煤储层三相介质与三元结构系统Word文档下载推荐.docx
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镜质组的密度在1.27～1.80g/cm3之间，中煤阶煤时有最低值，高煤阶时密度大。
2、壳质组
壳质组分由于化学性质比较稳定，不易被细菌等微生物破坏、分解，故又称稳定组。
壳质组分含大量脂肪族成分，故有人称为类脂组。
壳质组包括孢子体、角质体、木栓体、树脂体、藻类体、荧光体、沥青质体，渗出沥青体和壳屑体等显微组分。
壳质组在透光下多数呈黄色、少数为绿黄色、红橙色，反射光下呈深灰色、灰色，有突起。
各种壳质组分都有自己的特定形态，轮廓清楚。
壳质组分具有强的荧光性，在蓝光、紫外光的激发下可发出绿黄、亮黄色的荧光。
中煤阶煤以后的煤中多数壳质组分已分解消失，在显微镜下难以找到。
壳质组在腐植煤中是次要的显微组分。
3、惰质组
惰质组是煤中常见的显微组分，因其在结焦过程中不软化，呈惰性，故名。
惰质组可分出丝质体、半丝质体、粗粒体、微粒体、菌类体和惰屑体等显微组分。
惰质组分的成因有多种：
植物遗体在缺水多氧的环境下，经氧化而形成；
森林火灾，植物受不完全燃烧也可形成；
泥炭表层受真菌等微生物腐解；
强烈的煤化作用也可使各种组分惰质化。
惰质组分在透射光下一般为黑色不透明，反射光下呈亮白色、黄白色或灰白色，惰质组分不发荧光。
由于惰质组分密度较大，硬度较高，故常显示正突起。
惰质组分的反射率高，但不同的惰质组分有差别，至高煤阶，各组分的差别减小。
我国西北地区中生代的煤中，惰质组分含量高，华北地区古生代煤中惰质组含量少一些，新生代多数煤中惰质组分含量很少。
4、矿物质
矿物质是煤中的无机显微组分，矿物质主要为粘土类和硫化物类矿物，其次为碳酸盐类，氧化硅类，通常以颗粒状分散于煤基质块体中或以夹矸的形式出现，不仅直接影响到煤储层原位含气量及其分布，煤储层均质性及其改造，而且制约了煤中裂隙、显微裂隙的发育，特别是后生矿物充填于层面、裂隙、孔隙及显微组分细胞腔中，严重阻碍了煤层气、水的渗流，对煤层气的开发带来了负面效应。
（二）腐植煤的宏观组成
煤是由植物演化而来的，由高等植物变成的煤称为腐植煤类，由低等植物藻类形成的煤称为腐泥煤，由高等植物和低等植物混合堆积形成的煤称为腐植腐泥煤。
自然界中，腐植煤类占绝大多数，也是工业开采的主要对象，腐植腐泥煤、腐泥煤类数量相对较少。
对腐植煤的宏观组成划分方案很多。
我国主要采取两级分类，即先划分出宏观煤岩成分，再根据宏观煤岩成分的组合特征划分出宏观煤岩类型（附录二）。
腐泥煤宏观特征比较均一，故没有划分出宏观煤岩成分和类型。
1、腐植煤的宏观煤岩成分
宏观煤岩成分是用肉眼可以区分出的煤的基本组成单位，包括镜煤、丝炭、亮煤和暗煤。
镜煤和丝炭是简单的煤岩成分，亮煤和暗煤是复杂的煤岩成分。
1）镜煤
镜煤的颜色深黑，光泽强，是煤岩成分中颜色最深、光泽最强的成分。
它质地纯净，结构均一，轮廓清楚，具贝壳状断口，常有垂直条带的内生裂隙。
镜煤性脆、易碎成棱角状小块。
在煤层中、镜煤常呈透镜状或条带状，条带厚度一般几毫米至1-2厘米，也有小于1毫米的线理，个别有几十厘米厚的透镜体。
2）丝炭
外观像木炭，颜色黑灰色或深灰色，具明显的纤维状结构和丝绢状光泽。
丝炭疏松多孔、质轻性脆易碎、能染指。
丝炭的胞腔有时被矿物质充填，称矿化丝炭，坚硬而致密，密度大。
在煤层中，丝炭常呈扁平的透镜体沿煤层的层面分布，厚度多为1~毫米至几毫米，有时能形成不连续的薄层。
个别地区，丝炭层的厚度可达几十厘米甚至几米。
3）亮煤
亮煤的光泽仅次于镜煤，一般呈黑色，较脆易碎，但断面比较平坦。
亮煤的均一程度不如镜煤，表面隐约可见微细的层理。
较纯净的亮煤有时也可见内生裂隙，但不如镜煤发育。
在煤层中，亮煤是最常见的宏观煤岩成分，常呈较厚的分层，有时甚至组成整个煤层。
4）暗煤
暗煤的光泽暗淡，一般呈灰黑色，致密坚硬、韧性好，不易破碎，断面比较粗糙，一般无内生裂隙。
在煤层中，暗煤是常见的宏观煤岩成分，常呈厚薄不等的分层，也可组成整个煤层。
2、腐植煤的宏观煤岩类型
宏观煤岩成分一般的厚度都比较小，在描述煤层、确定煤的组成和性质，进行煤层对比时都十分不便。
我们观察煤层时可以发现，各种煤岩成分的组合是有一定规律性的，造成煤层中有光亮的分层，也有暗淡的分层，这些分层的厚度一般为十几厘米至几十厘米，在层理方向上比较稳定，这些分层实际上就是光泽类型，也即宏观煤岩类型。
宏观煤岩类型可划分为四种，即光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤和暗淡型煤。
宏观煤岩类型的划分是根据煤中光亮成分，即镜煤和亮煤在分层中的含量及其反映出来的总体光泽强度来确定的。
1）光亮型煤：
镜煤和亮煤的含量＞75%，光泽很强。
由于成分比较均一，故常呈均一状或不明显的线理状结构。
内生裂隙发育，脆度大，易破碎，常具贝壳状断口。
显微镜下观察，镜质组含量一般在80%以上，显微煤岩类型以微镜煤为主。
2）半亮型煤：
镜煤和亮煤的含量为75%~50%，光泽较强。
常以亮煤为主，夹有暗煤和丝炭，条带状结构明显，常具阶梯状或棱角状断口。
显微镜下观察，镜质组含量一般在60～80%之间，显微煤岩类型以微镜煤、微亮煤和微镜惰煤为主。
半亮型煤是煤中最常见的宏观煤岩类型。
3）半暗型煤：
镜煤和亮煤的含量50%~25%，光泽较弱。
镜煤和丝炭多呈细条带、线理状和透镜状分布，暗煤较多。
断口参差不齐，硬度、韧性和密度都较大。
显微镜下观察、镜质组含量为30%~60%，显微煤岩类型复杂。
半暗型煤也是煤中常见的宏观煤岩类型。
4）暗淡型煤：
镜煤和亮煤的含量＜25%，光泽暗淡。
常以暗煤为主，有时夹镜煤、亮煤的细条带、线理或透镜体。
暗淡煤通常为致密块状，坚硬，韧性大、密度大、不易破碎。
也有丝炭含量高的暗淡煤和壳质组含量高的暗淡煤，性质与一般暗淡煤有较大差别。
显微镜下观察，镜质组的含量一般＜30%，而惰质组、壳质组和矿物杂质的含量高。
暗淡型煤的煤质一般都很差，灰分通常大于30%。
煤田地质勘探过程对镜质组最大反射率Ro,max％<
2.0％煤储层中的煤岩组成，矿物分布均作过不同程度的研究，对于Ro,max％>
2.0％煤储层中的煤岩组成，只有少数专家才能够鉴定。
近几年来，除了显微光度计自动化程度提高外，人的鉴定水平还存在一定程度的下降。
二、煤储层中的液相介质
煤储层中的液相介质包括裂隙、大孔隙中的自由水（油）及其内表面与显微裂隙、微孔隙内表面、芳香层缺陷内的“准液态”物质。
“准液态”物质中的H2O常称为束缚水。
煤化学分析中常将水分划分为外在水分、内在水分和化合水三部分。
外在水分理论上系指煤粒表面和煤粒裂隙（即非孔隙）中的水分，又称表面水。
实验室测定是在一定条件下，煤样与周围空气达到湿度平衡时失去的水，即失去的表面水和大孔隙（孔径大于100nm）中的水。
内在水分指煤孔隙中的水分。
实际测定是在一定条件下，煤样达到空气干燥状态时所保持的水分（此时煤样称为自然煤样），即孔径小于100nm的孔隙中的水分。
其特点是以物理化学方法与煤结合，含量的多少取决于煤的内表面积、芳香缺陷及吸附能力。
煤在100％相对湿度下达到吸湿平衡时除外在水分以外的水分，称为最高内在水分（MHC：
Moisture-HoldingCapacity），即煤中孔隙被饱和状态时的内在水分。
实验室测定是在30℃、相对湿度为96~97%条件下达到吸湿平衡时的内在水分。
化合水又称结晶水，是以化学方式与煤中矿物结合的水分，其特点是具有严格的分子比，高温下才能除去。
薛愚群等（1977）从地下水渗流的角度，按水的结构形态、分子引力（Pm）与重力（Pr）的关系、水与围岩颗粒的连接形式分为结合水和液态水（表3-1）。
表3-1煤储层中水的分类（据薛愚群等，1977）
类型
结构形态
Pm与Pr的关系
水与围岩颗粒的连接形式
结合水
强结合水（吸着水）
Pm>
Pr
物理化学连接
弱结合水（薄膜水）
液态水
重力水
Pm<
Pr
物理力学连接
毛细水
强结合水，又称吸着水，在静电引力和氢键连结力作用下，水分子牢固地吸附于煤颗粒的表面。
此种水具有高粘度和高抗剪强度，几乎不受温度影响。
弱结合水，又称薄膜水，处于强结合水的外层，受到固相表面的引力比强结合水弱，但仍然受到范德华引力和强结合水最外层水分子的静电引力的合力影响。
结合水的最大特点是具有抗剪强度，且抗剪强度由内层向外层减弱，当施加的外力超过其抗剪强度时，外层结合水发生流动，施加的外力越大，发生流动的水层厚度也越厚。
重力水指距离煤体表面更远的那部分水分子，煤体表面的吸引力较弱，重力的影响更大，因此能在自身重力作用下运动。
毛细水为煤基质块、液、气三相界面上发生毛细现象而出现的水。
自由水包括煤储层宏观裂隙、显微裂隙、大孔（孔直径d>
1000nm）、中孔（100nm<
d<
1000nm）中的游离水，它们越发育，自由水含量越高，其是否饱和，可通过孔隙度、外在水分测试或由地球物理测井响应来确定。
束缚水包括强结合水、弱结合水和过渡孔（10nm<
100nm）、微孔（d<
10nm）中毛细水，其在煤储层中的含量可通过气、水相对渗透率实验来确定。
实验表明我国煤储层束缚水饱和度随煤级的增加而增大（图3-1），同时也暗示随煤级增加排水降压难度增大。
煤层气研究中常引入平衡水分含量或临界水分含量这一概念，其值略低于最高内在水分。
平衡水分含量的确定方法：
首先将样品称重（约100g），精确到0.2mg，把预湿煤样或自然煤样放入装有过饱和K2SO4溶液的恒温箱中，该溶液可以使相对湿度保持在96%~97%之间。
48h后煤样即被全部湿润，间隔一定时间称重一次，直到恒重为止。
平衡水分含量等于工业分析中空气干燥基水分（Mad）与煤样水平衡时吸附水分含量之和。
图3-1束缚水饱和度与煤级的关系
3、煤储层中的气相介质
煤储层中赋存的气相介质和由“准液态”转化为气相介质的主要有CH4、N2、CO2、C2H6等，其分子直径、沸点和分子平均自由程等见表3-2。
甲烷在煤储层中的赋存方式有游离态、吸附态、吸收态（固溶体）和水溶态（表3-2），其在总甲烷含量中所占的比例取决于煤储层的孔、裂隙系统、煤大分子结构缺陷和煤的吸附能力等。
表3-2甲烷在煤储层中赋存形态和分布（据A.T艾鲁尼）
赋存位置
赋存形态
比例（%）
裂隙、大孔和块体空间内
游离（水溶态）
8~12（1~3）
裂隙、大孔和块体内表面
吸附
5~12
显微裂隙和微孔隙
75~80
芳香层缺陷内
替代式固溶体
1~5
芳香碳晶体内
填隙式固溶体
注：
中煤级煤，埋深800~1200米
游离态：
正常情况下，游离甲烷约占8~12%，但煤层气开发时，吸附甲烷均要通过降压解吸、升温解吸，或通过N2、CO2置换出游离甲烷才能得以实现。
吸附态：
吸附甲烷是指裂隙、大孔隙，显微裂隙、微孔隙表面及芳香层缺陷内吸附甲烷的统称。
其与游离态是不断运动和交换的，在一定温度和压力下，处于一种动平衡状态。
有关煤的吸附能力和吸附机理将在下面进行详细阐述。
第二节煤储层的孔裂隙结构系统
Close（1993）等认为煤储层系由孔隙、裂隙组成的双重结构系统，Gamson（1996）在研究澳大利亚鲍恩盆地时，认为在孔隙、裂隙之间还存在着一种过渡类型的孔隙、裂隙，霍永忠等（1998）对煤中显微孔、裂隙进行了成因分类，王生维等（1995）研究了煤基质块孔、裂隙特征，傅雪海等（1999）认为煤储层系由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的三元孔、裂隙介质，孔隙是煤层气的主要储集场所，宏观裂隙是煤层气运移的通道，而显微裂隙则是沟通孔隙与裂隙的桥梁。
煤储层中的裂隙在国外煤层气工业中常被称为割理。
割理是煤中的天然裂隙，在整个煤层中连续分布的割理称为面割理（Facecleat），中止于面割理或与面割理交叉的不连续割理称为端割理（Bullcleat）。
面割理与端割理通常是相互垂直的或近似直交的。
由于受研究目的、方法、地区等因素的限制和影响，我国不同的研究者对割理成因和内涵的认识还不完全一致，对其定义主要有以下四种：
①割理基本上是煤储层中的收缩裂隙，走向受形成期古构造应力场控制；
②割理是煤化作用过程中形成的，煤储层中最发育的裂隙；
③割理相当于其它沉积岩中的节理；
④割理是煤层中基本上没有发生位移的张性裂隙。
许多学者对割理成因的解释主要依据自已的观察结果，概括起来，有以下三种认识：
①强调内应力作用，认为割理是煤化作用过程中，由于垂向压实作用和脱水作用引起煤基质收缩而形成，割理即内生裂隙—煤化作用过程中，煤中凝胶化物质受温度、压力影响体积均匀收缩产生内张力而形成的一种裂隙割理；
②强调外应力作用，认为割理的形成与古构造应力有关；
③割理是由煤化作用、构造应力（古构造应力和新构造应力）、差异压实或垂向压实综合作用的结果。
一、宏观裂隙
基于上述争议，我国大多数学者掘弃割理，只用裂隙一词，其中面裂隙与面割理、端裂隙与端割理涵义相同。
即在相互垂直或大致垂直的两组裂隙中，主要的一组称为面裂隙，次要的一组称为端裂隙。
1、分级
将宏观裂隙按大小、形态特征和成因分为大裂隙、中裂隙、小裂隙、微裂隙（内生裂隙）四级（表3-3，图3-2）。
相应可将煤储层分为大裂隙储层、中裂隙储层、小裂隙储层、微裂隙储层四类。
大、中裂隙与外生裂隙或节理相当，系煤层形成后受外应力（主要为构造应力）作用而产生，常以各种角度与煤层层理面斜交，长度可达数米，可以出现在煤层的任何部位。
在相同的构造应力条件下，一般焦煤、瘦煤内外生裂隙较发育。
裂隙面往往有凹凸不平的滑动痕迹，多呈羽毛状、波纹状，也有比较光滑的，有时还可见到次生矿物或破碎煤屑的充填。
表3-3宏观裂隙级别划分及分布特征
裂隙级别
高度
长度
密度
切割性
裂隙形态特征
成因
大裂隙
数分米~数米
数十～数百米
数条／米
切穿整个煤层甚至顶底板
发育一组，断面平直，有煤粉，裂隙宽度数毫米到数厘米，与煤层层理面斜交。
外
应
力
中裂隙
数厘米～数分米
数米
数十条／米
切穿几个宏观煤岩类型分层（包括夹矸）
常发育一组，局部两组，断面平直或呈锯齿状，有煤粉。
小裂隙
数毫米～数厘米
数分米～1米
数十～200条／米
切穿一个宏观煤岩类型分层或几个煤岩成分分层，一般垂直或近垂直于层理分布
普遍发育两组，面裂隙较端裂隙发育，断面平直。
综合
作用
微裂隙
数毫米
数厘米
200～500条／米
局限于一个宏观煤岩类型或几个煤岩成分分层（镜煤、亮煤）中，垂直于层理面
发育两组以上，方向较为零乱。
内
小裂隙是煤化作用过程中煤中凝胶化组分发生体积收缩变形与同期构造作用藕合的结果，与内行裂隙相当，常见于光亮煤和半亮煤之中，与层理面呈高角度相交，裂隙面较平坦，主要有两组，呈近于直角相交，较发育的一组称面裂隙,延伸可达数厘米到1米；
另一组称为端裂隙，限于面裂隙之间，长约数毫米到数十厘米。
缝宽一般几μm到数十μm，发育的密度与煤阶关系密切，中煤级煤最发育。
微裂隙常发育于镜煤与亮煤之中，主要系煤中凝胶化组分收缩内应力作用的结果，微裂隙一般长数厘米，缝宽不到1μm，高约数毫米。
2、力学性质分类
裂隙或由内应力（煤化作用过程中，凝胶化组分收缩应力及超高孔隙流体压力）或由外应力（构造应力、重力及热应力等）或由内应力与外应力二者综合作用而形成。
外应力随地域和时域的不同而不同，层域上，因地层是高度不均质的（即使同一岩层也是不均质的），岩性及强度的差异会引起偏应力的不同，岩层中不同部位达到破裂条件总是先后有别的。
据裂面破裂时所承受的正应力和剪应力情况，可图3-2煤储层裂隙分级
将其分成三类：
①张性裂隙：
张应力达到抗张
强度面产生，不承受剪应力。
裂隙走向垂直于张性的最小主应力σ3，裂隙面粗糙，不平直；
②张性剪裂隙：
破裂时裂隙面既承受张应力，又承受剪应力，裂隙走向与张性的最小主应力σ3近于垂直；
③压性剪裂隙：
破裂时裂隙面既承受压应力，又承受较大的剪应力。
裂隙面平直，其法线大多与σ3的夹角在30°
左右。
大裂隙往往与附近断层相伴生，逆断层发育地区多为压性剪裂隙，正断层发育地区多为张性或张剪性裂隙；
中裂隙或部分小裂隙裂面较平坦，为张剪性或压剪性裂隙。
正应力小，裂面光滑，正应力大，裂隙内煤粉发育，如焦作地区、沁水盆地北部寿阳地区。
3、组合类型
根据面裂隙、端裂隙形态和组合关系可分为三种：
①矩形网状：
主要为小裂隙，一般面裂隙密度大于端裂隙，彼此近于直交，因而具有较高的渗透性，渗透率的方向性中等（图3-3）；
②不规则网状：
小裂隙与微裂隙交织在一起，面裂隙与端裂隙都较发育。
这种组合的渗透性中等，没有明显的各向异性。
主要发育于低煤化烟煤中；
③平行状：
实际上是由于端裂隙不发育，只见面裂隙平行产出。
这种组合一般只反映局部现象，当端裂隙出现时又变成矩形网状组合了，由于只发育一组裂隙，渗透率的各异向性明显，具有优势方位。
大裂隙呈平行状或羽状，中、小裂隙以矩形网状为主，其次为平行状，微裂隙则大多为不规则网状。
①矩形网状②不规则网状③平行状
图3-3宏观裂隙组合形态
4、矿物充填与非均质性
煤中裂隙的矿物充填常用矿物充填指数来表示，即：
煤中裂隙含可见矿物充填的长度同裂隙总长度的百分比；
裂隙非均质性常用裂隙指数来表示，即：
煤储层中光亮型煤与半亮型煤之和占整个煤层厚度的百分比，有人也将其定义为裂隙高度与裂隙长度的百分比。
5、裂隙描述
对宏观裂隙的描述在井下或手标上进行，描述的内容包括走向、倾向、倾角、长度、宽度、高度、密度、矿物充填状态、表面形态或粗糙度及组合形态或连通性等。
裂隙长度：
在平行于层面的断面或煤岩类型界面上的横向连续延伸长度。
裂隙高度：
垂向上裂隙的连续延伸长度。
裂隙线密度：
在层面或煤岩类型界面上，与一条垂直于裂隙延伸方向的直线相交的裂隙条数。
裂隙面密度：
在层面或煤岩类型界面上，一定面积内的面裂隙和端裂隙的总条数，一般使用两边分别平行于面裂隙和端裂隙的平行四边形来统计。
裂隙壁距（又称为裂隙宽度或张开度）：
同一条裂隙的两壁之间的距离。
被充填的裂隙，充填物的厚度代表某一地质时期内原位状态下的裂隙壁距。
初始裂隙宽度（即非应力状态下的裂隙宽度）通过显微镜来测量，原位状态可通过应力数值模拟来计算。
裂隙面形态：
煤岩裂隙面两壁的特征。
裂隙表面形态对煤储层渗透率影响很大，常呈平直状、羽状、弯曲状、锯齿状、贝壳状等，弯曲及锯齿构造是相邻裂隙表面应力差异释放的曲线状边界，贝壳状构造类似于玻璃的碎裂面，是中煤级煤中镜煤条带的典型构造。
不规则的裂隙表面往往使裂隙在高水平应力下保持一定的张开状态。
煤层气开发过程中剪应力和有效全应力发生变化，裂隙面发生剪切移动，裂隙宽度出现相应变化。
图3-4中展示了两类情况，左边是在初始应力场中，平衡状态下理想化的粗糙裂隙，在煤层气开发过程中，诱导的剪应力引起裂隙面的移动，裂隙面的凸起体可相互叠加，形成更大的有效宽度；
亦可被剪切掉，导致有效宽度减小，并形成细少的裂隙，从而降低了渗透率。
有效正应力是控制这两类情形的重要因素。
在剪切发生时，法向应力越小，凸起体相互叠加的可能性就更大，从而导致裂隙孔隙度或宽度的增加，法向应力增大，将会导致更窄的裂隙宽度和更小的体积增加，最终导致裂隙渗透率降低。
剪切程度可用以下公式进行计算；
（3-1）
式中，－被剪切掉的凸起体的面积与裂隙总面积之比；
－裂隙面上的正应力，即：
＝－；
p－裂隙内流体压力；
－Boit系数，－单轴抗压强度。
Louis（1974）用裂隙密度和裂隙凸起高度来计算粗糙度，即：
（3-2）
式中，C－粗糙度；
b－裂隙密度；
e－凸起高度。
二、显微裂隙
显微裂隙是肉眼难以辨认的、必须借助显微镜或扫描电镜才能观察。
显微裂隙的镜下观测必须在井下采取定向煤样，并保证一定的块度，在室内磨制成二维或三维光洁面，在其层理面上观测裂隙的方向、主次关系、长度、宽度、密度、间距等，在剖面上观测裂隙高度、垂向分布等。
显微裂隙长度为数十微米~数毫米，高度数百微米，密度500~5000条/m。
局限于一个煤岩成分分层内，发育多组，方向较零乱，主要由流体压力、收缩应力形成的内生裂纹。
但在扫描电镜观察显微裂隙也同样可以见到由外应力形成的构造裂隙。
构造裂隙多与煤岩条带斜交，且穿越煤岩条带，依据形态特征加以推断，如阶梯状、雁列式、帚状及“X”式等；
内生裂纹主要发育于基质镜质体和均质镜质体内，垂直或近于垂直镜质体条带分布，一般不穿层。
剪裂纹平直，缝壁闭合；
张裂纹缝壁呈锯齿状，收缩裂纹呈月牙形，二者均呈张开状（图3-5）。
其图3-5显微裂隙示意图
组合形态有矩形网络状、菱形网络状、三角形网络状、不规则网络状、树枝状、T形、X形、楔形、折线形裂纹。
三、孔隙
煤是一种复杂的多孔介质，煤中孔隙是指煤体未被固体物（有机质和矿物质）充填的空间，是煤的结构要素之一。
煤的孔径
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