1、除石油和其他液态能源外,天然气将超过煤炭,成为全球第二大一次消费能源1。煤层气作为一种重要的非常规天然气,在我国蕴藏量丰富,已成为常规天然气现实可靠的补充资源。煤层气的开发利用可以有效弥补天然气供应和区域分布的不足2。关于煤层含气量和组分特征的研究报道较多。目前诸多文献研究显示,含气量和组分特征是资源量预测、煤层气勘探开发和有利区带评价工作中的重要研究内容3。上述两者受地质因素影响明显,在各矿区显示出不同的特征。高为等4根据六盘水地区气体含量、组分以及煤岩基础数据,认为煤岩成熟度、埋藏深度和构造条件造成了含气性在空间分布上的差异。魏强等5基于淮南潘谢深部11-2煤储层含气量和地球化学特征数据,
2、指出煤层埋深、基岩厚度、储层压力和温度与含气量及甲烷碳同位素(13C1)存在正相关关系,认为含气量与13C1的控制因素有关。淮北煤田煤层气资源丰富,主要赋存于闸河向斜、南坪向斜、宿南向斜、宿东向斜、童亭背斜和涡阳单斜内6-8。宿南矿区位于淮北煤田的南部,以宿北断裂为界,含气量在淮北煤田呈现南高北低特点。其中,宿南矿区含气量最高为20 m3/t8。为了解宿南矿区煤层气特征,前人通过研究,确定了埋藏深度、煤层厚度、孔隙结构、构造条件等诸多要素对煤层气特征的影响8-12。祁东煤矿位于宿南矿区,建井时间较早,煤炭勘探开发程度较高13,相关资料可用于周边矿区煤层气勘探。本文以宿南矿区祁东煤矿3、6、7煤
3、层为研究对象,通过实验,分析了煤层气含量和组分特征,探讨了煤层埋藏深度、煤层厚度、顶板厚度和煤质等要素对煤层气含量和甲烷浓度的影响。该研究为宿南矿区煤层气勘探和开发提供了一定的理论基础和参考依据。1地质背景淮北煤田下辖濉萧、宿州、临涣和涡阳 4 个矿区14。其中,宿州矿区位于煤田东南部。宿州矿区南北方向上分别以宿北断裂和板桥断裂为界,发育近东西、北北东和北西向构造。构造上主要受控于宿州矿区南部的蚌埠隆起,东部的郯庐断裂带和徐宿弧形构造3。地质历史时期经历了自晚三叠世燕山期喜山期以来的多次造山运动,奠定了现今的构造格局9。宿南矿区是宿州矿区的一部分,东部以西寺坡断层为界,南部以板桥断层为界(图1
4、)。祁东煤矿是宿南矿区生产矿井。可采煤层位于宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿
5、煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响
6、因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析及其影响因素分析汪宏志(安徽省煤田地质局第三勘探队,安徽宿州234000)摘要:为研究宿南矿区祁东煤矿煤层气地质和地球化学特征及影响因素,在样品采集和测试基础上
7、对含气量及组分进行测定,并探讨了影响因素。结果表明:煤层气组分以CH4为主,含量为62.14%98.0%(平均含量为87.57%);次为CO2和N2,含量分别为0.008.63%(平均含量为4.08%)和0.15%30.17%(平均含量为9.21%)。甲烷浓度与含气量成正比,与N2浓度成反比。含气量随埋深增加而增加,但甲烷浓度变化不明显。另外,甲烷浓度和含气量与煤层厚度、顶板厚度呈弱正相关关系。含气量与水分关系为弱负相关,与灰分和挥发分为弱正相关。关键词:煤层气;含气量;煤层气组分;祁东煤矿;宿南矿区中图分类号:P611文献标志码:A收稿日期:2022-10-19作者简介:汪宏志(1983),
8、男,安徽宣城人,高级工程师,主要从事煤田地质勘探工作。E-mail:006-5第33卷第1期二叠系上石盒子组、下石盒子组和山西组,含可采煤层 312 层。含煤地层总厚度约为 1 300 m,可采煤层厚度约为 12 m。其中,上石盒子组主要含 1、2、3煤层,下石盒子组主要含 4、5、6、7、8、9煤层(图 1),山西组主要含 10、11 煤层。3、6、7、8、9 在祁东煤矿为可采煤层。煤质以气煤、肥煤、1/3焦煤为主,含少量无烟煤3。图1宿南矿区构造纲要图及采样地层柱状图(据参考文献3修改)Figure 1.Outline of structures and histogram of stra
9、tasampled in the Su nan mining area(modified according toreference 3)2样品采集及方法根据祁东煤矿钻孔和煤层空间分布特征,采集3、6、7共3个煤层的29个样品。采用排水集气法测定煤样的现场解吸气体量。解吸前,用氩气驱离瓦斯罐中气体,并进行气密性检验。煤样装进后,迅速对瓦斯罐进行密封。另外,根据样品采集深度换算煤储层温度,将水浴加热至储层温度,开始进行煤层气的解吸实验。实验时,依据 地勘时期煤层瓦斯含量测定方法(GB/T 232492009),在一定的间隔时间内记录现场解吸量,直至达到解吸平衡的状态,并将煤样放置于实验室进行残余
10、气体量的测定。然后,依据现场解吸量和t法计算样品损失气体量。实验后,依据天然气的组成分析气相测谱法(GB/T 136102014),使用配备HP-5MS石英柱的安捷伦7890A仪器对收集气体组分进行测定。在进行气体组分测量时,将气相色谱柱的初始温度设置为30oC,并保持10min,然后以10oC/min的速度升至180oC并保持20 min。煤的工业分析参考 煤的显微组分组合矿物测定方法(GB/T 88992013)。制备煤样时,将样品粉碎至200目并利用四分法选取代表性样品进行实验。3结果3.1 煤层及煤质特征宿南矿区祁东煤矿所采集样品深度介于 400840 m。其中,3 煤层埋深介于 40
11、0820 m,厚度为1.954.12m,平均为2.69m。6煤层埋深介于450770m,厚度为 1.563.24 m,平均为 2.63 m。7煤层埋深介于 400820 m,厚度为 0.453.65 m,平均为 2.45m。各煤层顶板以泥岩为主,次为砂岩和砂泥岩(图2)。煤层顶板厚度介于 1.628.50 m,其中 7煤层顶板平均厚度最大,其次为3煤层。祁东煤矿煤层及煤质特征见表1。图2祁东煤矿3煤层(a)、7煤层(b)底板等值线及顶板岩性平面分布图Figure 2.Contour line of the floor and plane of the rooflithology of coal
12、 beds 3(a)and 7(b)in the Qidong coalmine煤质分析结果显示,空气干燥基水分Mad:3煤层为 0.65%2.00%,平均为 1.30%(样品数量 n=11);6煤层为1.14%1.95%,平均为1.39%(样品数量n=6);7煤层为0.33%1.16%,平均为0.90%(样品数量n=12)。空气干燥基灰分 Aad:3 煤层数值最大,主要介于15.21%36.40%,平均为24.11%;7煤层数值最小,为13.26%21.78%,平均为 15.77%。干燥无灰基挥发分Vdaf:各煤层主要介于22.32%34.38%,其中6煤层最小,为22.32%27.61%,
13、平均为25.63%。总体而言,汪宏志:宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征及其影响因素分析7安徽地质2023年宿南矿区样品主要为中低灰分和中高挥发分煤。表1祁东煤矿煤层及煤质特征Table 1.Coal quality and coal bed characteristics of theQidong coal mine注:(1.954.12)/2.69(11)=(最小值最大值)/平均值(样品数);Mad=空气干燥基水分;Aad=空气干燥基灰分;Vdaf=干燥无灰基挥发分。3.2 煤层气含量及组分特征煤层含气量和组分特征见表 2。3 煤层含气量介于 2.9210.71 m3/t,平均为 7.2
14、5 m3/t(样品数量 n=11)。6 煤层含气量介于 4.007.58 m3/t,平均为 6.11m3/t(样品数量n=6)。7煤层含气量介于1.6312.60m3/t,平均为6.86 m3/t(样品数量n=12)。表2祁东煤矿煤层含气量及其组分特征Table 2.Gas content and features of gas composition inthe Qidong coal mine煤层367含气量m3/t(2.9210.71)/7.25(11)(4.007.58)/6.11(6)(1.6312.60)/6.86(12)成分/%CH4(72.1298.01)/87.92(11)(
15、80.0296.43)/88.79(6)(62.1497.07)/84.28(12)CO2(1.026.43)/3.89(11)(0.004.73)/2.22(6)(1.748.63)/4.58(12)N2(0.3921.70)/8.11(11)(0.1515.28)/8.92(6)(0.1830.17)/11.13(12)注:2.9210.71/7.25(11)=最小值最大值/平均值(样品数)。祁东煤矿所采煤层气样品组分以CH4为主,次为N2和 CO2。其中,3 煤层 CH4浓度为 72.12%98.01%(平 均 为 87.92%),N2和 CO2浓 度 分 别 为 0.39%21.70%
16、(平 均 为 8.11%)和 1.02%6.43%(平 均 为3.89%);6 煤层 CH4浓度为 80.02%96.43%(平均为88.79%),N2和 CO2浓度分别为 0.15%15.28%(平均为 8.92%)和 0.004.73%(平均为 2.22%);7 煤层 CH4浓度为62.14%97.07%(平均为84.28%),N2和CO2浓度分别为 0.18%30.17%(平均为 11.13%)和 1.74%8.63%(平均为4.58%)。对比发现,6煤层CH4浓度平均值最高,CO2浓度平均值最低,7煤层中具有最高的N2浓度平均值。需要指出的是,7煤层中一个样品的N2浓度值达到最大,为3
17、0.17%。6煤层中一个样品中未检测出CO2成分,而3煤层中一个样品的CH4浓度值最大,为98.01%。如图3所示,甲烷浓度和含气量存在一定程度上的正相关关系。随着含气量的增加,多数样品甲烷浓度数值增大图3(a)。另外,甲烷浓度与N2浓度具有显著的负相关关系图3(b)。当甲烷浓度变高时,N2浓度变低;相反,甲烷浓度变低时,N2浓度变高。这一结果表明,煤层形成时经历了复杂的地质构造,形成了扩张裂隙,对煤层气组分产生了影响3,9,12。图3祁东煤矿煤层甲烷浓度与含气量(a)及氮气浓度(b)关系图Figure 3.Relationship between methane concentration
18、andgas content(a)or nitrogen concentration(b)in the Qidongcoal mine4含气量及组分影响因素4.1 埋藏深度图4为煤层气样品埋藏深度与含气量和煤层气组分的关系图。图4(a)显示,含气量与埋藏深度整体上呈现出一定程度上的弱相关关系。除个别样品外,3煤层和7煤层埋藏深度与含气量相关关系较好。在埋藏深度影响下,含气量数值点的变化趋势较为明显。而6煤层由于样品数量较少,上述两者反映的数值点分布较为离散。如图4(b)所示,甲烷浓度与埋藏深度无相关关系。从数值分布上看,埋藏深度为 400840 m 的绝大多数煤层气样品甲烷浓度介于 75%10
19、0%,埋藏深度为 400 m 的 7 煤层样品甲烷浓度最低,为62.14%。同时,埋藏深度约为780 m的6煤层样品甲烷浓度数值为80%左右,低于类似深度的其他样品。总体上,约占样品总量78%的样品的甲烷浓度在80%以上。可见,甲烷浓度在纵向上的变化可能与其他因素相关。图4(c)显示,CO2浓度随着埋藏深度的增加具有降低的趋势,但相关性不大。值得注意的是,除7煤层的一个样品外,绝大多数样品CO2浓度均在8%以下。如图4(d)所示,除少数异常样品外,N2浓度随着深度的增加而降低。异常样品在3个煤层中均有分布,尤以3煤层居多。上述分析表明,各煤层含气量分布区间较广,介于1.6312.60 m3/t
20、。总体上,受埋藏深度影响较为明显。甲烷浓度随埋藏深度增加呈现的无规律分布特征,说明埋藏深度对甲烷浓度无影响。比较而言,除煤层367埋深/m400820450770400840煤厚/m(1.954.12)/2.69(11)(1.563.24)/2.63(6)(0.453.65)/2.45(12)顶板厚度/m(2.205.50)/3.87(11)(1.655.01)/3.80(6)(1.628.50)/4.13(12)煤质分析/%Mad(0.652.00)/1.30(11)(1.141.95)/1.39(6)(0.331.16)/0.90(12)Aad(15.2136.40)/24.21(11)(
21、15.1530.68)/20.50(6)(13.2621.78)/15.77(12)Vdaf(22.7134.38)/27.82(11)(22.3227.61)/25.63(6)(22.7929.62)/27.92(12)8第33卷第1期一定数量的样品外,埋藏深度对N2和CO2浓度具有负作用。即随着埋藏深度的增加,N2和CO2浓度在一定程度上具有下降的趋势。(a)埋藏深度与含气量关系图;(b)埋藏深度与甲烷浓度关系图;(c)埋藏深度与CO2浓度关系图;(d)埋藏深度与N2浓度关系图图4煤层埋藏深度与含气量及组分关系图Figure 4.Relationship between buried de
22、pth and gas contentor gas composition4.2 煤层厚度及顶板厚度图5为煤层甲烷浓度和含气量与煤层厚度和顶板厚度的相关关系图。由图5(a)可知,随着煤层厚度增加,甲烷浓度数值整体上具有增加的趋势。除3煤层和7煤层个别样品外,甲烷浓度随着顶板厚度的增加而增加。类似煤层含气量在一定程度上随着煤层厚度和顶板厚度的增加也有增加的趋势。(a)煤层厚度与甲烷浓度关系图;(b)顶板厚度与甲烷浓度关系图;(c)煤层厚度与含气量关系图;(d)顶板厚度与含气量关系图图5煤层厚度、顶板厚度与甲烷浓度和含气量关系图Figure 5.Relationship between coal-
23、bed thickness or roofthickness and methane concentration or gas content如前所述,祁东煤矿各采样煤层厚度介于0.454.12 m,含气量和甲烷浓度随煤层厚度的变化而显示出的敏感度较高。另外,各煤层顶板岩性以泥岩为主,次为细砂岩和粉砂岩,且厚度为1.628.50 m。顶板厚度与煤层含气量和甲烷浓度具有明显的正相关关系。如图2所示,各相关煤层顶板岩性主要为泥岩和砂泥岩,有利于煤层气的保存。以上分析表明,由于相对适中的煤层埋藏深度和相对较好的封闭条件,煤层厚度和顶板厚度的变化对于甲烷浓度和含气量的影响较为明显,图5中,煤层厚度、顶
24、板厚度与甲烷浓度和含量也在一定程度上反映了古沉积环境和古构造条件对于含气性的控制作用,这主要基于古沉积环境和古构造条件对于煤层厚度、煤层顶板岩性和厚度的决定作用15。4.3 煤质特征图6分析了煤质特征和含气量及甲烷浓度的相关关系。如图6(a)和图6(b)所示,煤中水分对于含气量和甲烷浓度的影响不明显,但除个别样品点外,随着水分的增加,煤层含气量具有下降的趋势。比较而言,随着煤中灰分的增加,煤层含气量具有一定的增加特征,但对于甲烷浓度则无明显影响图6(c)、图6汪宏志:宿南矿区祁东煤矿煤层含气量和组分特征及其影响因素分析(a)Mad与含气量关系图;(b)Mad与甲烷浓度关系图;(c)Aad与含气
25、量关系图;(d)Aad与甲烷浓度关系图;(e)Vdaf与含气量关系图;(f)Vdaf与甲烷浓度关系图图6煤质特征参数与甲烷浓度和含气量关系图Figure 6.Relationship between characteristic parameters ofcoal quality and methane concentration or gas content9安徽地质2023年(d)。煤中灰分和水分对于含气量的影响原因在于,煤中灰分含量的增加能够增加煤的内比表面积,从而为煤中赋存的甲烷提供一定的吸附空间。因此,灰分含量的增加对于多数样品的含气量具有积极作用16-17。相反,煤中水分的增加,减
26、少了煤基质中甲烷吸附的空间,进而降低了煤层含气量,因此上述两者具有一定的负相关关系。如图6(e)、图6(f)所示,含气量和甲烷浓度随着煤中挥发分含量的增加而增加,特别是含气量和挥发分的弱正相关关系与前人研究结果不一致5。究其原因在于,研究区较为有限的数据点和较为狭窄的挥发分含气量分布区间对于上述两者的相关性不具有代表性。上述结果不能反映出煤的成熟度对甲烷浓度和含气量的影响,也可能是包括煤中灰分、水分以及煤储层特征等多重因素的叠加所导致的结果。5结论(1)祁东煤矿煤层含气量介于1.63%12.60 m3/t。成 分 以 甲 烷 为 主,介 于 62.14%98.0%,平 均 为87.57%。次为
27、 CO2和 N2,前者浓度为 0.007.63%,平均 为 4.08%;后 者 浓 度 为 0.15%30.17%,平 均 为9.21%。各煤层含气量和组分具有一定的差异。(2)煤层甲烷浓度与含气量呈正相关关系,与N2浓度呈负相关关系。含气量随着埋藏深度的增加具有增加的趋势,甲烷浓度数值在埋藏深度的影响下不明显。另外,甲烷浓度和含气量与煤层厚度、顶板厚度呈弱正相关关系。含气量与煤中水分呈弱负相关关系,但与灰分和挥发分呈弱正相关关系。参考文献:1张懿,朱光辉,郑求根,等.中国煤层气资源分布特征及勘探研究建议J.非常规油气,2022,9(4):1-8,45.2门相勇,娄钰,王一兵,等.中国煤层气产
28、业“十三五”以来发展成效与建议J.天然气工业,2022,42(6):173-178.3史小卫.祁东矿井瓦斯地质规律与瓦斯预测D.焦作:河南理工大学,2007.4高为,韩忠勤,吕放,等.六盘水地区煤层含气性地质特征及差异成因J.煤炭科学技术,2022,50(11):122-130.5魏强,刘家乐,童家颖,等.淮南潘集深部11-2煤层含气量与地球化学特征及其地质条件影响因素分析J.宿州学院学报,2022,37(9):33-38.6周荣福,王晓珍.淮北煤田煤层含气特征分析J.江苏煤炭,2000,25(3):5-6,53.7英成娟.安徽宿南矿区 72煤层开采地质条件综合评价D.淮南:安徽理工大学,20
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30、康.祁东煤矿6161工作面四含充水性分析J.山东煤炭科技,2016(9):166-168.14 邱慧丽,桂和荣,崔琳,等.淮北煤田宿临矿区中层水水文地球化学演化特征J.地下空间与工程学报,2021,17(6):2021-2029.15 曾丽君,陈慧丽,吴财芳.滇东雨汪区块多煤层含气量特征及其主控因素J.能源研究与利用,2022(1):27-31.16 冯文青,魏强,崔福田,等.深部煤甲烷吸附性能及含气量预测分析J.煤炭技术,2021,40(9):131-134.17 丁立奇,赵萌,魏迎春,等.中低煤阶镜质组微孔结构对甲烷吸附能力的影响J.中国煤炭地质,2021,33(10):17-21,30.
31、Analysis of the factors acting on the gas content and gas composition in thecoal beds of the Qidong coal mine in the Sunan mining areaWANG Hongzhi(No.3 Unit,Bureau of Coal Geology of Anhui Province,Suzhou,Anhui 234000,China)Abstract:In order to study the geological and geochemical characteristics an
32、d influencing factors of coal bed methane in theQidong coal mine in the Sunan mining area,the gas content and gas composition were determined based on samplecollection and testing,with their influencing factors being discussed.The results show that the main composition of the gas isCH4,ranging from
33、62.14%to 98.0%(average 87.57%)in content,followed by CO2and N2,ranging from 0.00%to 8.63%(average 4.08%)and 0.15%to 30.17%(average 9.21%),respectively.The methane concentration is directly proportional to gascontent and inversely proportional to N2concentration.The gas content increases with the bur
34、ial depth while the methaneconcentration does not change obviously.In addition,the methane concentration and gas content have weak positive correlationwith the thickness of the coal bed and that of the roof.A weak negative correlation has been observed between the gascontent and the moisture content,and a weak positive correlation between the gas content and the ash and volatile contents.Key words:coal bed methane;gas content;gas composition;Qidong coal mine;Sunan mining area10