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_汪宏志.pdf
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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
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