第十一章煤的共、伴生矿产

煤田地质学 第十一章煤的共、伴生矿产

第十一章煤的共、伴生矿产 §1 油页岩

第十一章§1油页岩 一、概述 1.概念:任何一种能在热解中形成有工业意义的石油的浅成岩石，都可称为油页岩。 2.特点:油页岩的矿物岩石组成是多种多样的。有些属于真正的页岩，主要由粘土矿物组成，有些则主要由石英、长石、粘土矿物等的碳酸盐岩形成。目前世界上开采的油页岩包括页岩、泥灰岩、碳酸盐岩和其它细碎屑岩。

第十一章 §1 油页岩 二、油页岩的组成 1.主要元素:油页岩的有机质化学组成主要是碳、氢、氧、氮、硫等元素，但变化范围较大。 2.油页岩中含的有机质主要是一种固态不溶物质——干酪根，它与生油岩层中的干酪根无明显差异。

第十一章 §1 油页岩 3.生油岩与油页岩的区别:①有机质丰度和演化程度有所不同。生油岩中有机质的原始丰度即使很低，只要埋藏足够深，都有可能通过运移形成有工业价值的油藏；而油页岩必须含有大量的有机物质才有工业意义。②油页岩在演化阶段上的要求与生油岩不同，对于热解时产油率高的油页岩最好是埋藏较浅的。即在深成热解开始之前，干酪根的演化未达到成熟阶段。

第十一章 §1 油页岩 三、油页岩形成的沉积环境一般认为，油页岩主要为还原环境的静水沉积，主要有以下三种沉积环境： 1.大型的内陆湖成盆地：主要属于泥灰岩或泥质灰岩型，伴生沉积的还有火山凝灰岩和盐类。 2.浅海陆棚环境：此种地带往往为大面积稳定薄层油页岩的形成提供了良好的条件。油页岩大多属于黏土类和硅质类型，也可以为碳酸盐岩型。世界上多为黑色页岩沉积。

第十一章 §1 油页岩 3.小型湖泊、沼泽及伴生沼泽的泻湖环境：此种地带往往形成与煤系伴生的油页岩。且大多位于煤层层位以上（图11-1）。

第十一章煤的共、伴生矿产 §2 煤成气及煤层气

第十一章§2 煤成气及煤层气 一、与煤层及煤系有机质有关的天然气 1．煤成气含煤岩系中形成的天然气，泛称为煤成气。这一术语的涵义目前仍存在不同的认识。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 2．煤型气张厚福等认为煤型气是与煤系和煤层有关的天然气的总合，而煤成气是指煤系和煤层在演化过程中所形成的天然气，储集在煤层以外的空间内，煤成气属于煤型气中的一类。唐修义等认为在特定的地质条件下，煤层和煤系中分散有机质在煤化作用过程中生成的气相运移出母质储集在多孔岩层内而形成有经济价值的天然气藏，称为“煤成气”或“煤型气”。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 3．煤层气煤层气是煤层生成的气经运移、扩散后的剩余量，包括煤层颗粒基质表面吸附气，割理、裂隙游离气，煤层水中溶解气和煤层之间薄砂岩、碳酸盐岩等储层夹层间的游离气。煤层气是一种由煤层自生自储的非常规气藏。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 二、煤层气赋存特征由于洁净能源、煤矿安全、环境保护等多重效益，自20世纪70年代以来，煤层气日益受到各个国家的重视。美国是世界上最早、也是目前唯一实现煤层气工业性开发的国家。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 （一）煤层气的成分及其赋存状态 1.煤层气的成分煤层气的成分有甲烷、二氧化碳、氮、重烃气（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其它化合物）、氢、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、以及氦，氖、氩、氪、氙等稀有气体。其中，甲烷含量最高，可达90％以上，重烃含量一般为1％～4％至15％～20％，氮含量小于l％。由此可知，煤成气主要成分为甲烷，所以又称为煤层甲烷或煤矿瓦斯。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 2.煤层气的赋存状态煤层气以游离状态、吸附状态和溶解状态赋存于煤层内。①游离状态的煤层气，游离状态的煤层气一般约占10％～20％。②吸附状态的煤层气，这种赋存状态的煤层气往往占约80％～90％。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 ③吸附-解吸动态平衡:两种状态下的煤层气，在一定的压力和温度条件下处于动平衡状态，当压力和温度变化时，彼此可以相互转化。当压力增加、温度降低时，—些游离状态的煤层气较多地变为吸附状态；反之，则相反。因此，这是一种可逆的过程。在一定条件下，被吸附的气体分子与煤的内表面脱离而呈游离状态，称作解吸。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 吸附解吸动态平衡

第十一章§2 煤成气及煤层气 煤层是典型的裂隙－孔隙型储层煤层气的产出是排水降压过程，是解吸－扩散－渗流耦合、气－水两相渗流的复杂过程

第十一章 §2 煤成气及煤层气 3.煤层气含量单位体积或单位重量煤内游离状态与吸附状态煤层气之和，称为煤层气含量或煤层瓦斯含量。它代表了煤化作用中产生的煤层气量与历经地质时间所丢失的煤层气量之差。在实验室条件下，煤层气含量是指标准状态下（即在0℃和760mm汞柱下）每吨或每立方米的煤内所含的煤层气量。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 4.逸散气、解吸气和残余气煤层气是混合气而非单一甲烷气体。煤层气在煤层中的赋存状态会因外界条件的改变而发生变化，所以在测定煤的含气量时，按采集气样的过程和测定方法的不同，可划分为逸散气、解吸气和残余气。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 ①逸散气是指在采集过程中，由于压力、温度等的变化而发生解吸所逸散掉的煤层气； ②解吸气是指样品在密封后，在与解吸装置连通进行解吸测定而得出解吸气量； ③残余气则是指经解吸后残留的部分。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 （二）煤层气的形成煤层气的形成主要决定于煤化作用的过程和煤的不同显微组分。 1.煤化作用产生气态物质是形成煤层气的基础：煤化作用中随温度、压力的增加，煤的挥发分逐渐减少，由褐煤、烟煤到无烟煤，挥发分大约从50％降至5％左右。这些挥发分主要以CH4、CO2、H20、N2、NH4等气态产物形式逸出，形成煤成气的基础。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 2.煤化跃变对煤层气形成起重要作用在煤化作用多次跃变中，不仅发生煤的变质，而且每次跃变都相应出现一次成气的高峰。Karweil（1969）据此提出了各阶段煤化作用的产气量（图11-2）。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 在全部煤化作用的过程中，煤中有机质的基本结构单元（缩合稠环芳烃体系）不断减少所带有的侧链和官能团，如羟基—OH、甲基—CH3、羧基—COOH、醚基—O—等；可形成各种挥发性产物，其中甲烷逐渐增多，特别是在烟煤转变为无烟煤的第三次跃变，释放出大量甲烷。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 从图11-3可看出，煤化过程中产出以CH4为主的挥发性产物，同时发生芳核进一步缩合。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 煤化作用中不同官能团和芳核缩合程度的演化，还可从煤的红外光谱图上出现的特征性的吸收带反映出来。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 3.煤化作用中，煤的不同显微组分对成气的贡献不同 Jüntgen（1966）研究了这种差异，并得出自肥煤到无烟煤阶段（Cdaf=85％～95％），类脂组、镜质组和惰性组三种不同显微组分的脱气阶段和数量均各有区别。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 我国科学工作者的研究，也反映出类似的变化。即当达到一定煤化阶段后，各类组分累计产气率逐渐增高，但各自的成烃贡献不同。根据长庆石油开发设计研究院的资料，其最终产气能力比为类脂组：镜质组：惰性组=3:1:0.8。据刘德汉、傅家谟所得数据（无压真空封闭体系，温度500℃，时间ll0h的热演化产气实验），惰性组产气率为43.9ml/g，镜质组为惰性组的4.3倍，类脂组为惰性组的11倍。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 （三）影响煤层气含量的地质因素 ①煤层中煤成气的形成首先决定于煤化作用程度和煤的显微组分。一般煤化程度增高，产生的煤层气增多。 ②煤层内的煤层气含量是游离瓦斯及吸附瓦斯量的总和，且后者是主要部分。煤吸附甲烷的能力受到许多因素的影响，其中温度的降低、水分的减低和煤化程度的增高都能促使吸附能力的增强。

第十一章§2 煤成气及煤层气 通常，煤的瓦斯吸附能力可作为煤化程度和埋藏深度的函数。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 ③煤的煤岩显微组分的不同，也影响煤的甲烷吸附能力。 ④煤层顶、底板岩石的透气性和厚度也是影响煤层气含量的因素之一，它对煤层瓦斯的保存和逸散起着重要作用。 ⑤地质构造因素的重要作用。当煤层围岩透气性小时，表现得尤为明显。煤盆地所处的大地构造位置及其构造演化对煤层气的形成和保存起了主导作用。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 ⑥煤层的赋存埋藏深度与瓦斯含量关系也较为密切。在露头附近，煤层发生风化，其分带自浅而深：第一带:为二氧化碳—氮气带，氮气占80％～90％，二氧化碳占10％～20％，没有甲烷。第二带:为甲烷—氮气带，甲烷含量少于50％，氮气大于50％。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 第三带:为氮气—甲烷带，甲烷含量为50％～70％，氮气含量相应占50％～30％。第四带:为甲烷带，甲烷含量大于70％，其余则为氮和其它气体。 ⑦地下水活动强弱往往也使瓦斯含量降低或增高。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 (四)煤层气资源的勘探开发 1.勘探开发研究阶段（1）煤矿瓦斯井下抽放与油效阶段这一阶段从20世纪50年代开始，到70年代末，主要目的是为减少煤矿瓦斯灾害而进行的煤矿井下瓦斯抽放与利用。煤矿瓦斯抽放是减少矿井和采区瓦斯涌出量的有效方法，也是防止煤与瓦斯突出的主要措施之一。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 （2）煤层气勘探开发试验初期阶段这一阶段从20世纪70年代末，到90年代初。仍以煤矿安全为主要目的，部分矿井同时进行煤层气开采试验，先后在抚顺龙凤矿、阳泉矿区、焦作中马村矿、湖南里王庙矿等打过地面钻孔40余个，并且进行了水力压裂试验和研究。这一阶段主要是借用美国的技术和经验，但对于地质条件复杂的中国含煤区不甚适用，因此未获得突破性进展。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 （3）煤层气勘探开采试验全面展开阶段从20世纪90年代初开始至今，从优质能源的利用出发，开展了煤层气的勘探试验，取得了实质性的突破与进展。石油、煤炭、地矿系统和部分地方政府积极参与这项工作，许多国外公司也积极投资在中国进行煤层气勘探试验。1990年以来，全国已有30多个含煤区进行了煤层气勘探钻井，已钻成勘探和生产试验井119口。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 2．煤层气开发方式及技术当前技术比较成熟的煤层气开发方式有3种，即地面垂直井、地面采动区井和井下水平孔（即煤矿井下瓦斯抽放）。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 （1）地面垂直井开采地面垂直井，是在地面打钻井进入尚未进行开采活动的煤层，通过排水降压使煤层中的吸附气解吸出来，由井筒流到地面。这种开采方式气产量大、资源回收率高、机动性强，可形成规模效益。它要求有厚度较大的煤层或煤层群，煤储层的渗透性要较好，以及较有利的地形条件等。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 （2）井下瓦斯抽放瓦斯抽放，是从煤矿井下采掘巷道中打钻孔，在地面通过瓦斯泵造成负压来抽取煤层中的气体。这种方式在煤炭系统称为矿井瓦斯抽放。矿井瓦斯抽放产量小，资源回收利用率低，井下作业难度较大，并受制于煤矿采掘生产的进程。其适用条件比较广泛。它多以矿井安全生产为目的，并兼及煤层气资源的回收利用。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 （3）地面采动区井地面采动区井（英文称Gob Well），是从地面打钻孔进入煤矿采动区上方或废弃矿井，利用自然压差或瓦斯泵抽取聚集和残留在受采动影响区的岩石、未开采煤层之中以及采空区内的煤层气。地面采动区井初期产量较大，但单井服务年限较短，一般为1～2年。采动区井严格受采煤活动的控制，并要求在主采煤层之上赋存多个煤层，以保证有足够的气源。

第十一章 §2 煤成气及煤层气 3.中国煤层气开发前景展望及可持续发展（1）我国有丰富的煤层气资源我国煤层气资源量位居世界第二位。（2）国家能源战略和煤矿安全的需要（3）各方面十分重视煤层气的开发利用（4）煤层气勘探已初见成效（5）外部环境不断改善

第十一章煤的共、伴生矿产 §3 伴生微量元素

第十一章§3伴生微量元素 一、概述煤主要是由植物残骸形成的固体可燃矿产，其组成中既有有机质，也有无机质，几乎包含了地壳内常见矿物的各种元素，目前已发现的与煤伴生的元素已有60多种。这些伴生的元素虽含量不高，但大部分的平均含量都超过了地壳中该元素的平均含量（克拉克值）。

第十一章 §3 伴生微量元素 1.煤中微量元素的聚集（来源）煤中微量元素的聚集决定于成煤原始物质的元素组成、煤的形成环境特征，以及成煤期和成煤期后所经历的各种物理化学作用及地球化学作用。依据煤中伴生微量元素与成煤作用的关系，其来源是： ①在造煤植物生存状态时具有的，以后又带入煤中；

第十一章 §3 伴生微量元素 ②在成煤植物死后堆积于泥炭沼泽中，由于外部营力（如风，水，大气降水等）的作用带进了矿物杂质； ③在成煤物质形成泥炭并被埋藏后，在煤化作用的过程中因地壳中的循环由水从上覆地层中淋溶渗滤沿孔隙及构造裂隙带入到煤中； ④在成煤之后，由于后期火成岩侵入接触、挥发气体、热液活动带入到煤中的。

第十一章 §3 伴生微量元素 2.有机质对煤中伴生微量元素的富集的作用 ①吸附作用：植物残骸在沼泽内的腐解过程对元素的迁移和富集具有更为突出的作用。煤中微量元素的富集基本是化学和物理的吸附作用，即成煤物质分解所形成的腐植酸和腐植质具有很高的吸附能力，这在成煤的初期阶段对微量元素的富集是有利的原因。

第十一章 §3 伴生微量元素 ②配合作用：可以改变一些微量元素的迁移和富集能力，即在泥炭沼泽中由于含氨基、羟基、羧基等功能团和腐植质等有机物质，它们都可作为配位体与金属离子相配合。有的元素形成的金属有机配合物难溶于水，从而因其迁移的能力降低而富集，有的则易溶于水而大大增加了该元素的迁移能力。

第十一章 §3 伴生微量元素 ③成煤环境的影响：煤中的微量元素含量多少，明显地依赖于成煤环境，尤其是环境的pH和Eh值的变化，这种变化不仅影响到煤岩组分的差异、沼泽环境的不同，也影响到微量元素的聚集和分散。

第十一章 §3 伴生微量元素 ④变质作用：煤中微量元素的富集也受到接触变质作用及区域变质作用的影响。接触变质作用往往是由较年青的火成岩侵入而造成，大多伴有矿化作用，由于侵入体具有挥发性气体及热液等作用，从而使一些微量元素富集。区域变质作用明显地影响到许多元素，如硼、锗等的富集，且随着变质程度的增高使微量元素含量减少。

第十一章 §3 伴生微量元素 ⑤所在层位：许多微量元素的富集常常与煤层的地层层位有关，在煤层内又往往富集于煤层的近顶、底板和近夹矸的分层中。 ⑥无机矿物的影响和作用：一些微量元素是随着某种成因类型的矿物质（即微量元素载体）进入煤层或泥炭层后与有机质相结合，因此这种矿物质愈多，煤中微量元素聚集得愈多。

第十一章 §3 伴生微量元素 ⑦煤层形成的古地理条件也影响微量元素的富集：如靠近含煤盆地的边缘或近物源区的煤中，微量元素有富集的趋势；有些微量元素在陆相煤盆地内含量高，近海煤盆地内则含量低，如煤中的锗等。此外，有些煤中的微量元素富集与同期或准同期岩浆活动和火山活动有关。

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