煤炭成分如何分析

(一)韩城区块煤体结构类型划分

煤体结构一般被用于描述煤体受到地质应力作用所导致的宏观差异与微观差异。通常在后期构造演化过程中宏观构造和微观结构不变的煤称为原生结构煤。在后期地质演化作用下,受应力作用影响,使得煤体本身原生的宏观结构发生改变并形成各种不同的次生结构、煤体本身发生各种物理-化学变化的煤称为构造煤(袁崇孚,1986王恩营等,2008)。几十年来,人们从煤的形态、结构、成因、物理力学性质等角度出发,对煤体结构类型进行了一系列的划分(陈善庆,1989李康等,1992曹代勇等,2003,2012a琚宜文等,2004,2009张玉贵等,2008王恩营等,2009李小明,2007屈争辉,2011)。袁崇孚(1986)从瓦斯防治角度将煤体结构类型划分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。琚宜文等(2004)从破坏程度、变形机制等多个角度对构造煤分类,在详细研究沁水盆地和两淮煤田构造煤的基础上,结合前人研究成果,扩展了构造煤的概念,提出了构造煤的结构-成因分类方案,将构造煤分为脆性变形、脆韧性变形和韧性变形3个序列的10类煤。然而,不同区域内,煤本身的成煤环境存在很大的差异,地质演化历史不同,受构造作用的影响也不同。因此,不同区域内煤体结构的划分应与该区本身的构造演化特征相匹配,具有自身的独特性。韩城区块受燕山期和喜马拉雅期构造运动等多期地质作用的影响,煤层变形明显、煤体结构复杂、构造煤类型多样。本书通过对区块内煤岩样品特征的宏观描述(包括煤的硬度与脆度、煤的断口、煤的裂隙发育状况、煤的结构、构造以及宏观煤岩组分等特征)并结合前人的研究成果(王双明,2008),以煤岩变形机制和煤体宏观构造、微观结构为基础,将煤体结构划分为4种类型,即原生结构煤、碎裂煤、鳞片煤和碎粒煤(图3-4)。

图3-4 研究区4种煤体结构类型

(1)原生结构煤:以半亮型煤为主,次为光亮型,光泽鲜亮,形态完整,结构均一致密,层状构造,层理清晰可见,质硬,不易破碎,敲击呈块状破碎,呈贝壳状、阶梯状断口,内、外生裂隙不发育。

(2)碎裂煤:以半亮型煤为主,光泽较亮,呈次生碎裂结构,层状构造,层理清晰可见,较易沿裂隙、节理面破裂,呈块状碎裂,断口多平整,外生裂隙和割理发育。

(3)鳞片煤:以半暗型煤为主,次为半亮型,层理不可见,次生鳞片状构造,鳞片呈层叠状,鳞片皆平行滑动方向定向层叠状排列,鳞片大多煤煤质松软,手捻易碎成片状或细粒状,裂隙和割理不发育。

(4)碎粒煤:以半暗型煤为主,次为暗淡型煤,煤体破坏严重,原生结构已完全消失,煤体呈次生碎粒结构,不同粒度的颗粒混杂堆积,一般为1～3mm的细小颗粒,煤岩全部碎粒化,煤质疏松,易碎,不同方向的小裂隙发育(表3-3)。

表3-3 韩城区块煤体结构类型划分表

结合区域地质构造分析,韩城区块由北向南发育3个主要的断裂带:薛峰北断裂带、东泽村断裂带、前高断裂带。受区域构造运动的影响,地应力由东西向转变为近南北向,煤层在构造应力作用下发生变形,形成不同类型的构造煤。通过对韩城象山矿井下原位3号、5号和11号煤岩煤体结构进行观察描述可知,3号煤的煤体结构相对简单,除原生结构煤外还有少量鳞片煤,11号煤的煤体结构稍复杂,除原生结构煤外还伴生有碎粒煤和碎裂煤,而5号煤的煤体结构复杂,四种煤体结构煤均有分布。对韩城象山矿3号、5号和11号煤煤体结构发育情况进行统计可知(表3-4),构造煤总厚度占煤层总厚度的46%。由于构造煤属于软煤,机械强度低,构造煤本身含有大量的原生煤粉,后期遭受应力破坏更易形成次生煤粉,因此,煤体结构类型是决定煤粉产出的重要因素。考虑到不同煤体结构煤对煤粉产出的影响程度不同,把原生结构煤、碎裂煤、鳞片煤和碎粒煤划为三类,Ⅰ类煤为原生结构煤、Ⅱ类煤为碎裂煤、Ⅲ类煤为鳞片煤和碎粒煤。其中,Ⅲ类煤(鳞片煤与碎粒煤)对煤粉产出的影响最大。由于Ⅲ类煤具有低强度、低渗透率、微孔隙、比表面积大等特点,煤体结构破碎程度极大,最易形成煤粉颗粒,是煤粉产出的重要来源,而原生结构煤产生的煤粉相对较少(Xueshen Zhu et al.,2013)。

表3-4 3号、5号和11号煤层中不同煤体结构类型厚度统计表

煤炭的形成：

煤碳是地壳运动的产物。远在3亿多年前的古生代和1亿多年前的中生代以及几千万年前的新生代时期，大量植物残骸经过复杂的生物化学、地球化学、物理化学作用后转变成煤，从植物死亡、堆积、埋藏到转变成煤经过了一系列的演变过程，这个过程称为成煤作用。

一般认为，成煤过程分为两个阶段泥炭化阶段和煤化阶段。前者主要是生物化学过程，后者是物理化学过程。

泥炭化阶段

第一阶段泥炭化阶段是植物在泥炭沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖，其遗骸在微生物参加下不断分解、化合和聚积，在这个阶段中起主导作用的是生物地球化学作用。低等植物经过生物地球化学作用形成腐泥，高等植物形成泥炭，因此成煤第一阶段可称为腐泥化阶段或泥炭化阶段。

煤化阶段

煤化阶段包含两个连续的过程:

第一个过程，在地热和压力的作用下，泥炭层发生压实、失水、肢体老化、硬结等各种变化而成为褐煤。褐煤的密度比泥炭大，在组成上也发生了显著的变化，碳含量相对增加，腐植酸含量减少，氧含量也减少。因为煤是一种有机岩，所以这个过程又叫做成岩作用。

第二个过程，是褐煤转变为烟煤和无烟煤的过程。在这个过程中煤的性质发生变化，所以这个过程又叫做变质作用。地壳继续下沉，褐煤的覆盖层也随之加厚。在地热和静压力的作用下，褐煤继续经受着物理化学变化而被压实、失水。其内部组成、结构和性质都进一步发生变化。这个过程就是褐煤变成烟煤的变质作用。烟煤比褐煤碳含量增高，氧含量减少，腐植酸在烟煤中已经不存在了。烟煤继续进行着变质作用。由低变质程度向高变质程度变化。从而出现了低变质程度的长焰煤、气煤，中等变质程度的肥煤、焦煤和高变质程度的瘦煤、贫煤。它们之间的碳含量也随着变质程度的加深而增大。

温度对于在成煤过程中的化学反应有决定性的作用。随着地层加深，地温升高，煤的变质程度就逐渐加深。高温作用的时间愈长，煤的变质程度愈高，反之亦然。在温度和时间的同时作用下，煤的变质过程基本上是化学变化过程。在其变化过程中所进行的化学反应是多种多样的，包括脱水、脱羧、脱甲烷、脱氧和缩聚等。

压力也是煤形成过程中的一个重要因素。随着煤化过程中气体的析出和压力的增高，反应速度会愈来愈馒，但却能促成煤化过程中煤质物理结构的变化，能够减少低变质程度煤的孔隙率、水分和增加密度。

煤的形成年代

在整个地质年代中，全球范围内有三个大的成煤期：　

(1)古生代的石炭纪和二叠纪，成煤植物主要是孢子植物。主要煤种为烟煤和无烟煤。　

(2)中生代的侏罗纪和白垩纪，成煤植物主要是裸子植物。主要煤种为褐煤和烟煤。　

(3)新生代的第三纪，成煤植物主要是被子植物。主要煤种为褐煤，其次为泥炭，也有部分年轻烟煤。

煤中的矿物质:

按来源分为:

原生矿物质(成煤植物本身)

次生矿物质(成煤过程混入)

外来矿物质(采煤过程混入)

按性质分为:

[1]粘土类矿物:高岭石Al4[Si4O10](OH)8、水云母K21Al2[(Si2Al)4O10](OH)2·nH2O

[2]硫化物类矿物:黄铁矿FeS2、白铁矿FeS2

[3]碳酸盐类矿物:方解石CaCO3等

[4]氧化物类矿物:石英SiO2

[5]硫酸盐类矿物:石膏CaSO4·2H2O

煤的工业分析:水分、灰分、挥发分、固定炭

煤的元素分析:C、H、O、N、S

煤储层静态地质因素中,煤体结构类型是影响煤粉产出的关键因素。构造煤通常会产生大量煤粉,而疏松的煤体结构会使得煤岩更容易受钻井、压裂和排采等工程扰动影响而产生更多的煤粉。因此,煤粉产出的地质预防措施重点是进行煤体结构(构造煤)识别解释,查明不同构造煤在空间上的分布特征,为控制煤粉产出预防措施提供基础(周济等,2013魏迎春等,2013)。

运用测井曲线解释煤体结构,对韩城区块63口煤层气井的测井曲线识别及对应测井参数的统计分析,总结了不同煤体结构类型煤的测井响应特征,确定了密度测井、自然伽马测井、电阻率测井及井径测井4组测井响应组合值,及煤体结构类型的划分原则、分层定厚等(张晓玉,2015)。

(一)煤体结构类型判识原则

测井曲线解释构造煤的原理主要基于构造煤与原生结构煤的物性差异在电阻率、井径、密度及自然伽马等测井曲线中所表现出的不同特征(龙王寅等,1999姚军朋等,2011)。识别方法如下:

(1)测井曲线解释煤体结构类型主要基于“三对比”的基础原则,首先将同一层中不同分层煤体结构的测井响应值进行比较其次是将相同层位不同钻孔的煤体结构类型测井响应特征进行比较最后,将同一钻孔不同层位煤体结构类型测井响应特征进行比较,最终统计整理测井解释煤体结构类型的数值响应特征(张荣飞等,2014杨思舜,2010)。

(2)运用煤的测井响应特征识别相应煤层,根据某一明显物性差异,区分识别某一类型煤体结构,继而区分与标定相对应的其他测井参数响应,并最终确定该类煤体结构的测井响应组合特征。

(3)结合各类煤体结构的测井曲线组合特征,总结研究区块特定的测井响应组合特征,以提高解释效率与正确率。

(4)以相同条件下不同解释结果的分层对比为基础,分析解释过程中导致误差的主要原因,以有效提高测井解释成果的正确率。

(5)将测井解释结果与岩心钻孔编录成果进行对比,保证解释成果的准确度。

(二)韩城区块煤体结构类型测井响应特征

测井曲线解释煤体结构类型是基于不同煤体结构类型煤的不同物性差异,判识过程中应明确不同测井参数的影响因素及变化特征。

(1)电阻率测井:电阻率的不同主要受地层水的影响。煤裂隙的发育与裂隙联通性会影响煤的导电性,因此,裂隙发育能导致煤的电阻值变小。由于构造煤较原生结构煤裂隙更发育,因此,原生结构煤电阻值明显高于裂隙较高的构造煤(陈建杰等,2011陈跃等,2013)。

(2)密度测井:密度曲线主要受到不同煤体结构类型煤自身性质的影响。随煤体结构破碎程度的增加,煤岩裂隙增多、孔隙度变大。煤体自身密度与煤体破坏程度呈负相关关系,原生结构煤较构造煤整体结构完整,内部结构致密,因此,同一区域同一煤层原生结构煤密度较构造煤密度大。

(3)自然伽马:自然伽马是体现单位体积内放射性物质含量的参数。自然伽马值与煤体密度具有十分密切的联系,一般来讲单位体积固体物质含量越高放射性越强,因此,自然伽马曲线与密度测井曲线的变化呈正相关,原生结构煤的自然伽马值大于构造煤(张许良等,2009傅雪海等,1999)。

(4)井径测井:由于钻井过程中结构疏松的煤层易垮塌引起井径扩张,因此,煤体越破碎,结构越疏松,井径扩张程度越大。构造演化程度较高的煤易形成井径扩张现象,在识别过程中利用井径测井能很好地识别煤体结构类型(王定武,1997严家平等,1999)。

基于煤体结构在不同测井参数的响应特征,系统分析韩城区块煤层气井测井曲线特征,归纳总结了四类煤体结构的测井曲线及测井参数特征(表7-1)。

表7-1 韩城区块煤体结构类型的测井响应特征

原生结构煤在测井曲线上一般表现为低密度,自然伽马负异常,高电阻率,井径有轻微扩张原生结构煤受构造扰动影响较小,结构均一、完整,层理清晰,发育有两组正交节理,内部裂隙不发育原生结构煤的测井识别主要根据其电阻率特征,原生结构电阻率较大,阻值一般在1500～5000Ω·m,部分井的高峰值甚至可达10000Ω·m,因此,高电阻率是原生结构煤的主要判别方法(图7-1)。

碎裂煤密度曲线、自然伽马曲线变化趋势与原生结构煤相似,参数值相对变低,井径扩张程度也基本相近,略有增高趋势,但电阻率曲线幅值明显变小碎裂煤原生层状结构发育较完整,孔隙度低,但割理、裂隙发育且裂隙联通性好、导水性强,其导电性受地层水的影响大碎裂煤的测井识别是根据电阻率测井、密度测井、伽马测井及井径测井的组合特征,碎裂煤的电阻率测井曲线幅值明显变小,参数值范围降低到500～1500Ω·m,而伽马值与密度值却接近原生结构煤,且井径扩径现象不明显,偶有单向扩径现象电阻率低,伽马、密度偏高,井径扩张程度小(图7-2)。

图7-1 H3-036井测井曲线（原生结构煤）

图7-2 H3-028井测井曲线（碎裂煤）

鳞片煤在测井曲线上的表现与碎裂煤有明显差异,密度曲线、自然伽马曲线幅值变小,密度与自然伽马值较碎裂煤明显变低,但电阻率较碎裂煤变大,井径轻微扩张甚至不扩张鳞片煤为脆-韧变形机制形成,受单向顺层剪切应力作用,煤体为鳞片构造,仍能保持煤岩完整性,煤体孔隙度变大,裂隙割理不发育,鳞片煤密度值明显变小,单位体积内天然放射性物质含量变少,煤岩导水裂隙不发育,电阻率较原生结构煤小,但大于碎裂煤,电阻率值稳定集中在1400～1800Ω·m,最大值一般不超过2000Ω·m,偶有扩径,甚至不扩径鳞片煤的识别主要以稳定的较高电阻率及密度、自然伽马低值来判断(图7-3)。

图7-3 H3-023井测井曲线（鳞片煤）

碎粒煤的测井响应特征与其他三类煤有明显区别,电阻率、自然伽马、密度测井值明显变低,井径扩张现象明显。碎粒煤受构造影响大,煤体变形机制为脆性变形,变形程度强,原生结构完全遭受破坏,原生层状结构几乎消失,煤岩完整性差,孔隙度大。碎粒煤密度曲线幅值变大,密度明显变低,单位体积内天然放射性物质含量变少自然伽马曲线幅值变大,自然伽马值变低煤体裂隙发育,导电性增强,电阻率明显降低扩径现象普遍,扩径率一般大于20%。碎粒煤的测井识别特征较明显,以电阻率、自然伽马、密度及井径曲线综合识别,电阻率参数、自然伽马参数、密度参数值低,扩径率高可判断为碎粒煤(图7-4)(张晓玉,2015)。

为提供更充分的煤体结构类型判识标准,以对研究区块煤体结构类型进行更准确的划分,对韩城示范区63口井的煤体结构类型进行测井识别,并分类统计其测井响应数值,表7-2为不同煤体结构类型的测井响应数值特征。

在测井曲线识别和解释中,由于下列原因可能会存在一定的误差。

(1)井径识别误差:在对63 口井的识别过程中,存在个别井的煤层扩径率较高(可达20%～25%),但整体的测井响应特征体现为原生结构煤或碎裂煤。通过对比分析,发现此段煤层顶板为泥岩,且泥岩发生了明显的垮塌扩径现象,因此该段煤层的井径扩张主要受到顶板泥岩垮塌的影响,测井识别时应将此种情况与碎粒煤自身垮塌扩径现象相区别,避免识别过程中造成错误的分析。

图7-4 H3-005井测井曲线（碎粒煤）

表7-2 韩城区块煤体结构测井响应数值表

(2)电阻率误差识别:在对63口井识别中,存在部分井的煤层电阻率幅值低(1000Ω·m),但整体测井响应特征体现为原生结构煤,这是由于在测井解释过程中电阻率曲线容易受到煤层厚度、夹矸及构造破碎程度的影响,曲线幅值明显变小,在解释分析过程中要注意结合煤体的自然伽马及密度测井特征,避免在识别中与碎裂煤、鳞片煤混淆。

(三)韩城区块煤体结构分层定厚

根据测井曲线的响应特征对煤层的煤体结构分层定厚,以密度或自然伽马曲线的突变为主,参照其他测井参数进行煤体结构解释、划分,当煤体结构分层厚度大于0.5m时取半幅值处为分层点,小于0.5m时以发生变化曲线的拐点作为分层点。分层时需注意,受煤层夹矸、层厚等条件的影响,煤体的电阻率曲线幅值会发生一定的变化,应注意区分(张晓玉等,2014)。

(1)以H3-002井的3号煤层为例进行分层定厚,该煤层为单一煤体结构类型,不含夹矸,该层电阻率最大阻值为1450Ω·m,密度测井曲线平坦,平均密度为1.48g/cm3,平均自然伽马值为48API。因此,可判别H3-002井3号煤层为单一碎裂煤发育。以密度的半幅值点为分层界限,密度分层厚度为1.73m,判别为厚度1.73m的碎裂煤(图7-5)。

图7-5 H3-002井3号煤层分层示意图

(2)以H3-042井的5号煤层为例进行分层定厚,该煤层被中间夹矸分为上下两层,煤层下部扩径明显变大,扩径率达90%,电阻值较小,最大阻值为450Ω·m,密度仅为1.35g/cm3,可判别为碎粒煤,以密度的半幅值点为分层界限,密度分层厚度为0.74m,可判别下部为厚度0.74m的碎粒煤。上部煤层比下部煤层电阻率略大,扩径程度小,但密度相近,可判定为鳞片煤,以密度的半幅值点为分层界限,密度分层厚度为1.42m,判别上部煤层为厚度1.42m的鳞片煤(图7-6)。

图7-6 H3-042井5号煤层分层示意图

(3)以WL1-002井的11号煤层为例进行分层定厚,该煤层可分为上、中、下三层,中间夹两层夹矸,煤层下部较上部和中部扩径明显变大,扩径率达19%,电阻率值较小,最大值为1000Ω·m,平均密度高达1.59g/cm3,可判别为碎裂煤。以密度的半幅值点为分层界限,可判别下部煤层为厚度0.88m的碎裂煤。上部和中部煤层比下部煤层电阻率高,平均值为2000Ω·m,井径基本不扩张,但其密度与下部煤层相近,密度平均值约为1.58g/cm3。因此,可判定为原生结构煤。上部和中部煤层的密度分层厚度分别为2.55m、3.82m,判别上部和中部煤层为总厚6.37m的原生结构煤(图7-7)。

图7-7 WL1-002井11号煤层分层示意图

煤的元素组成，是研究煤的变质程度，计算煤的发热量，估算煤的干馏产物的重要指标，也是工业中以煤作燃料时进行热量计算的基础。 煤中除无机矿物质和水分以外，其余都是有机质。

由于组成煤的基本结构单元是以碳为骨架得多聚芳香环系统，在芳香环周围有碳、氢、氧及少量的氮和硫等原子组成的侧链和官能团。如羧基（-COOH）、羟基（-OH）和甲氧基（-OCH3）。说明了煤中有机质主要由碳、氢、氧和氮、硫等元素组成。

煤的变质程度不同，其结构单元不同，元素组成也不同。碳含量随变质程度的增加而增加，氢、氧含量随变质程度的增加而减少，氮、硫与变质程度则无关系（但硫含量与成煤的古地质环境和条件有关）。

1.煤储层孔隙特征及发育机制

煤储层是由孔隙、裂隙组成的双重结构孔隙系统（Kulander et al.，1993；Laubach et al.，1998）。煤层被理想化为由一系列裂隙切割成规则的含微孔隙的基质块体，煤中的基质孔隙，是吸附态和游离态煤层气的主要储集场所，气体的吸附量与煤的孔隙发育程度和孔隙结构特征有关。煤基质孔隙孔径小，数量多，是孔内表面积的主要贡献者，为煤层气的储集提供了充足的空间，煤储层的裂隙系统是煤中流体渗透的主要通道。

煤基质的孔径分类，有两种划分方案：第一种是Ходот（1966）的分类方案，该方案是在工业吸附剂的基础上提出的，主要依据孔径与气体分子相互作用的特征按孔径大小将煤孔隙分成大孔（＞1000nm）、中孔（100～1000nm）、小孔（10～100nm）、微孔（＜10nm）；第二种方案是国际理论应用化学联合会1972年提出的分类方案，按孔径大小将煤孔隙分成大孔（＞50nm）、中孔（2～50nm）、微孔（0.8～2nm）和亚微孔（＜0.8nm）。目前煤炭研究部门多采用第一种分类方案，而煤层气研究为了侧重纳米孔隙多采用第二种分类方案。

煤的孔径分布与煤的变质程度密切相关，褐煤（Ro≤0.5%）的孔径大小分布较为均匀，其中9×103～9×104nm的大孔和2～10nm的中孔明显占多数，具有较高的孔隙度，分布范围为5%～25%。高变质煤，如瘦煤、无烟煤（Ro＞2.5%），微孔占大多数，中孔、大孔仅占10%左右，孔隙度较低，一般小于10%，多小于6%。高煤阶煤岩中次生孔隙发育，能够形成中孔和微孔，使得高阶煤的孔隙度增加（图 11-4）。Bustin 等（1998）所进行的CO2等温吸附实验显示，随煤级增高，煤样的微孔孔容和表面积先减后增，在烟煤阶段出现最小值（图11-5）。

图11-4 阜新盆地低煤阶煤（左）与沁水盆地高煤阶煤（右）扫描电镜下孔隙结构对比

2.煤储层裂隙系统与渗透率

煤储层裂隙的分类主要考虑裂隙大小（姚艳斌等，2007）、裂隙成因、裂隙的形态等。目前采用得较多的是综合形态和成因的分类方案（苏现波，1998），即将裂隙划分为内生裂隙（割理）、外生裂隙和继承性裂隙3类。

内生裂隙发育与煤岩组分和煤化程度密切相关，一般只发育在镜煤和亮煤分层中，不切穿上下分层。一般认为，内生裂隙是煤中凝胶化物质在煤化作用过程中受温度、压力的影响，内部结构变化，体积收缩，引起内张力而形成的，部分受到构造应力作用的影响。中变质阶段煤的内生裂隙最发育，低变质烟煤和高变质无烟煤阶段逐渐减少。内生裂隙可以分为两组大致相互垂直的主内生裂隙（面割理）和次内生裂隙（端割理）。

外生裂隙是指煤层在较强的构造应力下产生的裂隙，按成因可分为剪性外生裂隙、张性外生裂隙和劈理。继承性裂隙兼有内生裂隙和外生裂隙的双重性质，属过渡类型。

图11-5 不同Ro煤储层孔隙度

（据Rodrigues et al.，2002）

煤裂隙的发育程度及地应力双重作用控制了渗透率的大小。含煤盆地煤储层的渗透率变化较大，一般随深度增加而呈指数递减（图11-6，图11-7）。近地表煤储层渗透率可达1000×10-3μm2，600～1000m渗透率降到0.1×10-3μm2左右，再往深部递减速度减小。不同盆地、同一盆地不同区块渗透率变化趋势不同（Law，1993）。美国圣胡安盆地1A区块、1B区块＋1C区块、2区块、3区块煤储层渗透率分别为（15～60）×10-3μm2、（10～35）×10-3μm2、（5～25）×10-3μm2、＜5×10-3μm2，渗透率呈减小的趋势；美国粉河盆地主力煤层 Fort Union 组渗透率较大，分布在（35～1000）×10-3μm2之间（Ayers，2002）。中国沁水盆地高变质煤渗透率，相对于其他盆地偏低，分布范围为（0.01～5.75）×10-3μm2；鄂尔多斯盆地东缘煤储层渗透率分布范围为（0.02～85）×10-3μm2。

图11-6 煤储层渗透率随深度的变化

图11-7 实验室模拟不同围压条件下煤储层渗透率变化

第一，煤炭资源损失浪费严重，主要表现为资源回采率低、煤炭资源利用不合

理和煤炭利用效率低。第二，煤炭资源分配不合理。多种审批机构都代表国家行使

对煤炭资源的元偿配置，随着煤炭市场发育，暴露出一些弊端，其主要表现一是法

人或自然人获得煤炭资源缺乏效率标准，二是行政分割煤炭资源从基础上限制了企

业扩张，三是审批具有一定的随意性。第三，煤炭资源有偿使用不合理。主要表现

在一是没有实现调节级差收益的目的；二是征收税费的评价方式过于简单；三是煤

炭资源产权虚置。第四，缺乏对稀缺煤种的保护性开采措施。山西晋城矿区的优质

无烟煤、黑龙江七台河矿区优质炼焦用煤、宁夏汝萁沟矿区优质无烟煤、离柳矿区

的优质炼焦用煤等均为稀缺煤种，不同程度地受到乡镇小煤窑的破坏性开采和自然

因素的破坏，目前尚没有采取严格的保护性开采措施。

（二）煤炭开发布局的问题

1．煤炭开发布局没有充分考虑资源的经济可采性。煤炭资源的经济可采性是

地质条件、开采条件、煤类及煤质特征、储量的丰富程度、地区经济等多种因素的

综合反映。据研究，在现有的市场、技术和经济条件下，国有重点煤矿594处矿井

中，次经济可采煤矿194处，占总处数的32.66%，生产能力16690万t／a，为总能力

的31.2%；非经济可采煤矿279处，占总处数的46.97%，生产能力11633万t／a，为

总能力的21.75%。这说明在计划经济条件下，由于煤炭短缺，片面追求煤炭数量的

增长，煤炭生产力布局没有考虑其开发的经济性。

2．煤炭开发布局没有充分考虑煤种特点。我国原煤产量中，炼焦煤产量占50

%以上，入洗比重低，大部分被作为动力煤使用。而我国炼焦煤资源占煤炭资源总

量的27%，其开采比重远远超出其资源所占比重，作为动力煤使用十分可惜。尤其

是优质炼焦用煤中主焦煤、肥巴煤、瘦煤是短缺煤种，目前没有采取严格的保护性

开采措施。

3．煤炭生产力布局与煤炭消费布局不适应，致使部分煤矿生产能力闲置。据

统计，西部现有矿区有5000万吨生产能力闲置。

（三）煤炭产业组织的问题

1．煤炭产业组织结构不合理。1998年全国煤矿数量约6万处，生产原煤12.3亿

吨，平均每处生产原煤2万吨，布局分散，普遍规模偏小，开采主体过多。煤炭企

业数量过多，大企业规模不大，小煤矿数量太多，企业组织结构不合理。

2．产业组织形式缺乏经济合理性。一是同一块煤田上有多个开采主体，不利

于形成规模开发；二是现有煤炭企业受制于行政区划，没有形成跨区域大型企业集

团；三是延长煤炭产业链受到限制。

3．市场竞争推动的集中化过程十分缓慢。竞争能推动集中化过程。除中国以

外，世界10大煤炭公司的市场集中度在40%以上，随着知识经济和全球经济一体化

到来。跨国兼并促使煤炭产业集中度进一步提高，我国仅靠市场竞争来推动产业集

中过程十分缓慢，远远不能适应我国加入WTO面临的挑战。其原因一是现行传统管

理体制抑制了企业集中化过程。二是国有煤炭企业负担沉重，增加了企业兼并重组

的障碍。三是投融资体制限制了企业获得资金支持。

（四）煤炭产业、产品结构的问题

1．非煤产业小而分散，抗风险能力差。非煤产业涉及的行业多，投资分散，

布点多，项目很难实现经济规模，大多数几乎没有盈利。在市场竞争日趋激烈，各

产业集中化进程加快的今天，非煤产业竞争力较差，面临严峻挑战，项目符合国家

及有关行业产业政策支持标准的很少。

2．产业结构单一，产业关联项目少。从国外实践看，许多大型煤炭企业已经

建立前向与后向关联关系，从煤钢联营发展到煤电、煤化工一体化经营。尽管煤炭

行业新上了一些坑口电厂、煤化工项目和建材项目，但这些项目还不足以对煤炭工

业产业结构的改善和优化起到关键作用。这些项目也缺乏国家产业政策的鼓励和推

动。

3．产品结构不合理。我国已进入由重工业化过程向高加工度化过程转变，加

工度越深，附加值越大。煤炭工业内部结构的演化最终将落实到产品结构的不断升

级上来。但是，长期以来煤炭产业追求数量，忽视煤炭质量，重视煤炭产品结构升

级不够。目前我国原煤洗选比重为25%，大部分商品煤以原煤形式直销，产品结构

不合理，产品质量低，对环境污染严重，不但煤炭企业损失严重，还造成外部不经

济性。

（五）煤炭产业技术发展存在的主要问题

1.科技进步尚未成为煤炭经济增长的主导因素。目前科技进步对煤炭经济增长

的贡献率为35%左右，表明长期以来煤炭产业的发展主要是依靠大规模增加资金和

劳动的投入，科技进步尚未成为主导因素。

2.煤矿技术面貌比较落后。煤矿技术装备水平较低，不同所有制煤矿技术结构

差距大，手工开采产量仍占50%左右：安全技术水平低，死亡率高；煤炭产品技术

含量低；科技成果转化率低、高新技术的应用率低；职工素质有待提高。我国的煤

矿技术水平与国外先进产煤国家相比存在较大差距。

3．科技投入不足，科技发展缺乏后劲。一是国家对煤炭行业的科技投入有所

下降。二是企业尚未成为科技投入的主体。煤炭企业技术开发经费总额占全部销售

收入比重较低，国有重点煤矿科技投入仅占煤炭销售额的0.6-0.8%，而全国企业技

术开发经费占产品销售收入的比重平均已超过1%。

（六）煤炭产业消费与流通的问题

1.煤炭生产者受制于煤炭消费者及交通运输部门。煤炭的主要消费者十分集中

，而煤炭生产者却过度分散，无序竞争，导致生产者低价销售，煤炭产品的生产者

受制于煤炭产品的消费者。我国煤炭产地与消费地呈逆向分布，煤炭销售受到交通

运输部门的制约，煤炭运量占铁路货运量40%以上。煤炭产品是大宗物资，长期大

量堆积会引起自燃、变质，运输环节客观上存在着对煤炭生产者不利的条件。

2．交易费用过高。一是履约成本高，到1999年3月底，应收煤款327亿元，已

超过全年销售收入的一半，使煤炭企业资金周转十分缓慢，流动资金占用增加。据

统计，万吨能力流动资金占用情况以1984年100为基数，1985年为115.7，1992年为

194.6，1993年陡增至1319.2，1994年为1676.7，1995年升至1715.1。由此看来，

煤炭市场竞争加剧，使交易费用急剧增加，市场运行状况很差。二是交易环节多，

费用高。三是交易环节取收高。

3．环境保护政策有侍完善。国家已经出台了《大气污染防治法》，国务院下

发了《关于酸雨控制区和二氧化硫污染控制区有关问题的批复》、《关于环境保护

若干问题的决定》，北京、上海、天津、以及一些省、市也出台了禁止燃用含硫量

高于一定比例的煤炭产品的规定，对于控制二氧化硫有着积极的作用。但对于直接

销售和使用原煤限制较少，这不利于煤炭深度加工，也不利于环境保护。各地对小

煤矿破坏环境等问题监督不力。

（七）煤炭产业的困难

1．煤炭产业退出成本高，缺乏资金支持。过去，煤炭产业没有进行根本性的

结构调整，大量过剩生产要素沉淀在产业内部，产业退出成本很高，急待财政给予

资金支持。

2．煤炭企业融资能力差。长期以来煤炭工业建设资金不足，煤炭项目建设周

期长、投资回报率低，投资风险大，缺乏对社会资金足够的吸引力，社会资金很难

自发地流向煤炭产业。

3.煤炭产业缺乏建设基金支持。目前水利、电力、铁路、石油、通讯等行业都

实行了建设基金制度，而煤炭缺乏建设基金支持，而每年要上缴一百多亿元的各类

基金和费用，国家不允许建立煤炭工业建设基金，严重影响了煤炭工业的健康发展

。

4．煤矿安全投入不足。由于煤炭产业投资收益偏低，地质条件差，自然灾害

多，仅靠煤炭企业自身力量解决实力不足，国家应给予适当扶持。

5．煤炭行业税赋重。煤炭企业比一般企业额外承担资源税、资源补偿费、矿

业权使用费等资源性税赋，超过一般工业企业税赋。

今后煤炭行业主要是靠市场定价，市场调节。你可以到煤炭之家网站（www.coal123.cn)查看更多的关于今后的煤炭发展趋势。

对于煤的工业分析而言，它可以确定出煤的整体组成部分，下面是由我整理的煤的工业分析技术论文，谢谢你的阅读。

浅谈煤的工业分析

摘要 ：文章浅谈了煤的工业分析方法的要点、原理及测定过程中的注意事项，并对测试结果在实际工作中的应用作了简单的介绍。

关键字 ：水分 灰分 挥发分 固定碳

Abstract: the article briefly discusses the coal industrial analysis method, principle and the main points of the matters needing attention in the process of measurement, and its application in the practical work of the result of the test made a simple introduction.

The keyword volatile moisture ash fixed carbon

中图分类号：TQ52文献标识码：A

正文：

煤的工业分析也称煤的技术分析或实用分析，在国家标准中，煤的工业分析是指包括煤的水分(M )、灰分(A )、挥发分(V )和固定碳(Fc )四个分析项目指标的测定的总称。煤的工业分析是了解煤质特性的主要指标，也是评价煤质的基本依据。通常煤的水分、灰分、挥发分是直接测出的，而固定碳是用差减法计算出来的。广义上讲，煤的工业分析还包括煤的全硫分和发热量的测定， 又叫煤的全工业分析。工业分析是一种规范性很强的定量分析方法，是在特定条件下所测得的各项数值。

1、煤的水分

煤的水分，是煤炭计价中的一个最基本指标。煤是多孔性固体，含有一定的水分。水分是煤中的无机组分，其含量和存在状态与煤的内部结构及外界有关。一般而言，水分的存在不利于煤的加工利用。

煤的水分按照它的存在状态及物理化学性质，可分为外在水分、内外水分及化合水三种类型。

煤的水分直接影响煤的使用、运输和储存。煤的水分增加，煤中有用成分相减少，且水分在燃烧时变成蒸汽要吸热，因而降低了煤的发热量。煤的水分增加，还增加了无效运输，并给卸车带来了困难。特点是冬季寒冷地区，经常发生冻车，影响卸车，影响生产，影响车周转，加剧了运输的紧张。煤的水分也容易引起煤炭粘仓而减小煤仓容量，甚至发生堵仓事故。

煤中水分按存在形态的不同分为两类，既游离水和化合水。煤的工业分析中只测试游离水，不测结晶水。

煤的游离水分又分为外在水分和内在水分。煤的全水分，是指煤质全部的游离水分，既煤中外在水分和内在水分之和，简记符号Mt。

煤的全水分测定可采用四种方法，即通氮干燥法、空气干燥法、微波干燥法及空气干燥的一步法和两步法。在我们实际的工作中用的是空气干燥法，即称取一定量粒度小于6mm的煤样，在空气流中，于105-110℃干燥至质量恒定，然后根据煤样的质量损失计算全水分的含量。

2、煤的灰分

煤的灰分不是煤中固有的成分，而是煤在规定条件下完全燃烧后的残留物，灰分简记符号为A，也表示灰分的质量分数。即煤中矿物质在一定条件下经一系列分解、化合等复杂反应而形成的的，是煤质矿物质的衍生物。灰分全部来自矿物质，组成和质量又不同于矿物质，煤的灰分和煤中的矿物质关系密切，对煤炭利用都有直接影响，工业上常用灰分产率估算煤中矿物质的含量。

煤的灰分可用来表示煤中矿物质的含量，通过测定煤中灰分产率，可以研究煤的其他性质，如含碳量、发热量、结渣性等，用以确定煤的质量和使用价值。

中国标准GB/T212-2001规定，灰分测定方法包括缓慢灰化法和快速灰化法两种。其中缓慢灰化法为仲裁法。

缓慢灰化法测定时，称取粒度小于0.2mm的空气干燥煤样(1±0.1)g(称准至0.0002g)，均匀地摊平于灰皿中，放入马弗炉中，以每分钟不大于2cm的速度把灰皿推入炉内的炽热部位，即恒温区(若煤样着火发生爆燃，则实验作废)，关上炉门，在(815±10)℃温度下灼烧40min。从炉中取出灰皿，冷却5min左右，移入干燥器中冷却至室温后称量并进行检查性灼烧。如遇检查性灼烧时结果不稳定，应改用缓慢灰化法重新测定。灰分低于15.00%时，不必进行检查性灼烧。

3、煤的挥发分和固定碳

(1)煤的挥发分

挥发分的概念 煤样在规定的条件下，隔绝空气加热，并进行水分校正后的挥发物质产率称为挥发分，简记符号为V。煤的挥发分主要是由水分、碳、氢的氧化物和碳水化合物(以CH4为主)组成，但不包括物理吸附水和矿物质中的二氧化碳。可以看出，挥发分不是煤中固有的挥发性物质，而是煤在特定条件下的热分解产物，所以煤的挥发分称为挥发分产率更确切。挥发分测定结果随加热温度、加热时间、加热速度以及实验设备的形式、试样容器的材质、大小不同而有所差异。因此说挥发分的测定是一个规范性很强的实验项目，只有采用合乎一定规范的条件进行分析测定，所得挥发分的数据才有可比性。

挥发分的测定 按国家标准GB/T212-2001的规定，挥发分的测定方法要点为：称取一定量的空气干燥煤样，放在带盖的瓷坩埚中，在(900±10)℃下，隔绝空气加热7min，以减少的质量占煤样质量百分数减去该煤样的水分的质量分数(Mad)作为煤样的挥发分

(2)煤的固定碳

煤的固定碳的概念 从测定煤样挥发分后的焦渣中减去灰分后的残留物称为固定碳，简记符号为FC。固定碳和挥发分一样不是煤中固有的成分，而是热分解产物。在组成上，固定碳除含有碳元素外，还包含氢、氧、氮和硫等元素。因此，固定碳与煤中有机质的碳元素含量是两个不同的概念，绝不可混淆。一般而言，煤中固定碳含量小于碳元素含量，只有在高煤化程度的煤中两者才比较接近。

固定碳的计算 煤的工业分析中，固定碳一般不直接测定，而是通过计算获得。在空气干燥煤样测定水分、灰分和挥发分后，由下式计算没的固定碳的质量分数

Wad(FC)=100-(Mad+Aad+Vad)

式中 Wad(FC) ——空气干燥煤样的固定碳的质量分数，%

Mad ——空气干燥煤样的水分的质量分数，%

Aad ——空气干燥煤样的灰分的质量分数，%

Vad ——空气干燥煤样的挥发分的质量分数，%

结论： 随着煤的煤化程度的增加，煤中水分开始下降很快，以后变化则不大固定碳含量逐渐增加挥发分产率则先增加后降低。若以干燥无灰基计算，挥发分产率随煤化程度增加呈线性关系下降。

参考文献

【1】 朱银惠《 煤化学 》 化学工业出版社 2004年8月

点击下页还有更多>>>煤的工业分析技术论文

李松 汤达祯 许浩 陶树 蔡佳丽

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(40730422)国家科技重大专项课题34(2011ZX05034)中央高校基本科研业务费专项资金资助

作者简介:李松,1985年生,男,江苏省沛县人,博士研究生,从事能源地质方面的研究。E-mail:lisong85@126.com

(中国地质大学(北京)能源学院 北京 100083)

摘要:本次研究以不同煤体结构的煤储层物性的差异分析为切入点,运用各种实验测试手段,探讨了煤体结构和煤储层物性的耦合关系。结果表明:煤岩随着应力的增强,吸附能力不断增大,煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔,有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。渗流孔隙和微裂隙随着应力的增强在初碎裂煤阶段骤减,而后增加,在碎裂煤阶段最为发育,而到了糜棱煤阶段,煤岩发生塑性变形,其发育程度再次减小,碎裂煤对煤层气的产出最为有利。煤体结构变形可分为五个阶段,包括裂隙闭合阶段、微裂隙产生阶段、宏观裂隙产生阶段、沿某破裂面破坏阶段和流变破坏阶段,表述了各阶段煤岩渗透率的变化规律。

关键词:煤体结构 储层物性 孔隙 裂隙

Coal Reservoir Property Differences Analysis of Different Coal Structure

LI Song TANG Dazhen XU Hao TAO Shu CAI Jiali

(School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)

Abstract: This paper focused on the influence of coal structure types on the coal reservoir properties, using a variety of testing methods studied the connection between coal structure types and properties. The results showed that: with the stress increasing, the coal reservoir adsorption capacities improved, and the adsorption pores changed from enclosed types to open pores which are conducive to the adsorption, desorption and diffusion of the coalbed methane. Seepage pores and microfracures firstly sharply decreased with the stress increasing in the proto- cataclastic coal stage, then increased and most developed in the cataclastic coal stage, while in the mylonitic coal stage the seepage pores and microfractures reduced again, thus, the cataclastic coals are most favorable to the production of coalbed methane. The evolution of the coal structure can be divided into five stages, including the closing stages of fractures, the microfractures development stage, cracks development stage, damage along cer- tain fracture plane and rheological destruction stage.

keywords: coal structurereservoir propertiesporositycracks

我国的含煤盆地具有复杂的构造演化史,尤其在中国南方地区,煤层受多期构造运动的叠加改造,不仅导致煤盆地结构发生变化,也使煤层结构发生了强烈变形,煤储层物性发生了根本性的变化,煤储层非均质性增强,从而加大了我国煤层气勘探和开发的难度(姜波等,1998琚宜文等,2002傅雪海等,1999)。目前我国在对构造煤储层物性特征方面缺乏深入研究和探讨,由于构造复杂,甚至将构造煤视为煤层气开发的“禁区”(杨陆武等,2001)。针对这一问题,本次研究采集了不同煤体结构的煤岩样品进行了各种测试及实验,以不同煤体结构的煤储层物性的差异分析为切入点,力求在煤体结构和煤储层物性的相互关系方面取得突破。

样品采自云南省老厂地区箐地沟煤矿,样品涵括了原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤。为了对具有不同煤体结构煤岩样品的物性特征进行多技术综合表征,本次研究设计并开展了多项测试及实验,对采集煤样的孔裂隙系统及物性参数进行了系统的分析。首先,从四种不同煤体结构的煤岩样品中分别钻取2个直径约25mm的岩心柱样,一套柱样用于压汞孔隙测试,另一套用于煤岩常规孔渗分析然后将钻取柱样时剩余的块状样品用于制作煤岩光片,进行煤岩显微裂隙测定剩余的颗粒状样品用于煤岩液氮比表面、孔径测试、工业分析和甲烷等温吸附实验。

1 煤储层孔隙结构特征

1.1 吸附孔隙结构特征

煤的吸附孔是指孔径小于100nm的孔隙,包括小孔、微孔等孔隙空间(ХоДоТBB et al.,1996)。液氮吸附法能够非常有效地区分吸附孔中的微孔和小孔,对研究煤储层吸附孔径结构具有一定的优势(陈萍等,2001)。四块煤样的液氮吸附实验结果呈现出很好的规律性(表1),原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤所受到的构造应力依次增大,随着应力条件的增强,各煤岩样品的BET比表面积和BJH总孔体积依次升高。微孔和小孔含量也随着应力的增大发生相应的变化,箐地沟煤矿煤的演化程度已经达到无烟煤阶段,因此该煤矿的原生结构煤的微孔含量较高,达83.3%,随着应力作用的增强,微孔趋于闭合,小孔变为更小的孔隙,部分大中孔变为小孔,相对来说,微孔数量的减少要大于小孔数量的减少,因此小孔含量相对增加。从原生结构煤到糜棱煤小孔含量从16.7%变为65.4%,平均孔直径也从10.6nm增大到17.8nm。

表1 液氮吸附实验测试数据表

四块煤样的液氮吸/脱附曲线呈现不同的形态,尤其糜棱煤与其他煤样存在较大的差异(图1)。糜棱煤的吸附曲线从压力接近P0时开始迅速增加,曲线变陡,吸附量迅速增大,最大吸附量可达2.0mL/g而原生结构煤、初碎裂煤和碎裂煤的最大吸附量较小,均在0.6mL/g以下,吸附曲线整体比较平缓,吸附能力糜棱煤>碎裂煤>初碎裂煤>原生结构煤。随着应力的增加,煤岩小孔含量逐渐高于微孔,煤储层的BET比表面,BJH总孔体积和平均孔直径相对增高,煤岩吸附能力随之增大。糜棱煤和碎裂煤的吸/脱附曲线都存在较为明显的吸附回线,反映的孔隙类型是开放型的圆筒孔和平行板状孔而原生结构煤和初碎裂煤的吸/脱附曲线近乎重合,孔隙多为一端封闭型孔。总体而言,随着应力的增强,煤岩吸附能力不断增大,煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔,应力的增大使得煤岩吸附孔隙的吸附能力和孔隙类型变好,有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。

图1 典型液氮孔隙模型

1.2 渗流孔隙结构特征

煤储层中孔径大于100nm的孔隙为渗流孔隙,主要由大孔和中孔组成,其孔径结构对煤的渗透性及开发阶段煤层气的产出具有重要意义。本文研究煤储层渗流孔隙结构采用了压汞测试方法,压汞法可以定量得到孔径大于3.75nm的孔隙参数,这种方法在测试煤的大孔和中孔的孔径结构上具有一定的优势[7]。煤样的压汞测试结果表明:四块煤样的微小孔含量基本相当,但大中孔含量差异较大(表2),表明应力作用对煤岩的渗流孔隙的发育具有较强的控制作用。其中煤岩大孔含量碎裂煤>糜棱煤>原生结构煤>初碎裂煤,碎裂煤的大孔含量最高,达15.53%,其他三块样品的大孔含量均低于5%,原生结构煤的大孔含量为3.53%,初始的应力使得部分大孔转化为中孔,初碎裂煤的大孔含量相对减少,为2.97%,随着应力的增大,煤岩开始破裂,产生大量裂隙和大孔径孔隙,大孔含量明显增高,为15.53%,随着应力的进一步增大,煤岩变为糜棱煤,煤岩结构被严重破坏,大孔含量再次减少到4.71%。

表2 压汞孔隙测试数据表

在通过压汞测试的进、退汞曲线形态分析煤的渗流孔隙结构时,发现四块样品的压汞测试的进、退汞曲线形态显示出较大的差异(图2)。碎裂煤的进汞饱和度和退汞效率最高,而其他样品的进汞饱和度都较低,在30%左右,糜棱煤退汞效率最低,为32.35%,而其他样品的退汞效率均在60%左右。排驱压力碎裂煤糜棱煤

图2 典型压汞曲线类型

2 煤储层微裂隙结构特征

微裂隙是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁,其发育程度影响煤储层的渗透性能,借助于光学显微镜可直观地观测到煤岩中微裂隙的大小与形态。微裂隙可划分为A、B、C和D四种类型(Yao,Y.B. et al.,2009):类型A(宽度w>5μm且长度L>10mm)是宏观能清晰辨认的裂隙类型B(w>5μm且10mm≥1>1mm)是连续且较长的裂隙类型C(w300μm)是时断时续的裂隙类型D(w

2.1 微裂隙密度

四块煤岩样品的微裂隙发育密度差别较大,微裂隙以D型为主,C型和B型次之,而A型微裂隙极少见(表3)。其中,碎裂煤的微裂隙密度最大,可达165条/9cm2初碎裂煤的微裂隙发育密度最小,仅为14条/9cm2糜棱煤为25条/9cm2而原生结构煤的微裂隙密度为67条/9cm2。原生结构煤和初碎裂煤都未见A型裂隙发育碎裂煤和糜棱煤中存在A型裂隙,研究表明后期的构造应力作用是产生A型裂隙的主要因素。

表3 微裂隙类型和密度统计表

图3 微裂隙的显微镜下特征

2.2 微裂隙特征

原生结构煤以D型微裂隙和C型微裂隙为主,两者交叉分布,联通性一般初碎裂煤的微裂隙密度非常小,镜下特征显示为几条孤立存在的D型裂隙,B和C型裂隙极少,未见A型裂隙发育,连通性最差碎裂煤的微裂隙相对较发育,且裂隙方向杂乱无章,分布极不规律,但裂隙之间的连通性非常好,有利于煤层气的渗流糜棱煤的微裂隙多呈树枝状,其中类型B宽度较大,多为树枝状裂隙的树干部分,而裂隙C多较细而且延伸远,为树枝状裂隙的树枝部分。

3 煤储层吸附性和渗流能力

3.1 煤储层吸附性

通常用等温吸附实验的兰氏(Langmuir)参数来评价煤储层的吸附性能,常用参数有兰氏体积和兰氏压力(姚艳斌等,2007张群等,1999):兰氏体积是煤层气储层的极限吸附量,代表煤层气储层的吸附能力兰氏压力是实际吸附量达到极限吸附量50%时的压力,代表煤层气储层吸附气体的难易程度。等温吸附测试结果表明:四块煤岩的原煤兰氏体积在26.87~30.96m3/t之间,可燃基兰氏体积在30.45~38.94m3/t之间,兰氏压力在1.22~2.37MPa之间(表4)。煤的变质程度对煤的吸附性能具有决定性的作用,四块煤样的变质程度高,因此煤岩兰氏体积普遍较高,随煤级增高,煤中孔隙结构发生规律性变化,其中大孔、中孔逐渐闭合,而小孔和微孔逐渐增加,大量的小孔和微孔为甲烷气体提供了更多的吸附空间,提高了煤的吸附能力。碎裂煤的可燃基兰氏体积最低,原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤依次增高,糜棱煤最大,达到38.94m3/t。而原煤兰氏体积糜棱煤最低,为26.87m3/t,这是因为该块样品灰分含量极高,达到27.73%,显著高于其他样品,影响了其煤岩整体吸附能力。碎裂煤、原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤的兰氏压力依次升高,其煤岩吸附难易程度依次降低。

表4 等温吸附和工业分析数据表

3.2 煤储层渗流能力

原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤的渗透率依次为0.0078mD、0.0028mD、3.53mD和0.00037mD,其中碎裂煤的渗透率最高,而其他煤样的渗透性较差。大孔含量、微裂隙密度与煤岩渗透率存在较好的正相关关系,大孔含量越高,微裂隙越发育,煤岩渗透性越好(图4)。碎裂煤的气测渗透率值为3.53mD,裂隙广泛发育是导致该样品的实测渗透率较高的主要原因。

煤体结构变形可分为五个阶段,包括AB段(裂隙闭合阶段)、BC段(微裂隙产生阶段)、CD段(宏观裂隙产生阶段)、DE段(沿某破裂面破坏阶段)和EF段(流变破坏阶段)(图5)。AB段(裂隙闭合阶段):煤岩在应力作用下裂隙受压闭合,其应力相对较小,而煤岩应变量较大,渗透率降低BC段(微裂隙产生阶段):初期除产生弹性变形外,还表现为部分微裂隙摩擦滑动,开始不稳定扩展破裂,微裂隙的出现使得渗透率增大,随后随着应力作用的增强,煤岩非弹性体积增长,微裂隙大量出现并扩展,此阶段对应碎裂煤形成阶段,是渗透率增加速率最大阶段CD段(宏观裂隙产生阶段):当扩容发生到一定程度时,煤岩便开始产生肉眼可以识别的宏观裂隙,此阶段对应碎裂煤,是渗透率极大值阶段DE段(沿某破裂面破坏阶段):被贯通裂隙分割后煤岩沿贯通裂隙发生滑移,并有新裂隙面扩展贯通,此阶段对应碎裂煤晚期和碎粒煤早期,渗透率开始降低EF段(流变破坏阶段):裂隙面不断扩展,形成流变破坏,对应糜棱煤阶段,渗透率急剧降低。

图4 渗透率的控制因素

图5 不同煤体结构煤岩渗透率变化特征

4 结论

将煤体结构变形分为五个阶段,包括裂隙闭合阶段、微裂隙产生阶段、宏观裂隙产生阶段、沿某破裂面破坏阶段和流变破坏阶段原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤所受的应力依次增大,随着应力的增强,煤岩吸附能力不断增大,煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔,有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。渗流孔隙和微裂隙随着应力的增强在初碎裂煤阶段骤减,而后增加,在碎裂煤阶段最为发育,而到了糜棱煤阶段,煤岩发生塑性变形,其发育程度再次减小,碎裂煤对煤层气的产出最为有利。碎裂煤、原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤的兰氏压力依次升高,其煤岩吸附难易程度依次降低煤岩大孔含量及微裂隙密度与渗透率有较好的正相关关系。

参考文献

陈萍,唐修义.2001.低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研究[J].煤炭学报,26(5):552~556

傅雪海,陆国祯,秦杰等.1999.利用测井响应值进行煤层气含量拟合和煤体结构划分的研究.测井技术,23(2):112~11

姜波,秦勇,宋党育等.1998.高煤级构造煤的XRD结构及其构造地质意义.中国矿业大学学报,27(2):115~118

琚宜文,王桂梁.2002a.煤层流变及其与煤矿瓦斯突出的关系.地质论评,48(1):96~105

杨陆武,孙茂远.2001.中国煤层气藏的特殊性及其开发技术要求.天然气工业,21(6):17~19

姚艳斌,刘大锰,黄文辉,汤达祯,唐书恒.2006.两淮煤田煤储层孔-裂隙系统与煤层气产出性能研究[J].煤炭学报,31(2):163~168

姚艳斌,刘大锰.2007b.华北重点矿区煤储层吸附特征及其影响因素.中国矿业大学学报,(3):308~314

张群,杨锡禄.1999.平衡水分条件下煤对甲烷的等温吸附特性研究.煤炭学报,24(6):566~570

ХоДоТBB.宋世钊,王佑安译.1996.煤与瓦斯突出[M].北京:中国工业出版社,27~30

Yao, Y.B., Liu, D.M., Tang, D.Z., Tang, S.H., Huang, W .H., Liu, Z. H., Che, Y., 2009.Fractal char-acterization of seepage-pores of coals from China: an investigation on permeability of coals [J] .Computer &Geosciences 35(6),1159～1166