煤儲層及其基本物理性質(zhì).doc

第2章 煤儲層及其基本物理性質(zhì)煤儲層是指在地層條件下儲集煤層氣的煤層。煤儲層具有雙重孔隙介質(zhì)、滲透性較低、孔隙比表面積較大、吸附能力極強、儲氣能力大等特點。第1節(jié) 主要內(nèi)容：煤儲層是由固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)三相物質(zhì)所構(gòu)成。固態(tài)物質(zhì)：是煤基質(zhì)液態(tài)物質(zhì)：一般是煤層中的水（有時也含有液態(tài)烴類物質(zhì)）氣態(tài)物質(zhì)：即煤層氣一、煤儲層固態(tài)物質(zhì)組成：1、 宏觀煤巖組成 煤是一種有機巖類，包括三種成因類型： 主要來源于高等植物的腐植煤 主要有低等生物形成的腐泥煤 介于前兩者之間的腐植腐泥煤 （自然界中以腐植煤為主，也是煤層氣賦集的主要煤儲層類型）2、 顯微煤巖組成 顯微煤巖組成包括顯微組分和礦物質(zhì)。 顯微組分是在光學(xué)顯微鏡下能夠識別的煤的基本有機成分，其鑒別標志包括：顏色， 突起，反射力，光學(xué)各向異性，結(jié)構(gòu)，形態(tài)等。 礦物質(zhì)是煤及煤儲層中含有數(shù)量不等的無機成分，主要為黏土類和硫化類礦物，其次為碳酸鹽類、氧化硅類礦物以顆粒狀。團塊狀散布于煤中，常見顯微條帶狀產(chǎn)出的黏土礦物。3、 煤的大分子結(jié)構(gòu)煤中有機質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)單元（BSU）的骨架結(jié)構(gòu)由縮合芳香體系組成，其基本化學(xué)結(jié)構(gòu)為芳香環(huán)。煤中有機質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)單元的縮聚過程主要起源于三種反應(yīng)機制：芳構(gòu)化作用、環(huán)縮合作用和拼疊作用。芳構(gòu)化作用是指：非芳香化合物經(jīng)由脫氫生成芳香化合物的作用，可通過碳數(shù)不低于六個的鏈烴的閉環(huán)、五圓或六圓脂環(huán)和雜環(huán)的脫氫等方式實現(xiàn)，是煤中有機質(zhì)生氣的主要機理。環(huán)縮合作用通過單個芳香環(huán)間聯(lián)結(jié)、稠環(huán)芳香分子間或分子內(nèi)聯(lián)結(jié)、自由基分子間重新結(jié)合等方式得以實現(xiàn)，是中高級無煙煤階段芳香體系縮聚的主要機理。拼疊作用是指基本結(jié)構(gòu)單元之間相互聯(lián)結(jié)而使煤中有機質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)短程有序化范圍（有序疇）增大的作用，與自由基反應(yīng)密切相關(guān)，是高級無煙煤階段基本結(jié)構(gòu)單元增大和秩理化程度增高的主要機理。2、 煤儲層液態(tài)物質(zhì)組成煤儲層中液態(tài)物質(zhì)包括裂隙、大孔隙中的自由水（油）及煤基質(zhì)中的束縛水。在煤化學(xué)中，將煤中水劃分為三類，即外在水分、內(nèi)在水分和化合水。外在水分是指在實驗條件下煤樣與周圍空氣達到濕度平衡時失去的水，來自于煤粒表面裂隙（非孔隙）中的水分，又稱表面水。內(nèi)在水分是指在實驗條件下煤樣達到空氣干燥狀態(tài)時殘留在煤中的水分，以物理方式與煤結(jié)合，含量多少取決于煤的內(nèi)表面積、芳香缺陷及吸附能力?；纤址Q結(jié)晶水，是以化學(xué)方式與煤中礦物結(jié)合的水分，其特點是具有嚴格的分子比，高溫下才能脫除。從地下水滲流的角度，按水的結(jié)構(gòu)形態(tài)，分子引力（pm）與重力（pr）的關(guān)系、水與圍巖顆粒的連接形式，可將煤層中的水劃分為結(jié)合水和液態(tài)水。巖層中的水分類類型結(jié)構(gòu)形態(tài)Pm與Pr的關(guān)系水與圍巖顆粒的連接形式結(jié)合水強結(jié)合水（吸著水）PmPr物理化學(xué)連接弱結(jié)合水（薄膜水）液態(tài)水重力水Pm1000nm）、中孔（100nmd1000nm）中的游離水。束縛水包括強結(jié)合水、弱結(jié)合水和過濾孔（10nmd100nm）、微孔（d10nm）中的毛細水，在煤儲層中的含量可通過氣、水相對滲透率實驗來確定。實驗表明，我國煤儲層束縛水飽和度隨煤級的增加而增大，同時也暗示隨著煤級增加，排水降壓難度增大。3、 煤儲層氣態(tài)物質(zhì)組成煤儲層中賦存的氣態(tài)物質(zhì)就是煤層氣，主要化學(xué)組分為甲烷、二氧化碳、氮氣、重?zé)N氣等。第2節(jié) 主要內(nèi)容1、 煤儲層孔隙裂隙系統(tǒng)一般認為，煤儲層具有由孔隙、裂隙組成的雙重孔隙結(jié)構(gòu)。煤儲層中天然裂隙在國外被稱為割理。在整個煤層中連續(xù)分布的割理稱為面割理，終止于面割理或與面割理交叉的不連續(xù)割理稱為端割理，兩種割理通常相互垂直或近似直交。目前對煤層割理成因的認識也不統(tǒng)一，概括起來有以下三種：一是強調(diào)內(nèi)應(yīng)力作用，認為割理是煤化作用過程中，由于垂向壓實作用和脫水作用引起煤基質(zhì)收縮而形成，即傳統(tǒng)意義上的內(nèi)生裂隙；二是強調(diào)外應(yīng)力作用，認為割理的形成與古構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)；三是強調(diào)綜合作用，認為割理是煤化作用、構(gòu)造應(yīng)力等因素綜合作用的結(jié)果。2、 煤儲層宏觀裂隙根據(jù)規(guī)模、形態(tài)、成因等特征，可將煤儲層中宏觀裂隙劃分為四級，包括大裂隙、中裂隙、小裂隙和微裂隙。根據(jù)裂面形成時的受力狀態(tài)，可將宏觀裂隙分成三類：一是張性裂隙，張應(yīng)力超過煤巖抗張強度時產(chǎn)生，不受剪應(yīng)力作用，裂隙面粗糙；二是張性剪裂隙，破裂時裂隙面既承受張應(yīng)力，又承受剪應(yīng)力；三是壓性剪裂隙，破裂時裂隙面既承受壓應(yīng)力，又承受較大的剪應(yīng)力，裂隙面平直光滑。煤儲層中裂隙一般具有三種組合形式：一是矩形網(wǎng)狀裂隙，主要為小裂隙，面裂隙與端裂隙近于直交，具有較高的滲透性，滲透率各向異性中等：二是不規(guī)則網(wǎng)狀裂隙，小裂隙與微裂隙交織在一起，面裂隙與端裂隙都比較發(fā)育，滲透性中等，各向異性不甚明顯，主要發(fā)育于低化煙煤中；三是平行狀裂隙，端裂隙不發(fā)育，只見面裂隙平行產(chǎn)出，一般是局部現(xiàn)象，滲透率的各向異性明顯，具有優(yōu)勢方位。在煤層氣開發(fā)過程中，煤儲層所受的剪應(yīng)力和有效全應(yīng)力會發(fā)生變化，導(dǎo)致裂隙面產(chǎn)生剪切移動，裂隙寬度出現(xiàn)相應(yīng)變化，誘導(dǎo)煤儲層滲透率改變。剪切程度可用下式計算：As=1(1N/p0)1.5 式中：As被剪切掉的凸起體面積與裂隙總面積之比； N裂隙面上的正應(yīng)力 p0煤巖單軸抗壓強度3、 煤儲層顯微裂隙顯微裂隙是肉眼難以辨認的、必須借助顯微鏡或者掃描電鏡才能觀察的裂隙。顯微裂隙往往局限于一個煤巖分層內(nèi)，發(fā)育多組，方向零亂，是主要由流體壓力、收縮應(yīng)力等形成的內(nèi)生裂紋，但也同樣可見由外應(yīng)力形成的構(gòu)造裂隙。顯微裂隙的組合形態(tài)有矩形網(wǎng)絡(luò)狀、菱形網(wǎng)絡(luò)狀、三角形網(wǎng)絡(luò)狀、不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)狀、樹枝狀、T形、X形、楔形、折線形等。4、 煤中孔隙煤中孔隙是指煤基塊中被固態(tài)物（有機質(zhì)和礦物質(zhì)）充填的空間，煤的孔徑結(jié)構(gòu)是研究煤層氣賦狀態(tài)、氣水介質(zhì)與煤基質(zhì)間相互作用及煤層氣解吸擴散滲流的重要基礎(chǔ)。類 型成 因 簡 述 原生孔胞腔孔成煤植物本身所具有的細胞結(jié)構(gòu)孔屑間孔鏡屑體、惰屑體和殼屑體等碎屑狀顆粒之間的孔隙變質(zhì)孔鏈間孔凝膠化物質(zhì)在變質(zhì)作用下縮聚而形成的鏈之間的孔隙氣 孔煤變質(zhì)過程中由生氣和聚氣作用而形成的孔隙外生孔角礫孔煤受構(gòu)造應(yīng)力破壞而形成的角礫之間的孔隙碎?？酌菏軜?gòu)造應(yīng)力破壞而形成的碎粒之間的孔隙摩擦孔壓應(yīng)力作用下面與面之間因摩擦而形成的孔隙礦 物質(zhì) 孔鑄?？酌褐械V物質(zhì)在有機質(zhì)中因硬度差異而鑄成的印坑溶蝕孔可溶性礦物長期在氣、水作用下受溶蝕而形成的孔晶間孔礦物結(jié)晶粒之間的孔測定煤的孔徑結(jié)構(gòu)有多種方法，常用的方法為汞侵入法和低溫氮吸附法?？兹莺捅砻娣e是孔隙的重要特征，孔容即孔隙的體積。一般來說，煤級越高大孔和中孔比例減少，微孔比例增大。煤的孔隙結(jié)構(gòu)直接影響到煤層氣的富集和產(chǎn)出。大孔和中孔易于煤層氣儲集和運移，被稱為氣體容積型擴散孔隙；過度孔和微孔易于煤層氣儲集，但不利于煤層氣運移，被稱為氣體分子型擴散孔隙。煤的表面積包括外表面積和內(nèi)表面積，外表面積所占的比例極小，貢獻幾乎全部來自內(nèi)表面積。煤的內(nèi)表面積用比表面積表征，單位為m2/g。煤的比表面積大小與煤的分子結(jié)構(gòu)和孔徑結(jié)構(gòu)有關(guān)。煤的孔隙率是煤中孔隙/裂隙體積與煤總體積之百分比，可采用密度法、煤油法、氦氣法、二氧化碳法等進行測試，其大小與煤級和煤物質(zhì)組成有關(guān)。第3節(jié) 主要內(nèi)容 一、煤的吸附理論煤儲層與常規(guī)天然氣儲層之間的根本區(qū)別，在于煤儲層具有強烈的吸附性。從物理化學(xué)上來看，所謂吸附，就是在物質(zhì)在相界面上的過?，F(xiàn)象。吸附過程存在兩種情況。第一種為物理吸附，在吸附過程中物質(zhì)不改變原來的性質(zhì)，吸附能小，被吸附的物質(zhì)很容易再脫離（脫附或解吸）。第二種為化學(xué)吸附，吸附過程中不僅有引力，還存在化學(xué)鍵力，吸附能較大，要逐出被吸附物質(zhì)需要較高的外加能量，而且被吸附的物質(zhì)即使被逐出，也往往已產(chǎn)生化學(xué)變化，不再是原來的物質(zhì)。煤層氣主要以物理吸附方式存在于煤儲層中。吸附的結(jié)果是在煤孔隙表面形成了由吸附物質(zhì)構(gòu)成的“吸附層”，大量實驗證明，煤對氣體的吸附是可逆的。物理吸附釋放的熱量很低，一般只有2.0920.92J/mol；化學(xué)吸附釋放的熱量較高，可達到20.9241.84J/mol。重要的方程：朗繆爾吸附等溫方程表述為：=V/Vm=bp/(1+bp) 或 V=bpVm/(1+bp)=abp/(1+bp)=VLp/(p+pL)式中 煤孔隙表面被氣體分子覆蓋的百分數(shù)，稱為覆蓋度； VL，Vm，a煤孔隙表面覆蓋單分子層時的吸附量，即最大吸附量， 其中VL通常稱為朗繆爾體積； b吸附系數(shù)，是溫度和吸附熱的函數(shù)； V氣體壓力為p時的吸附量； pL朗繆爾壓力（等于1/b）。溫度升高，b值減小或值增大，故吸附 量隨溫度的升高而降低。 二、煤對純氣體的吸附特征不同純氣體組分的吸附能力，主要取決于氣體分子與煤分子之間的作用力，這種作用力與各種吸附質(zhì)的沸點有關(guān)。沸點高，則吸附能力強。煤層氣中幾種常見組分的相對吸附能力是：N2CH4C2H6CO2C3H8H2O。水分含量對煤的吸附能力有顯著影響，抑制了煤對氣體的吸附，降低了吸附能力。3、 影響煤吸附性的地質(zhì)因素1、 地球物理因素煤儲層壓力受煤層埋藏深度、構(gòu)造應(yīng)力場、地溫場、地下流體系統(tǒng)等的綜合影響。在其他因素相同的前提下，煤儲層壓力增大，煤對甲烷的吸附量隨之升高，但不同壓力區(qū)間的增加幅度有所不同。地溫場溫度是地球物理場的構(gòu)成要素之一，溫度提供的能量使吸附氣活化，溫度越高，越有利于煤層氣解吸。從另一方面看，溫度升高，煤的最大吸附能力減弱。煤層埋深主要受控于地殼的抬升與沉降，其對煤吸附能力的影響實質(zhì)上是溫度和壓力的間接反映。正常情況下，煤層埋深增大，儲層壓力和儲層溫度均有增加。當(dāng)溫度的負效應(yīng)等于正壓力效應(yīng)時，煤層含氣量不再隨深度的增大而增大，這一埋藏深度稱為“臨界深度”。不同地質(zhì)條件下，臨界深度變化較大，但一般變化與-1200-2000m之間。2、 煤質(zhì)煤巖因素煤的物質(zhì)組成是影響其吸附性的另一個因素。礦物質(zhì)對煤層氣沒有吸力，故煤中礦物質(zhì)含量增高，其吸附性降低。第4節(jié) 主要內(nèi)容： 一、巖石力學(xué)參數(shù) 1、煤巖的力學(xué)強度煤巖的力學(xué)強度包括抗壓強度、抗張強度和抗剪強度。煤巖樣在單向受壓條件下整體破壞時的壓力，稱為單軸抗壓強度，它是巖石力學(xué)試驗中最基本的指標之一，在一定程度上間接反映出煤儲層的破裂強度。巖石抗拉強度時巖樣受拉伸達到破壞時的極限應(yīng)力。如果將拉伸外力作用點由拉伸試樣兩端等效到試樣中間進行擠張，就可將抗拉強度視為抗張強度。作為最大主應(yīng)力理論的關(guān)鍵指標，煤巖的抗張強度時最適合于計算煤層破裂壓力的直接參數(shù)?？辜魪姸仁悄獱枏姸壤碚摰闹匾笜?，也是計算破裂壓力的重要參數(shù)。2、 彈性模量及相關(guān)系數(shù)彈性模量是材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，在力學(xué)上反映材料的堅固性。煤巖彈性模量對煤層壓裂裂縫發(fā)育影響極大，裂縫的寬度與彈性模量成反比關(guān)系，是計算裂縫尺寸的直接參數(shù)之一。2、 地應(yīng)力與有效應(yīng)力地應(yīng)力是存在于地殼中的內(nèi)應(yīng)力，由重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力等耦合而成。重力應(yīng)力一般稱為大地靜應(yīng)力，指由上覆巖層的質(zhì)量所產(chǎn)生的垂向應(yīng)力或者其引起的水平應(yīng)力分量。構(gòu)造應(yīng)力的定義視研究角度不同而異，煤儲層應(yīng)力場中的構(gòu)造應(yīng)力,常指由于構(gòu)造運動引起的地應(yīng)力增量。孔隙壓力和有效應(yīng)力，一部分由儲層孔隙、裂隙中的流體承受（孔隙壓力），一部分是由煤基質(zhì)承受（有效應(yīng)力）。熱應(yīng)力是由于地層溫度發(fā)生變化在其內(nèi)部引起的內(nèi)應(yīng)力增量，主要與溫度變化和煤巖體熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。殘余應(yīng)力是指除去外力作用之后，尚殘存在地層巖石中的應(yīng)力，在煤儲層很小，通常忽略不計。地面煤層氣開發(fā)所關(guān)注的主要是水平有效應(yīng)力，它由重力水平應(yīng)力分量、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力及收縮應(yīng)力等耦合而合成。3、 不同煤級煤巖體的力學(xué)特征原位煤層的力學(xué)性質(zhì)，取決于煤