袁龍武

摘要:煤層氣已成為一種新興的非常規(guī)天然氣資源。煤層氣是成煤物質(zhì)在煤化過程中生成并儲集于煤層中的氣體,本文主要論述了影響煤層氣藏形成和保存的諸多因素,對煤層氣的勘探開發(fā)和合理利用都具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:煤層氣 形成 保存

中圖分類號:TD1文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)03-0175-01

煤層氣俗稱“瓦斯”,其主要成份為高純度甲烷,是近二十年在世界上崛起的新型能源,其資源總量與常規(guī)天然氣相當。煤炭開采中排出的大量煤層氣作為一種新型能源,具有獨特的優(yōu)勢,是優(yōu)化一次能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分,是優(yōu)質(zhì)的能源和基礎(chǔ)化工原料。

1 煤層氣的成因類型與形成機理

植物體埋藏后,經(jīng)過微生物的生物化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為泥炭(泥炭化作用階段),泥炭又經(jīng)歷以物理化學(xué)作用為主的地質(zhì)作用,向褐煤、煙煤和無煙煤轉(zhuǎn)化(煤化作用階段)。在煤化作用過程中,成煤物質(zhì)發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化,揮發(fā)份含量和含水量減少,發(fā)熱量和固定碳的含量增加,同時也生成了以甲烷為主的氣體。煤體由褐煤轉(zhuǎn)化為煙煤的過程,每噸煤伴隨有280～350m3(甚至更多)的甲烷及100～150m3的二氧化碳析出。

泥炭在煤化作用過程中,通過兩個過程,即生物成因過程和熱成因過程而生成氣體。生成的氣體分別稱為生物成因氣和熱成因氣。

1.1生物成因氣

生物成因氣是指在相對低的溫度(一般小于50℃)條件下,通過細菌的參與或作用,在煤層中生成的以甲烷為主并含少量其它成分的氣體。生物成因氣的生成有兩種機制,即二氧化碳的還原作用和有機酸(一般為乙酸)的發(fā)酵作用。盡管兩種作用都在近地表環(huán)境中進行,但根據(jù)組分研究,大部分古代聚集的生物氣可能來自二氧化碳的還原作用。煤層中生成大量生物成因氣的有利條件是:大量有機質(zhì)的快速沉積、充裕的孔隙空間、低溫和高pH值的缺氧環(huán)境。按照生氣時間和母質(zhì)以及地質(zhì)條件的不同,生物成因氣有原生生物成因氣和次生生物成因氣兩種類型,兩者在成因上無本質(zhì)差別。

1.1.1原生生物成因氣

原生生物成因氣是在煤化作用階段早期,泥炭沼澤環(huán)境中的低變質(zhì)煤(泥炭到亞煙煤)經(jīng)細菌等有機質(zhì)分解等一系列復(fù)雜過程所生成的氣體。由于泥炭或低變質(zhì)煤中的孔隙很有限,加之埋藏淺、壓力低,對氣體的吸附作用也弱,故一般認為原生生物成因氣難以保存下來。

1.1.2 次生生物成因氣

煤系地層在后期被構(gòu)造作用抬升并剝蝕到近地表,細菌通過流動水(多為雨水)可運移到煤層含水層中。在相對低的溫度下(一般小于50 ℃),細菌通過降解和代謝作用將煤層中已生成的濕氣轉(zhuǎn)變成甲烷和二氧化碳,即形成次生生物成因氣。次生生物氣的形成時代一般較晚(幾萬至幾百萬年前)。煤層中存留的生物成因氣大部分屬于次生生物成因氣。

1.2 熱成因氣

當溫度超過50 ℃,煤化作用增強,煤中碳含量豐富起來,而大量富氫和富氧的揮發(fā)份釋放出來(去揮發(fā)份作用),其主要成分是甲烷、二氧化碳和水等。在較高溫度下,有機酸的脫羧基作用也可以生成甲烷和二氧化碳。熱成因氣體的生成一般分為早期階段和主要階段(也稱為晚期階段)。

1.2.1 早期階段

Scott認為煤化作用早期階段,從高揮發(fā)份煙煤(Ro介于0.5%～0.8%之間)中生成氣體。氣體的一般特征是含有較多的乙烷、丙烷及其它濕氣成分。其中濕氣生成階段(Ro值為0.6%～0.8%)產(chǎn)生的煤層氣中的干燥系數(shù)低于0.80,且乙烷含量可能超過11%。

1.2.2 主要階段

根據(jù)美國和德國各種煤層的資料,假定只有甲烷和二氧化碳從煤中釋放出來,則大量有工業(yè)價值的煤層氣在煤的Ro值介于0.7%～1.0%之間時生成。即煤級達到高揮發(fā)性A煙煤(Ro=0.74%～1.0%)時,有顯著數(shù)量的熱成因甲烷生成,在玆o值為1.2%前后處于生氣高峰期。

2煤層氣藏的保存條件

煤層氣的保存是多種因素共同作用的結(jié)果,在研究保存條件時,必須綜合考慮各種因素的影響,而在整個發(fā)展過程中不同的因素在不同的歷史階段起著不同的作用。

較強的吸附能力是煤層氣富集的前提。煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在于煤的基質(zhì)微孔中,吸附氣占總含氣量的90～95%以上,正是由于煤的這種吸附特性決定了煤的儲集能力。煤對氣體的吸附能力越高,吸附量越大,越有力于煤層氣的保存,易于形成高含氣量煤層氣藏。

煤層氣屬于自生自儲式,不需要初次運移,這就要求自生氣開始,就需要有良好的封蓋條件才能使煤層氣得以保存。蓋層的作用主要是阻止游離氣的散失,即使是在構(gòu)造運動過程中,亦可以使煤層處于過飽和狀態(tài)從而保存了游離態(tài)的煤層氣,同時阻止煤層氣受地層水交替作用的影響。

除了需要良好的蓋層之外,煤層氣藏的形成還需要有一個較穩(wěn)定的水動力條件。處于弱地層水交替區(qū)或地層水阻滯區(qū)中,煤層氣散失少,同時保持地層壓力,吸附比例大,有利于煤層氣的保存。

地殼的多次升降運動對煤層氣的保存不利,但良好的蓋層可減弱煤層氣的散失。強烈的斷裂活動不利于煤層氣的保存,中等程度的斷裂如使附近煤層產(chǎn)生裂隙而提高煤層滲透率,則有利于煤層氣的開發(fā)。

3 煤層氣資源的開發(fā)價值

煤層氣是一種潛力巨大的資源,可能成為未來重要的能源之一,研究煤層氣藏的形成和保存因素,對于評價煤層氣資源,指導(dǎo)煤層氣的勘探開發(fā)和合理利用都具有重要的意義。開發(fā)煤層氣是一項龐大的系統(tǒng)工程,建設(shè)一個煤層氣生產(chǎn)基地將帶動道路、管道、鋼鐵、水泥、化工、電力、生活服務(wù)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,增加就業(yè)機會,促進當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。特別是對于能源重化工基地,發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)對于保護資源、實現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)深加工及可持續(xù)發(fā)展、減少溫室氣體排放、改善大氣環(huán)境質(zhì)量,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加快煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展、培育新的經(jīng)濟增長點,都具有十分重要的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略意義。

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