第十一章煤的共伴生矿产.ppt

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,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。,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: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。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 1 油页岩,2 煤成气及煤层气,第十一章 煤的共、伴生矿产,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。,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14至1520，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。游离状态的煤层气，游离状态的煤层气一般约占1020。吸附状态的煤层气，这种赋存状态的煤层气往往占约8090。,第十一章 2 煤成气及煤层气,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,煤层是典型的裂隙孔隙型储层,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,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；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；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,Jntgen（1966）研究了这种差异，并得出自肥煤到无烟煤阶段（Cdaf=8595），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 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。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,煤的煤岩显微组分的不同，也影响煤的甲烷吸附能力。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。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,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8090，二氧化碳占1020，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5070，氮气含量相应占5030。第四带:为甲烷带，甲烷含量大于70，其余则为氮和其它气体。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12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 2 煤成气及煤层气,3 伴生微量元素,第十一章 煤的共、伴生矿产,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）。,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：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,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；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；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 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,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,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,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,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。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,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。,第十一章 3 伴生微量元素,二、煤中主要微量元素 1.铀 铀是现代原子能工业主要的原料，与煤伴生的铀矿是该种矿床的重要类型之一。煤中伴生铀的工业品位要求一般为0.02。目前已知具有工业价值的富铀煤层大多形成于陆相沉积环境，尤其在褐煤层中较多。铀在煤中主要以铀的有机化合物出现。铀多富集于煤层的顶、底板附近，并向煤层中心含量逐渐减低。铀含量与煤岩组分的关系，往往显示凝胶化组分多时含铀较高。在含煤岩系各煤层中，铀的分布多富集于煤系的底部煤层。,第十一章 3 伴生微量元素,2.锗 锗属稀有分散元素，它主要以伴生组分赋存于煤层中。锗在煤层内的分布往往富集于顶、底板附近；此外，在薄煤层和透镜体中锗的含量较为富集。煤中锗的主要赋存状态，有的以腐植酸盐的形式存在，有的以吸附状态或其它锗金属有机化合物的形式存在，另有的以硅酸盐或硫化物形式及含锗的氧化物形式存在。,第十一章 3 伴生微量元素,3.钒 钒的分布相当分散，多与其他元素伴生形成含钒矿床。钒在沉积岩层中的富集与有机质有密切关系。钒在海底沉积物中得到富集。钒的赋存状态，有的富集于有机质中，有的富集于黏土矿物中，有的则形成独立的钒矿物。,第十一章 3 伴生微量元素,4 黏土矿物与铝土矿,第十一章 煤的共、伴生矿产,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,一、粘土矿产 与煤层共生或伴生的重要非金属矿产。比较典型的是“煤系高岭岩（土）”。特别在华北地区煤系中广泛分布、品质优良。1.分布地区：内蒙古、山西、河南、河北、山东、安徽等地。,2.类型 根据其与煤层的关系，划分为3类：（1）煤层夹矸及顶、底板型：赋存于煤层中作为煤层中的夹石层、煤层顶板和底板，分布较为稳定，作为标志层。（2）与煤层不相邻型：作为一个独立的矿层出现，与煤层有一定的距离。（3）软质型高岭岩：在地表露头或地下浅处与风化煤伴生，富含有机质，具有高可塑性，质软。,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,3.黏土矿物特征（1）黏土颗粒的定向性与组构特征 泥岩中黏土颗粒的排列状况,即是走向性排列还是任意杂乱排列（张鹏飞等，1993），这些特征有助于沉积环境分析。一般陆相淡水黏土的定向性较好，片状黏土近于平行排列，具有平叠状构造特征，而绝大部分半咸水、海水黏土矿物定向性较差，排列杂乱，一般为凝聚状集合体，有时显蜂巢状构造。,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,图11-7 黏土矿物组构、成分、有机碳及碳酸盐含量之间的关系（据Odom，1967）1-Brercton灰岩；2-泥岩；3-泥灰岩；4-绿色页岩；5-灰色页岩；6-黑色页岩；7-煤,Odom（1967）用x射线衍射法研究了美国中陆区宾夕法尼亚纪页岩，得出其中黏土颗粒的定向性是随着有机质的增加而变好，随着碳酸盐含量的增加而变差。,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,不同的黏土矿物，其形成需要不同的物理、化学条件。一般来讲，高岭石在中性一酸性条件下形成，而蒙脱石、伊利石、绿泥石则是在碱性条件下形成。,（2）黏土矿物组合,图11-8 几种黏土矿物的形成条件（据Degens，1965）,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,不同的沉积环境，其介质的pH值及Eh值均不同，因而就有不同的黏土矿物组合。所以，可根据黏土矿物组合来推断沉积环境。通常认为，在陆相或与陆相有关的淡水酸性环境中以高岭石为主，而在半咸水或咸水碱性环境中以伊利石、蒙脱石为主。,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,刘光华（1987）报道了我国豫西晚古生代煤系中海相、海湾相和三角洲前缘、分流间湾亚相中，主要黏土矿物类型为伊利石一蒙脱石一高岭石组合（以相对含量多少为序排列），在上三角洲以平原淡水作用为主的分流河道、泛滥盆地亚相中主要黏土矿物为高岭石一伊利石组合。,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,图11-9 禹县煤田250钻孔上二叠统上石盒子组沉积环境与黏土矿物分布（据刘光华，1987）1-砂岩；2-泥岩；3-砂质泥岩；4-煤层；5-板状交错层理；6-槽状交错层理；7-波状交错层理；8-透镜状层理；9-双向交错层理；10-泥砾；11-潜穴；12-舌形贝；13-头足类；14-根化石；15-淡水；16-海水-半咸水,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,刘钦甫（1990）在研究我国湖南测水组含煤岩系时发现，高岭石与伊利石在垂向上的含量变化呈明显的相互消长关系，并且发现垂向上各黏土矿物的含量变化与沉积环境密切相关。,图11-10 湖南测水组黏土矿物垂向分布（%）（据刘钦甫，1990）,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,一般从陆到海，高岭石含量减少，伊利石、蒙脱石增多。,图11-11 从滨岸向海洋方向黏土矿物成分的变化（据Potter，1980）,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,造成不同环境有不同黏土矿物组合的两种原因：黏土颗粒的化学与胶体化学分异作用的影响 黏土矿物有较强的阴离子交换和吸附能力，对介质的地化条件要求严格。黏土矿物机械分异作用的影响 在沉积过程中，不同粒径的黏土颗粒会随水动力条件的逐渐减弱而按颗粒的大小依次沉积。,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,二、铝土矿 铝土矿是富含铝矿物（铝的氢氧化物）的沉积岩，其中Al2O340%，Al2O3/SiO22。Al2O350%的铝土矿，则称高铝黏土。中国铝土矿主要分布在华北、中南、西南地区，其中，截至2006年末，山西地区铝土矿探明储量达到了9108t，占全国首位，其次为贵州、河南、广西等省区，以上4个省区的铝土矿储量总和占全国总储量的80%。,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,中国铝土矿和高铝黏土资源量居世界前列。铝土矿的时、空分布机制与其红土化及铝土矿化的程度有关，直接受古湿热气候、构造长期稳定、准平原化、排水条件好、沉积间断时间长、有机质的作用，以及沉积后各个阶段的不断变化和构造上的破坏等的影响。,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,刘长龄等将我国铝土矿划分为11个成矿区带,图11-12 中国各时代铝土矿及成矿区带分布图（据刘长玲等，1990）1-早石炭世铝土矿；2-中石炭世铝土矿；3-晚石炭世铝土矿；4-早二叠世铝土矿；5-晚二叠世铝土矿；6-中生代铝土矿；7-新生代铝土矿；康滇成矿带；黔鄂成矿区；中朝成矿区；南天山成矿带；湘黔成矿区；滇桂成矿区；闽南成矿区；赣中成矿区；滇西成矿区；东南沿海成矿区；桂中成矿区,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,这11个成矿带主要包括康滇成矿区、黔鄂成矿带、华北成矿区、南天山成矿带、湘黔成矿区、滇桂成矿区、闽南成矿区、赣中成矿区、滇西成矿区、东南沿海成矿区、桂中成矿区，其中，具有开采工业价值的铝土矿主要集中在黔鄂成矿带、华北成矿区、滇桂成矿区、桂中成矿区。我国铝土矿与世界铝土矿样，是由含铝硅酸盐及碳酸盐等岩石，在湿热条件下风化作用即红土化及铝土矿化的产物。中国铝土矿基本上都形成于稳定的地台区。,第十一章 4 黏土矿物与铝土矿,