第3卷第4期 中国煤层气 Vo. 3 No 4 CHINA COALBED METHANE Nov.2006 中国重点矿区煤层气资源潜力 及若干评价理论问题 秦勇桑树勋傅雪海朱炎铭韦重韬杨永国吴财芳 (中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州221008) 摘要:在新一轮全国油气资源评价中,通过对22个重点矿区的评价研究,建立了适合于煤矿 区特点的煤层气资源及其潜力的评价方法体系,基本査明了相关矿区及其生产矿井煤层气资源的 分布特点,分析了煤层气开发利用现状与前,初步提岀了关于煤矿区煤层气开发模式选择和对 策方面的建议。本文介绍了其中关于矿区煤层气资源、开发潜力、开发建议的研究成果,进而就 评价实践中涉及的若干关键瓔论问题进行了研讨 关键词:煤层气资源开发模式评价理论 Potentials of CBM Resources in Key Coal Mining Areas in China and Some Theoretical problems in Resources evaluation Sang Shuxun, Fu Xuehai, Zhu Yanming, Wei Chongtao, Yang Yongguo and Wu Caifang Resources and Earth Science College of China University of Mining Techology, Jiangsu 221008) Abstract: A methodology system suitable for evaluation of the characteristics of CBM resources and their por tentials in coal mine areas was established based on investigation of 22 key mine areas in a new round of nar tional oil and gas evaluation the distribution characteristics of (Bm resources of the relevant mine areas and basically make clear. The present status and prospect for development and util ization of CBM were studied. Recommendations on selection of aBM development odes for different mine areas were prelim manily proposed. The paper described some research results in CBM resources in related mine areas, potential levelopment and recommendations on development. Based on it, some key theoretical poblems met in the practice of eval uation were al so discussed Key words CBM resources; ode of development, theory for assessment 1评价范围与资源系列 重点矿区作为评价研究重点。 1.1评价范围 煤矿瓦斯是煤矿安全生产的首要隐患,也是我 所评价的重点矿区分布于我国7个主要高瓦斯 国目前最为现实的煤层气资源。基于国内煤层气工带 业界和采矿工业界的这一共识,新一轮油气资源评 (1)东部区:三江-穆棱高瓦斯带,重点评价 价项目中根据煤矿瓦斯区域涌出规律,选择22个鸡西和鹤岗2个矿区;两淮-豫东-豫西高瓦斯 作者简介秦勇,男,中国矿业大学教授,从事煤层气理论研究多年 91994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 3 卷 第 4 期 中国煤层气 Vo113 No14 2006 年 11 月 CHINA COALBED METHANE Nov. 2006 中国重点矿区煤层气资源潜力 及若干评价理论问题 秦 勇 桑树勋 傅雪海 朱炎铭 韦重韬 杨永国 吴财芳 (中国矿业大学资源与地球科学学院 , 江苏徐州 221008) 摘 要 : 在新一轮全国油气资源评价中 , 通过对 22 个重点矿区的评价研究 , 建立了适合于煤矿 区特点的煤层气资源及其潜力的评价方法体系 , 基本查明了相关矿区及其生产矿井煤层气资源的 分布特点 , 分析了煤层气开发利用现状与前景 , 初步提出了关于煤矿区煤层气开发模式选择和对 策方面的建议。本文介绍了其中关于矿区煤层气资源、开发潜力、开发建议的研究成果 , 进而就 评价实践中涉及的若干关键理论问题进行了研讨。 关键词 : 煤层气资源 开发模式 评价理论 Potentials of CBM Resources in Key Coal Mining Areas in China and Some Theoretical Problems in Resources Evaluation Qin Yong , Sang Shuxun , Fu Xuehai , Zhu Yanming , Wei Chongtao , Yang Yongguo and Wu Caifang (Resources and Earth Science College of China University of Mining & Technology , Jiangsu 221008) Abstract : A methodology system suitable for evaluation of the characteristics of CBM resources and their po2 tentials in coal mine areas was established based on investigation of 22 key mine areas in a new round of na2 tional oil and gas evaluation. The distribution characteristics of CBM resources of the relevant mine areas and active mines were basically make clear. The present status and prospect for development and utilization of CBM were studied. Recommendations on selection of CBM development modes for different mine areas were prelimi2 narily proposed. The paper described some research results in CBM resources in related mine areas , potentials for development and recommendations on development. Based on it , some key theoretical problems met in the practice of evaluation were also discussed. Keywords : CBM resources ; mode of development ; theory for assessment 1 评价范围与资源系列 煤矿瓦斯是煤矿安全生产的首要隐患 , 也是我 国目前最为现实的煤层气资源。基于国内煤层气工 业界和采矿工业界的这一共识 , 新一轮油气资源评 价项目中根据煤矿瓦斯区域涌出规律 , 选择 22 个 重点矿区作为评价研究重点。 111 评价范围 所评价的重点矿区分布于我国 7 个主要高瓦斯 带 : (1) 东部区 : 三江 - 穆棱高瓦斯带 , 重点评价 鸡西和鹤岗2个矿区 ;两淮 - 豫东 - 豫西高瓦斯 作者简介 秦勇 , 男 , 中国矿业大学教授 , 从事煤层气理论研究多年
中国煤层气 第4期 带,重点评价淮南、淮北、永城、平顶山4个矿矿区 区;太行山东麓高瓦斯带,重点评价邢台、峰峰、 (3)煤层气消耗资源量合计505.80×10°m3 安阳、鹤壁、焦作5个矿区 其中超过50×10m3的有淮南、阳泉2个矿区,20 (2)中部区:阳泉-晋城高瓦斯带,重点评价×103~50×10m3的有淮北、平顶山、峰峰、焦 阳泉和晋城2个矿区;鄂尔多斯东缘高瓦斯带,重作、汝箕沟、盘江、水城7个矿区。煤层气风排消 点评价柳林、韩城、澄合3个矿区;鄂尔多斯西缘耗资源量合计430.12×10m3,占消耗资源总量的 高瓦斯带,重点评价石炭井、汝箕沟、二道岭、石85.04%,其中超过50×103m3的有阳泉、淮南2个 嘴山4个矿区 矿区,介于10×103~50×10m3之间的有15个矿 (3)南方区:黔西高瓦斯带,重点评价水城、区。煤层气抽放消耗资源量合计75.69×10°m3,占 本次评价的区域范围为生产矿井和在建矿井,10m,淮北、淮南、盘江3个矿区介于5柳( 盘江2个矿区。 消耗资源总量的14.%6%,阳泉矿区超过10× 时间范围为截止2004年底之前的煤矿区煤层气资10×10°m3之间 源量,评价对象为全部可采煤层和大部分不可采 (4)煤层气可采资源量合计1335.44×10m3 煤层 占地质资源量的32.76%,超过100×10°m3的仅有 1.2矿区煤层气资源系列 柳林、淮南2个矿区,介于50×103~100×103m3 按照《新一轮全囯油气资源评价》总项目的规之间的有平顶山、峰峰、阳泉、韩城、盘江、水城 定,煤层气资源评的基本资源系列包括地质资源个矿区。剩余可采资源量合计125976×10m 量和可采资源量。除此之外,本项目根据煤矿区煤占地质资源量的30.91%及可采资源量的94.13%, 层气资源的特点,提出了由消耗资源量(风排消耗其中超过100×10m3的仅有柳林、淮南2个矿区 资源量、抽放消耗资源量)、剩余资源量(剩余可在50×108~100×10°m3之间的有平顶山、峰峰 采资源量、剩余难采资源量、残留区资源量)、可水城3个矿区。 采资源量(抽放消耗资源量+剩余可采资源量)所 (5)煤层气资源量的矿区差异显著。煤层气资 构成的煤矿区煤层气资源序列划分方案,建立了包源量主要集中在东部区的两淮高瓦斯带(淮南矿 括本煤层采动影响区、邻近层采动影响区、残留区区、淮北矿区),中部区的晋城-阳泉高瓦斯带 等采动区动态含气量估算的定量方法,并以此为核(晋城矿区、阳泉矿区)、渭北河东高瓦斯带(韩城 心建立了煤矿区煤层气资源评价方法体系 矿区、柳林矿区)和南方区的黔西高瓦斯带(盘江 2重点矿区煤层气资源及其分布 矿区、水城矿区)。这4个高瓦斯带8个矿区的煤 层气地质资源量2475.30×10m3,占22个矿区地 评价结果显示,22个重点矿区的煤层气资源质资源量的60.73%;消耗资源量为269.83 及其分布具有如下特点 105m3,占消耗资源总量的53.35%;可采资源量为 (1)煤层气地质资源量合计4076.12×10°m3,1047.30×10m3,占可采资源总量的7842%。 但资源量规模差异极大,超过500×10°m3只有柳 (6)从大区的分布来看:东部评价矿区煤层气 林、淮南2个矿区,在100×103~500×105m3之间资源量占绝对优势,地质资源总量占48.66%,消 的有淮北、平顶山、永城、峰峰、晋城、阳泉、韩耗资源量占51.80%,可采资源量占36.49%;其 城、二道岭、盘江、水城10个矿区 次为中部区,地质资源量占43.86%,消耗资源量 (2)煤层气剩余资源量合计3570.32×10m3,占39.52%,可采资源量占54.50%;南方区煤层 剩余率为8759%,其中大于500×105m3的有柳气资源量所占比例较小,地质资源量占748% 林、淮南2个矿区,100×103~500×10°m3的有淮消耗资源量占8.68%,可采资源量占9.01% 北、平顶山、峰峰、二道岭、阳泉、晋城、盘江 水城8个矿区。残留区煤层气资源量合计136.56 3重点矿区煤层气资源潜力及开发模式 10°m3,占剩余资源量的3.83%,其中超过10×3.1煤层气资源潜力 10°m3的有淮南、永城、峰峰、阳泉、二道岭5个 采用总项目中《全国煤层气资源评价》一级项 201994-2007ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
带 , 重点评价淮南、淮北、永城、平顶山 4 个矿 区 ; 太行山东麓高瓦斯带 , 重点评价邢台、峰峰、 安阳、鹤壁、焦作 5 个矿区。 (2) 中部区 : 阳泉 - 晋城高瓦斯带 , 重点评价 阳泉和晋城 2 个矿区 ; 鄂尔多斯东缘高瓦斯带 , 重 点评价柳林、韩城、澄合 3 个矿区 ; 鄂尔多斯西缘 高瓦斯带 , 重点评价石炭井、汝箕沟、二道岭、石 嘴山 4 个矿区。 (3) 南方区 : 黔西高瓦斯带 , 重点评价水城、 盘江 2 个矿区。 本次评价的区域范围为生产矿井和在建矿井 , 时间范围为截止 2004 年底之前的煤矿区煤层气资 源量 , 评价对象为全部可采煤层和大部分不可采 煤层。 112 矿区煤层气资源系列 按照《新一轮全国油气资源评价》总项目的规 定 , 煤层气资源评价的基本资源系列包括地质资源 量和可采资源量。除此之外 , 本项目根据煤矿区煤 层气资源的特点 , 提出了由消耗资源量 (风排消耗 资源量、抽放消耗资源量) 、剩余资源量 (剩余可 采资源量、剩余难采资源量、残留区资源量) 、可 采资源量 (抽放消耗资源量 + 剩余可采资源量) 所 构成的煤矿区煤层气资源序列划分方案 , 建立了包 括本煤层采动影响区、邻近层采动影响区、残留区 等采动区动态含气量估算的定量方法 , 并以此为核 心建立了煤矿区煤层气资源评价方法体系。 2 重点矿区煤层气资源及其分布 评价结果显示 , 22 个重点矿区的煤层气资源 及其分布具有如下特点 : (1) 煤层气地质资源量合计 4076112 ×108 m 3 , 但资源量规模差异极大 , 超过 500 ×108 m 3 只有柳 林、淮南 2 个矿区 , 在 100 ×108～500 ×108 m 3 之间 的有淮北、平顶山、永城、峰峰、晋城、阳泉、韩 城、二道岭、盘江、水城 10 个矿区。 (2) 煤层气剩余资源量合计 3570132 ×108 m 3 , 剩余率为 87159 % , 其中大于 500 ×108 m 3 的有柳 林、淮南 2 个矿区 , 100 ×108～500 ×108 m 3 的有淮 北、平顶山、峰峰、二道岭、阳泉、晋城、盘江、 水城 8 个矿区。残留区煤层气资源量合计 136156 × 108 m 3 , 占剩余资源量的 3183 % , 其中超过 10 × 108 m 3 的有淮南、永城、峰峰、阳泉、二道岭 5 个 矿区。 (3) 煤层气消耗资源量合计 505180 ×108 m 3 , 其中超过 50 ×108 m 3 的有淮南、阳泉 2 个矿区 , 20 ×108～50 ×108 m 3 的有淮北、平顶山、峰峰、焦 作、汝箕沟、盘江、水城 7 个矿区。煤层气风排消 耗资源量合计 430112 ×108 m 3 , 占消耗资源总量的 85104 % , 其中超过 50 ×108 m 3 的有阳泉、淮南 2 个 矿区 , 介于 10 ×108～50 ×108 m 3 之间的有 15 个矿 区。煤层气抽放消耗资源量合计 75169 ×108 m 3 , 占 消耗资源总量的 14196 % , 阳泉矿区超过 10 × 108 m 3 , 淮北、淮南、盘江 3 个矿区介于 5 ×108～ 10 ×108 m 3 之间。 (4) 煤层气可采资源量合计 1335144 ×108 m 3 , 占地质资源量的 32176 % , 超过 100 ×108 m 3 的仅有 柳林、淮南 2 个矿区 , 介于 50 ×108～100 ×108 m 3 之间的有平顶山、峰峰、阳泉、韩城、盘江、水城 5 个矿区。剩余可采资源量合计 1259176 ×108 m 3 , 占地质资源量的 30191 %及可采资源量的 94113 % , 其中超过 100 ×108 m 3 的仅有柳林、淮南 2 个矿区 , 在 50 ×108～100 ×108 m 3 之间的有平顶山、峰峰、 水城 3 个矿区。 (5) 煤层气资源量的矿区差异显著。煤层气资 源量主要集中在东部区的两淮高瓦斯带 (淮南矿 区、淮北矿区) , 中部区的晋城 - 阳泉高瓦斯带 (晋城矿区、阳泉矿区) 、渭北河东高瓦斯带 (韩城 矿区、柳林矿区) 和南方区的黔西高瓦斯带 (盘江 矿区、水城矿区) 。这 4 个高瓦斯带 8 个矿区的煤 层气地质资源量 2475130 ×108 m 3 , 占 22 个矿区地 质资 源 量 的 60173 % ; 消 耗 资 源 量 为 269183 × 108 m 3 , 占消耗资源总量的 53135 % ; 可采资源量为 1047130 ×108 m 3 , 占可采资源总量的 78142 %。 (6) 从大区的分布来看 : 东部评价矿区煤层气 资源量占绝对优势 , 地质资源总量占 48166 % , 消 耗资源量占 51180 % , 可采资源量占 36149 % ; 其 次为中部区 , 地质资源量占 43186 % , 消耗资源量 占 39152 % , 可采资源量占 54150 % ; 南方区煤层 气资源量所占比例较小 , 地质资源量占 7148 % , 消耗资源量占 8168 % , 可采资源量占 9101 %。 3 重点矿区煤层气资源潜力及开发模式 311 煤层气资源潜力 采用总项目中《全国煤层气资源评价》一级项 81 中 国 煤 层 气 第 4 期
第4期 中国重点矿区煤层气资源潜力及若干评价理论问题 目的统一方法,对22个重点矿区及其矿井的煤层 气资源开发潜力进行了评价,并取得如下主要 若干评价理论问题的探讨 认识 4.1煤层气原位资源量与超量矿井瓦斯来源 (1)在22个矿区所涉及的146对矿井中,I类 大量实例揭示,采用现行测试方法所得含气量 资源矿井80对,Ⅱ类资源矿井52对,Ⅲ类资源矿预测的煤层气资源量,往往低于开采后从矿井所实 井14对 际认识的资源量。在矿区煤层气评价中如何处理这 (2)在22个重点矿区中,包括以下三类资源部分“多余”矿井瓦斯量?超量的矿井瓦斯来自哪 矿区 里?前人对此进行过程度不等的研究探讨,给出了 I类资源矿区14个,占评价矿区数的6364%;四种至今争议纷纭的可能答案 Ⅱ类资源矿区6个,占评价矿井数的27.27% 第一,超量的矿井瓦斯来自受采动影响的煤层 Ⅲ类资源矿区2个,占评价矿井数的9.09%。围岩游离气。对于煤层埋藏深度较大的矿井,这种 南方区的2个评价矿区全部为Ⅰ类资源矿区,可能性无法否认。但是,在煤矿目前开采水平条件 中部区的9个矿区中有7个矿区为Ⅰ类资源矿区,下,煤层围岩中释放的游离气能否达到煤层气的1 东部区的11个矿区中有5个矿区为1类资源倍甚至数倍?仅用围岩气或采动影响区气能否全 矿区 面解释超量矿井瓦斯的来源?答案应该是否定的 (3)I类资源矿区主要分布于黔西高瓦斯带、因为采动影响区最多为巷道宽度的5倍,巷道周围 鄂尔多斯西缘高瓦斯带、晋城阳泉高瓦斯带,Ⅱ类裂隙和卸压区最终约为巷道宽度的3~4倍,且某 资源矿区主要分布于两淮-豫东-豫西高瓦斯带和些情况下煤层埋藏极浅(如晋城寺河井田),因此 鄂尔多斯东缘高瓦斯带,Ⅲ类资源矿区主要分布更无法解释这种超量瓦斯的来源。 在三江-穆棱高瓦斯带。 第二,我们目前对气体在煤层中的赋存状态并 3.2矿区煤层气开发基本模式 未真正了解,某些没有认识到的重要赋存状态可能 根据煤层气资源及其潜力的评价结果,总结了导致煤层气资源评价的不准确性。例如,煤中气体 矿区煤层气开发的基本模式,分析了不同模式和方除了目前已经认识的赋存形式之外,是否还可能以 法技术的适用性,提出了22个矿区煤层气开发模其他形式存在?煤层气赋存的空间-孔隙的真实结 式选择的建议。 构是否已经阐明?美国某些学者认为,由于QO2在 (1)对于煤层气剩余地质资源量和可采资源量0~25℃条件下的活化扩散效应迄今未能查明,因 较大且煤层结构较为完整的矿区,重点实施“地面此导致煤的真实孔隙结构难以阐明,也正是由于 开采+井下抽放”的开采模式,如柳林、阳泉等CO2和CH4在室温下活化扩散作用的客观存在,使 矿区 得目前对煤层含气量的测定成果无法可靠或可 (2)对于煤层气剩余地质资源量和可采资源量信2。东欧某些专家提出,煤中气体除了以游离 较大,但煤层结构破坏较为严重的煤矿区,重点实吸附、水溶等形式存在外,还可能以固溶态形式与 施“井下抽放+地面开采”的煤层气开采模式,如煤分子结合,而固溶态甲烷以晶体形式存在于煤基 淮南、平顶山、韩城、盘江、水城等矿区 质中,采用一般方法几乎不可能对其探测,可能导 (3)对于煤层气剩余地质资源量较大,但可采致目前煤层气资源评价的不准确性3。国内最近有 资源量相对较小的矿区,主要采用“井下抽放”的学者提出山,煤中相当一部分CH4的赋存形式是 煤层气开采模式,如永城、焦作、峰峰、鹤岗等否可能类似于天然气水合物中的CH4?这些都将影 矿区 响煤层气资源评价的准确性 (4)对于煤矿残留区煤层气资源相对较大的矿 第三,传统吸附模型不能全面真实地反映地层 区,应该注重应用“采空区抽放”的煤层气开发模条件下煤层气的赋存状态,可能导致目前煤层气资 式,如淮南、永城、焦作、安阳、鹤壁、鹤岗、峰源评价的不可靠性。近年来的硏究发现,随着吸附 峰、阳泉、二道岭、汝箕沟、淮北、平顶山、水城温度和压力增高,煤对CH、Oz等气体的吸附等 等矿区。 温线并非像传统吸附模型所描述的那样呈单调增大 201994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
目的统一方法 , 对 22 个重点矿区及其矿井的煤层 气资源开发潜力进行了评价 , 并取得如下主要 认识 : (1) 在 22 个矿区所涉及的 146 对矿井中 , I 类 资源矿井 80 对 , II 类资源矿井 52 对 , III 类资源矿 井 14 对。 (2) 在 22 个重点矿区中 , 包括以下三类资源 矿区 : I 类资源矿区 14 个 , 占评价矿区数的 63164 % ; II 类资源矿区 6 个 , 占评价矿井数的 27127 % ; III 类资源矿区 2 个 , 占评价矿井数的 9109 %。 南方区的 2 个评价矿区全部为 I 类资源矿区 , 中部区的 9 个矿区中有 7 个矿区为 I 类资源矿区 , 东部区的 11 个矿区中有 5 个矿区为 I 类资源 矿区。 (3) I 类资源矿区主要分布于黔西高瓦斯带、 鄂尔多斯西缘高瓦斯带、晋城阳泉高瓦斯带 , II 类 资源矿区主要分布于两淮 - 豫东 - 豫西高瓦斯带和 鄂尔多斯东缘高瓦斯带 , III 类资源矿区主要分布 在三江 - 穆棱高瓦斯带。 312 矿区煤层气开发基本模式 根据煤层气资源及其潜力的评价结果 , 总结了 矿区煤层气开发的基本模式 , 分析了不同模式和方 法技术的适用性 , 提出了 22 个矿区煤层气开发模 式选择的建议。 (1) 对于煤层气剩余地质资源量和可采资源量 较大且煤层结构较为完整的矿区 , 重点实施“地面 开采 + 井下抽放”的开采模式 , 如柳林、阳泉等 矿区。 (2) 对于煤层气剩余地质资源量和可采资源量 较大 , 但煤层结构破坏较为严重的煤矿区 , 重点实 施“井下抽放 + 地面开采”的煤层气开采模式 , 如 淮南、平顶山、韩城、盘江、水城等矿区。 (3) 对于煤层气剩余地质资源量较大 , 但可采 资源量相对较小的矿区 , 主要采用“井下抽放”的 煤层气开采模式 , 如永城、焦作、峰峰、鹤岗等 矿区。 (4) 对于煤矿残留区煤层气资源相对较大的矿 区 , 应该注重应用“采空区抽放”的煤层气开发模 式 , 如淮南、永城、焦作、安阳、鹤壁、鹤岗、峰 峰、阳泉、二道岭、汝箕沟、淮北、平顶山、水城 等矿区。 4 若干评价理论问题的探讨 411 煤层气原位资源量与超量矿井瓦斯来源 大量实例揭示 , 采用现行测试方法所得含气量 预测的煤层气资源量 , 往往低于开采后从矿井所实 际认识的资源量。在矿区煤层气评价中如何处理这 部分“多余”矿井瓦斯量 ? 超量的矿井瓦斯来自哪 里 ? 前人对此进行过程度不等的研究探讨 , 给出了 四种至今争议纷纭的可能答案。 第一 , 超量的矿井瓦斯来自受采动影响的煤层 围岩游离气。对于煤层埋藏深度较大的矿井 , 这种 可能性无法否认。但是 , 在煤矿目前开采水平条件 下 , 煤层围岩中释放的游离气能否达到煤层气的 1 倍甚至数倍[1 ] ? 仅用围岩气或采动影响区气能否全 面解释超量矿井瓦斯的来源 ? 答案应该是否定的 , 因为采动影响区最多为巷道宽度的 5 倍 , 巷道周围 裂隙和卸压区最终约为巷道宽度的 3～4 倍 , 且某 些情况下煤层埋藏极浅 (如晋城寺河井田) , 因此 更无法解释这种超量瓦斯的来源。 第二 , 我们目前对气体在煤层中的赋存状态并 未真正了解 , 某些没有认识到的重要赋存状态可能 导致煤层气资源评价的不准确性。例如 , 煤中气体 除了目前已经认识的赋存形式之外 , 是否还可能以 其他形式存在 ? 煤层气赋存的空间 - 孔隙的真实结 构是否已经阐明 ? 美国某些学者认为 , 由于 CO2 在 0～25 ℃条件下的活化扩散效应迄今未能查明 , 因 此导致煤的真实孔隙结构难以阐明 , 也正是由于 CO2 和 CH4 在室温下活化扩散作用的客观存在 , 使 得目前对煤层含气量的测定成果无法可靠或可 信[2 ] 。东欧某些专家提出 , 煤中气体除了以游离、 吸附、水溶等形式存在外 , 还可能以固溶态形式与 煤分子结合 , 而固溶态甲烷以晶体形式存在于煤基 质中 , 采用一般方法几乎不可能对其探测 , 可能导 致目前煤层气资源评价的不准确性[3 ] 。国内最近有 学者提出[1 ] , 煤中相当一部分 CH4 的赋存形式是 否可能类似于天然气水合物中的 CH4 ? 这些都将影 响煤层气资源评价的准确性。 第三 , 传统吸附模型不能全面真实地反映地层 条件下煤层气的赋存状态 , 可能导致目前煤层气资 源评价的不可靠性。近年来的研究发现 , 随着吸附 温度和压力增高 , 煤对 CH4、CO2 等气体的吸附等 温线并非像传统吸附模型所描述的那样呈单调增大 第 4 期 中国重点矿区煤层气资源潜力及若干评价理论问题 91
中国煤层气 第4期 函数增长,而是常常表现为“单峰”甚至“双峰”-2002中“控制的地质储量”。但是,在Dzm0216 分布形式,这是气体超临界吸附的典型表现H5。-2002中,探明的或控制的地质资源量/储量要求 其实,根据CH的临界温度和临界压力特征,这至少已施工地面开发试验井并取得排采资料。由此 种现象是客观存在的反映。由此,导致煤层气资源来看,多数矿井的煤层气资源又尚未达到“已探 评价面临着一系列的理论困惑和技术难题。例如:明”的程度 煤对气体的超临界吸附具有哪些基本规律,受控于 2)矿区煤层气消耗资源量能否等于探明可采 哪些内在和外在条件?煤吸附特性应该如何去客观储量中消耗的部分 认识,受控于何种地球化学和物理化学机理,对现 在Dz⑩0216-2002中,煤层气消耗资源量/储 行煤层含气性、煤层气资源等评价方法会产生多大量是探明可采储量中被消耗的部分。通常认为,煤 的影响?目前的煤层气资源评价结果是否可靠或可层气可采资源量是是在特定时间估算的已探明(包 信 括部分已经采出)和尚未探明、但在未来可预见的 第四,相当一部分超量矿井瓦斯可能来自煤层经济技术条件下可以采出的煤层气资源量,包括煤 围岩中页岩或泥岩内赋存的吸附气。根据资料,美层气中从地面或矿井下可抽采的部分。但是,生产 国阿巴拉契亚盆地埋深610m~1524m之间石炭系矿井煤层气消耗资源量中相当部分来自煤炭开采的 页岩中约50%的天然气呈吸附态赋有,密执安亚井巷风排瓦斯,主要是煤层气资源中采用地面井和 盆地埋深183m~7304m和伊利诺盆地埋深183m~井下抽放方式难以开发的部分。进一步来说,煤炭 14%4m的泥盆系页岩中的气体分别有70%和40%生产矿区以外的煤层气消耗资源量全部是可采资源 ~60%呈吸附态,圣胡安盆地埋深φ4m~1829m之量,而生产矿区煤层气消耗资源量从经济技术条件 间上白垩统页岩中有60%~85%为吸附气6。由意义上并非全部“可采”。由此,向矿区煤层气资 此而言,部分超量矿井瓦斯来自煤层围岩中页岩吸源评价提出了一个重要问题,既然矿区煤层气消耗 附气的推测,具有一定道理。问题在于:对于特定资源量并非完全等于常规意义上的煤层气可采资源 矿井特定煤层来说,如何评估矿井瓦斯中可能来自量,在资源序列中应该如何定义?在评价实践中应 页岩吸附气和游离气的数量?在煤矿采动影响范围该如何处理? 之外的页岩吸附气,有无可能解吸运移而转变为矿 井瓦斯?在矿井有限的采动影响范围内,页岩吸附 参考文献 气和游离气能否构成矿井瓦斯的重要来源? []秦勇.中国煤层气产业化面临的形势与挑战 4.2控制程度与资源序列 (I一关键科学技术问题.天然气工业,2006,26 矿区煤层气资源动态变化的特殊性以及由此而 (2):6·10 导致的类型复杂性,使得立足于煤层气地面勘探开21 Radovic L R, Memn vc, Leon y et al, On the porou 发的资源序列不完全适合于矿区煤层气资源评价的 structure of coals: Evidence for an interconnected but gorr 实际。 (1)实际控制程度与现行标准之间的矛盾如何(3 Alexeev A D, Ulyamva E V, Sarikov G P, Kovriga nn 解决? Latent methane in fossil coals. Fuel, 2004, 83(10) 生产矿井煤炭储量的控制程度一般达到了精査 1407-1411 或详査程度。同时,高瓦斯矿井在煤田勘探或矿井4] Fitzgerald e, Sudi bandriyo m, Pan z et al. modeling 补勘阶段都布置了较多的煤层瓦斯孔,煤炭开采 the adsorption of pure gases on coals with the SD odel 巷道掘进、井下瓦斯监测和抽放等取得了大量煤层 Carbon,2003,41(12):203-2216 瓦斯资料。基于这些资料,矿区煤层含气性、煤体5]秦勇.国外煤层气成因和储层物性研究进展与分析 结构与煤层透气性、瓦斯压力、吸附解吸特征等煤 地学前缘,2005,12(3):289·297 储层物性多已基本查明,煤层气资源量计算依据较 [6 Curtis J B. Fractured shale- gas systems. AAPG B 为充分。从这个意义上来说,多数矿井煤层气资源 2002,86(11):1921-1938 在控制程度上相当于我国地矿行业标准Dz0216 (责任编辑焦丽娜) 201994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
函数增长 , 而是常常表现为“单峰”甚至“双峰” 分布形式 , 这是气体超临界吸附的典型表现[4 ,5 ] 。 其实 , 根据 CH4 的临界温度和临界压力特征 , 这 种现象是客观存在的反映。由此 , 导致煤层气资源 评价面临着一系列的理论困惑和技术难题。例如 : 煤对气体的超临界吸附具有哪些基本规律 , 受控于 哪些内在和外在条件 ? 煤吸附特性应该如何去客观 认识 , 受控于何种地球化学和物理化学机理 , 对现 行煤层含气性、煤层气资源等评价方法会产生多大 的影响 ? 目前的煤层气资源评价结果是否可靠或可 信 ? 第四 , 相当一部分超量矿井瓦斯可能来自煤层 围岩中页岩或泥岩内赋存的吸附气。根据资料 , 美 国阿巴拉契亚盆地埋深 610m～1524m 之间石炭系 页岩中约 50 %的天然气呈吸附态赋存 , 密执安亚 盆地埋深 183m～7304m 和伊利诺盆地埋深 183m～ 1494m的泥盆系页岩中的气体分别有 70 %和 40 % ～60 %呈吸附态 , 圣胡安盆地埋深 914m～1829m 之 间上白垩统页岩中有 60 %～85 %为吸附气[6 ] 。由 此而言 , 部分超量矿井瓦斯来自煤层围岩中页岩吸 附气的推测 , 具有一定道理。问题在于 : 对于特定 矿井特定煤层来说 , 如何评估矿井瓦斯中可能来自 页岩吸附气和游离气的数量 ? 在煤矿采动影响范围 之外的页岩吸附气 , 有无可能解吸运移而转变为矿 井瓦斯 ? 在矿井有限的采动影响范围内 , 页岩吸附 气和游离气能否构成矿井瓦斯的重要来源 ? 412 控制程度与资源序列 矿区煤层气资源动态变化的特殊性以及由此而 导致的类型复杂性 , 使得立足于煤层气地面勘探开 发的资源序列不完全适合于矿区煤层气资源评价的 实际。 (1) 实际控制程度与现行标准之间的矛盾如何 解决 ? 生产矿井煤炭储量的控制程度一般达到了精查 或详查程度。同时 , 高瓦斯矿井在煤田勘探或矿井 补勘阶段都布置了较多的煤层瓦斯孔 , 煤炭开采、 巷道掘进、井下瓦斯监测和抽放等取得了大量煤层 瓦斯资料。基于这些资料 , 矿区煤层含气性、煤体 结构与煤层透气性、瓦斯压力、吸附解吸特征等煤 储层物性多已基本查明 , 煤层气资源量计算依据较 为充分。从这个意义上来说 , 多数矿井煤层气资源 在控制程度上相当于我国地矿行业标准 DZ/ T0216 - 2002 中“控制的地质储量”。但是 , 在 DZ/ T0216 - 2002 中 , 探明的或控制的地质资源量/ 储量要求 至少已施工地面开发试验井并取得排采资料。由此 来看 , 多数矿井的煤层气资源又尚未达到“已探 明”的程度。 (2) 矿区煤层气消耗资源量能否等于探明可采 储量中消耗的部分 ? 在 DZ/ T0216 - 2002 中 , 煤层气消耗资源量/ 储 量是探明可采储量中被消耗的部分。通常认为 , 煤 层气可采资源量是是在特定时间估算的已探明 (包 括部分已经采出) 和尚未探明、但在未来可预见的 经济技术条件下可以采出的煤层气资源量 , 包括煤 层气中从地面或矿井下可抽采的部分。但是 , 生产 矿井煤层气消耗资源量中相当部分来自煤炭开采的 井巷风排瓦斯 , 主要是煤层气资源中采用地面井和 井下抽放方式难以开发的部分。进一步来说 , 煤炭 生产矿区以外的煤层气消耗资源量全部是可采资源 量 , 而生产矿区煤层气消耗资源量从经济技术条件 意义上并非全部“可采”。由此 , 向矿区煤层气资 源评价提出了一个重要问题 , 既然矿区煤层气消耗 资源量并非完全等于常规意义上的煤层气可采资源 量 , 在资源序列中应该如何定义 ? 在评价实践中应 该如何处理 ? 参 考 文 献 [1 ] 秦 勇. 中 国 煤 层 气 产 业 化 面 临 的 形 势 与 挑 战 ( Ⅱ) —关键科学技术问题. 天然气工业 , 2006 , 26 (2) : 6 - 10 [2 ] Radovic L R , Menon V C , Leon Y et al. On the porous structure of coals : Evidence for an interconnected but con2 stricted micropore system and implications for coalbed methane recovery. Adsorption , 1997 , 3 (3) : 221 - 232 [ 3 ] Alexeev A D , Ulyanova E V , Starikov G P , Kovriga N N. Latent methane in fossil coals. Fuel , 2004 , 83 ( 10) : 1407 - 1411 [4 ] Fitzgerald J E , Sudibandriyo M , Pan Z et al. Modeling the adsorption of pure gases on coals with the SLD model. Carbon , 2003 , 41 (12) : 2203 - 2216 [5 ] 秦勇. 国外煤层气成因和储层物性研究进展与分析. 地学前缘 , 2005 , 12 (3) : 289 - 297 [6 ] Curtis J B. Fractured shale - gas systems. AAPG Bull , 2002 , 86 (11) : 1921 - 1938 (责任编辑 焦丽娜) 02 中 国 煤 层 气 第 4 期