煤层气的特征。因此，热成因煤层气的形成具有阶段性〔9〕。从煤层抬升到微生物能够活动的深度，次生生物气就开始生成，并一直持续至今。可见次生生物气的生成具有持续性。现今地下水的赋存状态不仅影响次生生物气的生成而且影响热成因气的运移。

高煤阶煤层气藏成藏过程复杂。无论存不存在二次生烃，区域岩浆热变质作用都是高煤阶煤层气藏形成的必要条件。煤层气的形成具有明显的阶段性。在达到最高演化程度后就不再有煤层气的生成，进入煤层气藏的调整改造阶段。

7 结论

中国高煤阶煤层气藏成藏特征主要集中在八个方面：①煤层气成因以原生和次生热成因煤层气为主；②高煤阶煤层吸附量大，含气量高；③滞流水区域为富气区；④煤层基质致密，渗透率低，割理裂隙应力敏感；⑤构造热事件对煤层物性影响较大；⑥要求持续排水降压开采，大型压裂；⑦分支井技术，大幅度提高单井产量；⑧成藏过程复杂。

中国低煤阶煤层气藏成藏特征主要集中在六个方面：①煤层气成因以生物降解气（原生、次生）为主；②煤演化程度低，含气量小，含气饱和度高；③低煤阶盆缘缓流晚期生物气成藏；④煤层割理裂隙不发育，基质疏松，渗透率高，应力不敏感；⑤以深成热变质为主，构造热事件影响小；⑥低煤阶自卸压开采机制；⑦竖井开采技术，小型压裂；⑧成藏过程简单，多一次沉降，一次调整。

由此可见高煤阶煤层气藏具有三条显著的优点：

（1）煤变质程度高，生气量大，煤吸附能力强，含气量大；

（2）构造热事件和构造应力场对煤层物性影响较大，构造热事件促进煤层气大量生成，同时改善了储层物性，构造应力通过对天然裂隙开合程度的控制而对储层原始渗透率施加影响；

（3）滞流水和高矿化度区域煤层气保存条件好，利用煤层气保存和排水降压开采。

参考文献

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[2]Scott A R.1993.Composition and orgin of coalbed gases from selected basin in the United States.Proceeding of the 1993 International CoalbedMethane Symposium，209～222

[3]桑树勋，范炳恒，秦勇等.1999.煤层气的封存与富集条件.石油与天然气地质，20（2）：104～107

[4]傅雪海，秦勇，姜波等.2001a.煤割理压缩实验及渗透率数值模拟.煤炭学报，26（6）：573～577

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[7]王红岩等.2001.沁水盆地南部煤层气藏水文地质特征.煤田地质与勘探

[8]苏现波，陈江峰，孙俊民.2001.煤层气地质学与勘探开发.北京：科学出版杜

[9]Scott A.R.2002.Hydrogeologic factors affecting gas content distribution in coal beds.International Journal of Coal Geology，50：363～387

基于煤层压裂模拟的水饱和煤样单轴力学试验研究

颜志丰1 琚宜文1 侯泉林1 唐书恒2

(1.中国科学院研究生院地球科学学院 北京 100049 2.中国地质大学(北京)能源学院 北京 100083)

摘要:为模拟研究煤储层水力压裂效果，对煤样进行了饱水条件下的常规单轴压缩试验和声发射测试。对结果进行分析表明:在常规单轴压缩条件下，煤在平行层面上其力学性质具有方向性差异，平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多，其弹性模量也大得多。煤样在垂直面割理方向弹性模量E随着单轴极限抗压强度σc的增加而增加，相关性较高，平行面割理方向弹性模量E随着抗压强度的增高而增高，但离散性较大。在单轴压缩条件下煤样变形破坏表现出的全应力—应变曲线形态大体可以概括为3种类型。

关键词:单轴压缩试验 力学性质 各向异性 饱和含水率 割理

基金项目: 国家自然科学基金项目 ( No. 41030422; 40972131) ; 国家重点基础研究发展规划 ( 973) 课题( No. 2009CB219601) ; 国家科技重大专项课题 ( 2009ZX05039 － 003) ; 中国科学院战略性先导科技专项课题( XDA05030100) ; 河北工程大学博士基金课题。

作者简介: 颜志丰，1969 年生，男，河北邯郸人，博士后，长期从事能源地质和构造地质研究。Email: yanzf@ gucas. ac. cn。

Uniaxial Mechanical Test of Water-saturated Coal Samples in Order to Simulate Coal Seam Fracturing

YAN Zhifeng1JU Yiwen1HOU Quanlin1TANG Shuheng2

( 1. College of Earth Science，Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049 2. School of Energy Resources，China University of Geosciences ( Beijing) ，Beijing 100083 China)

Abstract: In order to simulate effect of hydraulic fracturing in coal reservoir，conventional uniaxial compres- sion test and acoustic emission test on the water-saturated coal samples were hold. The results showed that the me- chanical properties in parallel to the level of coal have directional difference. Under the conditions of conventional uniaxial compression. The uniaxial limit compressive strength in direction parallel to the face cleat is much larger than it in the vertical，so is the elastic modulus. The elastic modulus of coal increased with the increasing of com- pressive strength，however it is higher correlation in the direction of vertical face cleat，but a larger dispersion in parallel. The complete stress-strain curve shape showed by deformation of coal samples under uniaxial compression can be roughly summarized as 3 types.

Keyword: uniaxial compression test; mechanical properties; Anisotropy; saturated water content; cleat

1 前言

煤层气是储存于煤层内的一种非常规天然气，其中CH4含量多数大于90%，是一种优质洁净的气体能源(单学军，2005)。我国煤层气资源十分丰富，根据新一轮全国煤层气资源评价结果，在全国19个主要含煤盆地，适合煤层气勘探的埋深300～2000m范围内，预测煤层气远景资源量为36.8万亿m3。煤层气主要是以吸附状态存在于煤层内，也有少量以游离状态存在于孔隙与裂缝中(SmithDM，1984)。就孔隙结构而言，煤的孔隙结构可分为裂缝性孔隙和基岩孔隙。人们又习惯地把煤岩中的内生裂缝系统称为割理。其中面割理连续性较好，是煤中的主要裂隙，端割理是基本上垂直于面割理的裂缝，只发育在两条面割理之间，把基岩分割成一些长斜方形的岩块体(李安启，2004)。

渗透率高的煤层产气量往往较高，而低渗透率的煤层产气量较低。水力压裂改造措施是国内外煤层气井增产的主要手段。而我国的煤层气储层普遍属于低渗透煤储层，研究表明:我国煤层渗透率大多小于50×10－3μm2(张群，2001)。因此，目前国内的煤层气井采用最广泛的完井方法是压裂完井，煤层和砂岩的岩性特征有很大的区别，压裂施工中裂缝在煤层中的扩展规律与在砂岩中的扩展规律也不相同，为了解煤层的压裂特征和压裂效果就需要对煤层压裂进行模拟研究，要进行模拟研究就需要研究煤岩的力学性质。

通过试验研究煤岩的力学性质，发现煤岩具有尺寸效应———即煤岩的尺寸对试验结果具有影响，Daniel和Moor在1907年就指出(DanielsJ，1907):小立方体的屈服强度高于大立方体，而且当底面积保持常数时，随着试块高度的增加，其屈服强度降低。研究过煤岩尺寸效应的还有Bunting(Bunting D.1911)。Hirt和Shakoor(Hirt A M，1992)，Med-hurst和Brown(MedhurstT P，BrownET.A，1998)，吴立新(1997)，刘宝琛(1998)，靳钟铭(1999)等。

由于单轴力学性质试验结果受尺寸、形状等因素制约，因此进行单轴岩石压缩试验时，对试验样品的加工有一定的要求，通常试件做成圆柱体，一般要求圆柱体直径48～54mm，高径比宜为2.0～2.5，试件端面光洁平整，两端面平行且垂直于轴线。

2 试验方法说明

在单轴压缩应力下，煤块产生纵向压缩和横向扩张，当应力达到某一量级时，岩块体积开始膨胀出现初裂，然后裂隙继续发展，最后导致破坏(闫立宏，2001)。为避免其他因素的影响，采用同一试样，粘贴应变片，在测试强度过程中同时用电阻应变仪测定变形值。

2.1 煤样制备和试验方法

实验煤样采自沁水盆地南部晋煤集团寺河煤矿3#煤层。煤样制备和试验方法参照中华人民共和国行业标准《水利水电工程岩石试验规程(SL264－2001)》(中华人民共和国水利部.2001)，以及国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会提供的《岩石力学试验建议方法》(郑雨天，1981)进行的。沿层面方向在大煤块上钻取直径为50mm，高为100mm的圆柱样，煤样轴向均平行煤岩层面。为研究平行面割理和垂直面割理方向煤岩力学性质的差异，制备了两组煤样。一组煤样平行面割理方向，样品数10个，编号DP1DP10;另一组煤样垂直面割理方向，样品数10个，编号DC1DC10。试验前对煤样进行了饱水处理(48h以上)。单轴实验设备为WEP600微机控制屏显万能试验机。记录设备为30吨压力传感器，7V14程序控制记录仪。数据处理设备为联想杨天E4800计算机及相应的绘图机、打印机。试验工作进行前测试了煤样的物理性质，对试件进行了饱水处理。进行单轴压缩试验的煤样条件见表1。

表1 煤样条件

2.2 计算公式

单轴抗压强度计算公式:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:σc为煤岩单轴抗压强度，MPa;Pmax为煤岩试件最大破坏载荷，N;A为试件受压面积，mm2。

弹性模量E、泊松比μ计算公式:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:E为试件弹性模量，GPa;σc(50)为试件单轴抗压强度的50%，MPa;εh(50)为σc(50)处对应的轴向压缩应变;εd(50)为σc(50)处对应的径向拉伸应变;μ为泊松比。

3 试验结果与分析

3.1 加载轴线方向对煤块的抗压强度σc和弹性模量有显著的影响。

试验结果数据见表2。从表中可以看出，平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多，其弹性模量也大得多，抗拉强度平均值高出2/3，而弹性模量更是高出一倍。这说明即使在平行煤的层面上其力学性质也具有方向性，不同方向上其值大小有显著差异。

表2 煤样单轴抗压强度试验结果

注:DP9沿裂隙面破裂，没有参与力学性质分析。

煤是沉积岩，小范围内同一煤分层在形成环境、形成时代上都是相同的，可以认为小范围内在平行煤的层面上，煤的组分、煤质等是均匀的，变化非常小，所以沿平面上力学性质的差异与煤质、组分等关系不大。推测其原因是由于在地史上受到构造应力的影响，构造应力具有方向性，在不同的方向上其大小不同，使煤在不同的方向上受到地应力作用的大小程度也不同，导致煤在不同方向上结构有所不同，从而表现出来在不同方向上力学性质的差异，在受力较大的方向上可能会表现出较大的强度。由于在构造力作用下沿最大主应力方向裂隙最容易发育，发育程度也应该较好，沿最小主应力方向上裂隙发育程度要差些。发育好的裂隙往往形成面割理，因而在平行面割理的方向上抗压强度和弹性模量都高，而在垂直面割理的方向上其值相对就会小些。

3.2 煤岩单轴极限抗压强度与其他性质之间的关系

由表2可知煤样的抗压强度离散性较大，影响因素是什么?煤的密度与含水状态对单轴抗压强度有什么影响?现分析如下:

图1a表示了极限抗压强度σc与饱和密度ρw之间的关系。从图中可以看出，无论是C组、P组还是全部样品，随着饱和密度的增加，煤块的极限抗压强度都有增加的趋势，说明随着饱和密度的增加，抗压强度有增加的趋势。

图1 σc与其他性质之间的关系

图1b表示极限抗压强度σc与饱和吸水率ωs之间的关系。从图中可以看出，C组样品随饱和吸水率的增加抗压强度有减少的趋势，而P组样品单轴抗压强度和饱和吸水率的相关性非常低，可以认为饱和吸水率对P组样品没有影响。由此可见，饱和吸水率的增高使垂直面割理方向的抗压强度降低，而对平行面割理方向的单轴极限抗压强度影响很小。

图1c表示单轴极限抗压强度σc与弹性模量E之间的关系。从图中可以看出C组样品单轴极限抗压强度σc与弹性模量E之间具有明显的正相关性，即垂直于面割理方向的单轴极限抗压强度随着弹性模量的增加而增加，P组样品具有不明显的线性正相关，即平行于面割理方向的单轴极限抗压强度σc与弹性模量E的增加而增加，但离散性较大。

图1d表示单轴极限抗压强度σc与泊松比μ之间的关系。从图中可以看出C组样品单轴抗压强度与泊松比之间具有较明显的负相关关系，也就是说垂直于面割理的单轴抗压强度随着泊松比的增高而降低;但是P组样品的相关性很低，即平行于面割理方向的单轴极限抗压强度σc与泊松比的变化无关。

3.3 弹性模量和其他性质之间的关系

图2a表示弹性模量E与泊松比μ之间的关系。从图中可以看出C组样品、P组样品及全部样品相关性均不明显。说明弹性模量与泊松比之间的变化互不影响。

图2 弹性模量E与其他性质之间的关系

图2b表示弹性模量E与饱和密度ρw之间的关系。从图中可以看出无论C组还是P组，样品弹性模量与饱和密度相关性非常弱，可以认为不相关。由此可见弹性模量不受饱和密度变化的影响。

图2c表示弹性模量E与饱和吸水率ωs之间的关系。从图中可以看出C组样品弹性模量与饱和吸水率相关性较高，呈明显的负相关关系;但是P组样品的相关性却很低，几乎不相关。由于C组样品以垂直轴向的裂隙为主，在压力作用下煤样的变形等于煤岩本身的变形再加上水的变形，水是液体，在压力作用下很容易变形，在压力不变的情况下随着水含量的增加变形随之增大，而产生较大的轴向变形，导致C组的煤样随着含水量的增加弹性模量变小。而P组样品裂隙以平行轴向为主，尽管在饱水的情况下裂隙中完全充填了水，但由于水含量很少，承载压力的主要是煤岩本身，变形量也是由煤岩本身决定的，因此它与含水量关系不明显。

3.4 泊松比和其他性质之间的关系

由图3a中可以看出C组样品、P组样品和全部样品的泊松比与饱和密度之间散点图均比较离散，相关性很低，也可以说它们不相关。

由图3b中可以看出C组样品、P组样品和全部样品的泊松比与饱和吸水率之间相关性很低，可以认为它们不相关。

3.5 煤岩单轴压缩全应力—应变曲线类型

岩石试件从开始受压一直到完全丧失其强度的整个应力应变曲线称为岩石的全应力应变曲线(重庆建筑工程学院，1979)。大量岩石单轴压缩实验表明，岩石在破坏以前的应力应变曲线的形状大体上是类似的，一般可分为压密、弹性变形和向塑性过渡直到破坏这三个阶段。

煤是一种固体可燃有机岩石，由于成煤物质的不同及聚煤环境的多样化，煤的岩石组分、结构特征比较复杂。因此，在单轴压缩条件下煤样变形破坏机制及表现出的全应力—应变曲线形态多种多样，大体可以概括为3种类型。

图3 泊松比μ与饱和吸水率ωs之间的关系

3.5.1 迸裂型

应力—应变曲线压密阶段不明显，加速非弹性变形阶段很短，曲线主要呈现表观线弹性变形阶段直线，直到发生破坏，见图4a。具有迸裂型全应力—应变曲线特征的煤样，通常均质性较好、强度较大、脆性较强，其抗压强度通常很高。煤样在整个压缩变形过程中，积聚了大量弹性应变能，而由于发生塑性变形而耗散的永久变形能相对较小。因此，当外部应力接近其极限强度而将要发生破坏时，煤岩内积聚的大量弹性应变能突然、猛烈地释放出来并发出较大声响，形成一个很高的声发射峰值。

图4 煤岩样品应力—应变关系曲线图

3.5.2 破裂型

应力较低时，出现曲折的压密阶段，当应力增加到一定值时，应力—应变曲线逐渐过渡为表观线弹性变形阶段;最后变为加速非弹性变形阶段，直到发生破坏，见图4b。试件随荷载的增加，煤样受力结构逐渐发生变化，同时出现局部张性破坏，但整体仍保持完整，并在变形过程中也积聚了一定的弹性应变能。当外部应力接近其抗压强度，即煤岩发生加速变形时，煤岩中积聚的弹性应变能就突然释放，产生较高的声发射值，破坏时声发射强度又变得非常低。

3.5.3 稳定型

应力—应变曲线压密阶段不明显，表观线弹性变形阶段呈略微上凸的直线，加速非弹性变形阶段较长，见图4c。试件随荷载的增加，煤样受力结构逐渐发生变化，同时出现局部张性破坏，并在变形过程积聚的弹性应变能释放，形成振铃计数率峰值，随后振铃计数率迅速降低，并在加速非弹性变形阶段开始时出现新的振铃计数率峰值，接近破坏时又出现一次振铃计数率峰值。破坏时声发射强度又变得非常低。

4 结论

通过上面对沁水盆地寺河煤矿3号煤力学试验，可以得出如下结论:

(1)煤岩单轴抗压强度和弹性模量等力学性质在平行煤层的平面上具有方向性差异，平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多，其弹性模量也大得多。

(2)煤的极限抗压强度σc随着饱和密度ρw的增加而增加;极限抗压强度σc在垂直于面割理方向上随饱和吸水率ωs的增加而减少，而在平行面割理方向上与饱和吸水率无关;单轴极限抗压强度σc随着弹性模量E的增加而增加，在垂直面割理方向上相关程度较高，在平行面割理方向上离散性较大。单轴极限抗压强度σc在垂直面割理方向上随着泊松比μ增加而减小，而在平行面割方向上与泊松比无关。

(3)弹性模量E的变化不受泊松比变化的影响，同时也不受饱和密度的影响;垂直面割理方向弹性模量随着饱和吸水率ωs的增加而减小，而平行面割理方向弹性模量与饱和吸水率无关。

(4)泊松比μ的变化既不受饱和密度变化的影响，也不受饱和吸水率ωs变化的影响。

(5)在单轴压缩条件下煤样变形破坏表现出的全应力—应变曲线形态大体可以概括为3种类型:①迸裂型;②破裂型;③稳定型。

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