煤層氣地質(zhì)學(xué)--方勇

1、一、煤層氣的定義及開發(fā)意義二、煤儲層及煤層氣的物質(zhì)組成三、煤儲層壓力四、影響煤儲層含氣性的地質(zhì)因素五、煤儲層的力學(xué)性質(zhì)六、煤儲層的地球物理特征 煤型氣是指煤系中煤和分散有機質(zhì)，在成巖和煤化作用煤型氣是指煤系中煤和分散有機質(zhì)，在成巖和煤化作用過程中形成的天然氣，以游離狀態(tài)、吸附狀態(tài)和溶解狀態(tài)賦過程中形成的天然氣，以游離狀態(tài)、吸附狀態(tài)和溶解狀態(tài)賦存于煤層和其它巖層內(nèi)，其成分大多以甲烷為主，也可能以存于煤層和其它巖層內(nèi)，其成分大多以甲烷為主，也可能以氮氣、二氧化碳或重?zé)N等為主。氮氣、二氧化碳或重?zé)N等為主。一、煤層氣的定義及開發(fā)意義 煤層氣是指賦存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤層氣是指賦存在煤層

2、中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主并部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水煤基質(zhì)顆粒表面為主并部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。中的烴類氣體。煤成氣就是賦存在圍巖中的煤型氣。煤成氣就是賦存在圍巖中的煤型氣。煤成氣、煤層氣都是煤型氣。煤成氣、煤層氣都是煤型氣。 瓦斯是賦存在煤層中的煤層氣與采動影響帶中的瓦斯是賦存在煤層中的煤層氣與采動影響帶中的煤成（層）氣、采空區(qū)的煤型氣及采掘活動過程中新煤成（層）氣、采空區(qū)的煤型氣及采掘活動過程中新生成的各種氣體的總稱。生成的各種氣體的總稱。何謂煤成氣？何謂煤成氣？何謂瓦斯？何謂瓦斯？一、煤層氣的定義及開發(fā)意義開發(fā)利用煤層氣的意義：1）煤層氣

3、是一種新型潔凈能源，其開發(fā)利用可一定程度上彌補常規(guī)油氣能源的不足。2）減輕礦井災(zāi)害程度和降低礦井生產(chǎn)成本。3）減少溫室氣體排放，保護(hù)大氣環(huán)境。一、煤層氣的定義及開發(fā)意義甲烷是大氣中主要的溫室氣體之一，對紅外線的吸收能力極強，其溫室效甲烷是大氣中主要的溫室氣體之一，對紅外線的吸收能力極強，其溫室效應(yīng)是二氧化碳的應(yīng)是二氧化碳的20 多倍。僅煤礦開采過程中，甲烷的排放量就占所有化石多倍。僅煤礦開采過程中，甲烷的排放量就占所有化石燃料排放量的一半。因此，煤層氣的開發(fā)利用可有效地降低溫室效應(yīng)。燃料排放量的一半。因此，煤層氣的開發(fā)利用可有效地降低溫室效應(yīng)。2.1 煤層氣的形成煤層氣的形成 植物體埋藏后，經(jīng)

4、過微生物的生物化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為泥炭（泥炭化作用階段），泥炭又經(jīng)歷以物理化學(xué)作用為主的地質(zhì)作用，向褐煤、煙煤和無煙煤轉(zhuǎn)化（煤化作用階段），在煤化作用過程中，成煤物質(zhì)發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，揮發(fā)份含量和含水量減少，發(fā)熱量和固定碳含量增加，同時也生成了以甲烷為主的氣體。 煤化作用要經(jīng)歷兩個過程，即生物成因過程和熱成因生物成因過程和熱成因過程。二、煤儲層及煤層氣的物質(zhì)組成 煤層氣的化學(xué)組分有烴類氣體（甲烷及其同系物）、非烴類氣體（二氧化碳、氮氣、氫氣、一氧化碳、硫化氫以及稀有氣體氦、氬等）。其中，甲烷、二氧化碳、氮氣是煤層氣的主要成分，尤以甲烷含量最高，二氧化碳和氮氣含量較低，一氧化碳和稀有氣體含量甚

5、微。2.2 煤層氣的化學(xué)組成煤層氣的化學(xué)組成二、煤儲層及煤層氣的物質(zhì)組成表表1 煤層氣成分的物理性質(zhì)煤層氣成分的物理性質(zhì) 煤是由植物演化而來的，由高等植物變成的煤稱為腐植煤類，由低等植物或少量低等動物形成的煤稱為腐泥煤，由高等植物和低等植物混合堆積形成的煤稱為腐植腐泥煤。 自然界中，腐植煤類占絕大多數(shù)，也是工業(yè)開采的主要對象，腐植腐泥煤、腐泥煤類數(shù)量相對較少。二、煤儲層及煤層氣的物質(zhì)組成2.3煤的物質(zhì)來源煤的物質(zhì)來源 煤儲層系由煤基質(zhì)塊（被裂隙切割的最小基質(zhì)單元）、氣、水（油）三相物質(zhì)組成的三維地質(zhì)體。煤儲層煤基質(zhì)塊煤巖和礦物質(zhì)游離氣（氣態(tài)）吸附氣（準(zhǔn)液態(tài)）吸收氣（固溶體）水溶態(tài)（溶解氣）裂隙

6、、大孔隙中的自由水，顯微裂隙、微孔隙和芳香層缺陷內(nèi)的束縛水與煤中礦物質(zhì)結(jié)合的化學(xué)水氣水(油)二、煤儲層及煤層氣的物質(zhì)組成2.4煤儲層的物質(zhì)組成煤儲層的物質(zhì)組成 顯微鏡下煤巖成分通常劃分為鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組三大有機顯微組分組。1、鏡質(zhì)組 鏡質(zhì)組是煤中最常見的顯微組分，包括結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和鏡屑體三種顯微組分，其含量約占080%以上。鏡質(zhì)組是由植物的根、莖、葉在覆水的還原條件下，經(jīng)過凝膠化作用而形成。2、殼質(zhì)組 殼質(zhì)組分由于化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，不易被細(xì)菌等微生物破壞、分解，故又稱穩(wěn)定組。殼質(zhì)組分含大量脂肪族成分，故有人稱為類脂組。殼質(zhì)組包括孢子體、角質(zhì)體、木栓體、樹脂體、藻類體、熒光體、

7、瀝青質(zhì)體，滲出瀝青體和殼屑體等顯微組分。3、惰質(zhì)組 惰質(zhì)組在結(jié)焦過程中不軟化，呈惰性。惰質(zhì)組可分出絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體、粗粒體、微粒體、菌類體和惰屑體等顯微組分。2.5煤巖顯微組分煤巖顯微組分二、煤儲層及煤層氣的物質(zhì)組成 是用肉眼可以區(qū)分出的煤的基本組成單位，包括鏡煤、絲炭、亮煤和暗煤。1）鏡煤 鏡煤是煤巖成分中顏色最深、光澤最強的成分。它質(zhì)地純凈，結(jié)構(gòu)均一，輪廓清楚，具貝殼狀斷口，常有垂直條帶的內(nèi)生裂隙。鏡煤性脆、易碎成棱角狀小塊。2）絲炭 外觀像木炭，顏色黑灰色或深灰色，具明顯的纖維狀結(jié)構(gòu)和絲絹狀光澤。絲炭疏松多孔、質(zhì)輕性脆易碎、能染指。3）亮煤 亮煤的光澤僅次于鏡煤，一般呈黑色，較脆易碎，但

8、斷面比較平坦。4）暗煤 暗煤的光澤暗淡，一般呈灰黑色，致密堅硬、韌性好，不易破碎，斷面比較粗糙，一般無內(nèi)生裂隙。2.6宏觀煤巖成分宏觀煤巖成分二、煤儲層及煤層氣的物質(zhì)組成劃分依據(jù)：根據(jù)煤中光亮成分，即鏡煤和亮煤在分層中的含量及其反映出來的總體光澤強度來確定。煤巖劃分為四種：光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤和暗淡型煤。2.7宏觀煤巖類型宏觀煤巖類型1）光亮型煤：鏡煤和亮煤的含量75%，光澤很強。由于成分比較均一，故常呈均一狀或不明顯的線理狀結(jié)構(gòu)。內(nèi)生裂隙發(fā)育，脆度大，易破碎，常具貝殼狀斷口。2）半亮型煤：鏡煤和亮煤的含量為75%50%，光澤較強。常以亮煤為主，夾有暗煤和絲炭，條帶狀結(jié)構(gòu)明顯，常具階梯

9、狀或棱角狀斷口。3）半暗型煤：鏡煤和亮煤的含量50%25%，光澤較弱。鏡煤和絲炭多呈細(xì)條帶、線理狀和透鏡狀分布，暗煤較多。斷口參差不齊，硬度、韌性和密度都較大。4）暗淡型煤：鏡煤和亮煤的含量25%，光澤暗淡。常以暗煤為主，有時夾鏡煤、亮煤的細(xì)條帶、線理或透鏡體。暗淡煤通常為致密塊狀，堅硬，韌性大、密度大、不易破碎。二、煤儲層及煤層氣的物質(zhì)組成三、煤儲層壓力 煤層氣以游離、吸附、固溶和溶解多種狀態(tài)賦存于煤儲層中。其中吸附狀態(tài)是煤層氣最主要的賦存形式，儲層壓力是控制煤層吸附氣量的最關(guān)鍵因素。 煤儲層壓力，是指作用于煤孔隙裂隙空間上的流體壓力（包括水壓和氣壓），故又稱為孔隙流體壓力，相當(dāng)于常規(guī)油氣儲

10、層中的油層壓力或氣層壓力。 煤儲層壓力受地質(zhì)構(gòu)造演化、生氣階段、水文地質(zhì)條件（水位、礦化度、溫度）、埋深、含氣量、大地構(gòu)造位置、地應(yīng)力等諸多因素的影響。 煤層埋深和地應(yīng)力的是儲層壓力的主要控制因素。 3.1 儲層壓力定義儲層壓力定義三、煤儲層壓力3.2 壓力狀態(tài)壓力狀態(tài) 為了對比不同地區(qū)或不同儲層的壓力特征，通常根據(jù)儲層壓力與靜水柱壓力之間的相對關(guān)系確定儲層的壓力狀態(tài)，采用的參數(shù)為儲層壓力梯度或壓力系數(shù)。 儲層壓力梯度：系指單位垂深內(nèi)的儲層壓力增量，常用井底壓力除以從地表到測試井段中點深度而得出，用kPa/m 或MPa/100m 表示，在煤儲層研究中應(yīng)用廣泛。 壓力系數(shù)，被定義為實測地層壓力與

11、同深度靜水壓力之比值，石油天然氣地質(zhì)界常用該參數(shù)表示儲層壓力的性質(zhì)和大小。 3.3 地質(zhì)控制地質(zhì)控制三、煤儲層壓力 煤儲層壓力受地質(zhì)構(gòu)造演化、生氣階段、水文地質(zhì)條件（水位、礦化度、溫度）、埋深、含氣量、大地構(gòu)造位置、地應(yīng)力等諸多因素的影響。埋深影響煤儲層壓力總體上與埋深呈線性正相關(guān)關(guān)系，煤層埋深增加，儲層壓力隨之增高。圖1 淮南煤田煤儲層壓力與埋藏深度之間的關(guān)系3.3 地質(zhì)控制地質(zhì)控制三、煤儲層壓力地應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力增加，有利于煤儲層壓力的保持，但往往導(dǎo)致滲透率降低，并給煤儲層的排水、降壓以及煤層氣的解吸、運移、產(chǎn)出造成一定困難，在高地應(yīng)力區(qū)尤為如此?？傮w上來看，構(gòu)造應(yīng)力過高會對煤層氣井的高產(chǎn)帶

12、來消極影響，過低則不利于煤層氣的富集。 不同地區(qū)地應(yīng)力的大小是不同的，當(dāng)應(yīng)力增大，孔裂隙被壓縮，體積變小，儲層壓力變大；當(dāng)?shù)貞?yīng)力變小，孔裂隙體積變大，儲層壓力則變小。因此，地應(yīng)力與儲層壓力存在相關(guān)性。3.3 地質(zhì)控制地質(zhì)控制三、煤儲層壓力水文地質(zhì) 在開放的條件下，儲層壓力的大小通常根據(jù)壓力水頭（液柱高度）與靜水壓力梯度之積（又稱之為視儲層壓力）來度量，地下水水頭高度是表征儲層壓力的直接數(shù)據(jù)。一般水頭越高，儲層壓力就越大。在煤系中，由于各個煤層與主要含水層間無明顯的水力聯(lián)系，往往構(gòu)成不同的水動力系統(tǒng)，儲層壓力主要是由儲層本身的直接充水含水層的水頭高度來度量。3.3 地質(zhì)控制地質(zhì)控制三、煤儲層壓力

13、煤層氣（瓦斯）壓力 煤層氣（瓦斯）壓力是指在煤田勘探鉆孔或煤礦礦井中測得的煤層孔隙中的氣體壓力。 煤儲層試井測的儲層壓力是水壓，二者的測試條件和測試方法明顯不同。煤儲層壓力是水壓與氣壓的總和，在封閉體系中，儲層壓力中水壓等于氣壓；在開放體系中，儲層壓力等于水壓與氣壓之和。 煤層氣（瓦斯）壓力梯度值的變化幅度很大，介于1.213.4kPa/m 之間，撫順礦區(qū)的氣壓最低，天府礦區(qū)的氣壓最高。氣壓高低與煤層含氣飽和度、煤層風(fēng)化帶的深度有關(guān)。四、影響煤儲層含氣性的地質(zhì)因素4.1煤儲層圍巖物性及封蓋能力煤儲層圍巖物性及封蓋能力 煤層頂?shù)装迨欠舛旅簩託獾牡谝坏榔琳希敲簝訃鷰r組合中最重要的巖層。其主要巖

14、石類型有碳酸鹽巖、砂巖、泥巖、油頁巖及砂泥巖互層。 灰?guī)r類型 含煤地層中的灰?guī)r普遍含有一定數(shù)量的生物碎屑，溶洞和縫合線一般較為發(fā)育，滲透率為1.52.5103m，普遍含水，對煤層氣的保存十分不利。一方面煤層氣通過煤儲層頂?shù)装寤規(guī)r中的孔隙和裂隙發(fā)生運移，另一方面它又被灰?guī)r中地下水徑流帶走。 砂巖類型 砂巖頂?shù)装澹傮w上不利于煤層氣的保存，但因其成分、結(jié)構(gòu)的不同及成巖后生作用的差異，對于煤儲層的封蓋能力變化極大。 四、影響煤儲層含氣性的地質(zhì)因素4.1煤儲層圍巖物性及封蓋能力煤儲層圍巖物性及封蓋能力 細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖互層，是煤層常見的頂?shù)装鍘r石組合類型。 泥質(zhì)含量通過對巖

15、石結(jié)構(gòu)的影響控制著互層類型圍巖的孔滲特征。砂泥巖互層組合中泥質(zhì)含量增加，最大孔隙直徑和優(yōu)勢孔徑減小，突破壓力隨之增大。 泥巖類型 泥巖是碎屑海岸相和湖泊相成因煤層的常見頂?shù)装鍘r石類型，在區(qū)域上往往具有一定的穩(wěn)定性和連續(xù)性，故又被稱為區(qū)域性蓋層。在裂隙不發(fā)育的情況下，泥巖是非滲透性蓋層，有極好的封蓋能力。泥巖的物性與其成巖演化階段和埋深有關(guān)，隨著其成巖程度加深和埋深的增大，塑性降低，脆性增強，裂隙發(fā)育程度增大，封蓋能力有所減弱。 四、影響煤儲層含氣性的地質(zhì)因素4.1煤儲層圍巖物性及封蓋能力煤儲層圍巖物性及封蓋能力 表表2 泥巖封蓋能力與煤化作用階段的關(guān)系泥巖封蓋能力與煤化作用階段的關(guān)系 油頁巖類

16、型 油頁巖致密度高、韌性大、裂隙不發(fā)育，含油率和水分含量高，其孔隙率低、滲透率小，是煤儲層最理想的封蓋層。我國含煤地層中的油頁巖多見于西北、東北、兩廣和云南等地區(qū)的中新生代小型盆地，分布局限，不具普遍意義。四、影響煤儲層含氣性的地質(zhì)因素4.2 煤級影響煤級影響 煤層含氣量隨煤級的增加呈現(xiàn)出急劇增高緩慢增高急劇增高急劇降低的階段性演化特征，某一煤級階段最高含氣量的連線附近的礦區(qū)或井田均為煤儲層封蓋條件極好或煤儲層滲透率極差的地區(qū)。 圖圖2 中國煤層含氣量隨煤級的演化趨勢圖中國煤層含氣量隨煤級的演化趨勢圖(每一數(shù)據(jù)點代表一個礦區(qū)或井田的平均值，據(jù)秦勇等，每一數(shù)據(jù)點代表一個礦區(qū)或井田的平均值，據(jù)秦勇

17、等，1999)四、影響煤儲層含氣性的地質(zhì)因素4.3構(gòu)造類型構(gòu)造類型 不同類型的地質(zhì)構(gòu)造，在其形成過程中構(gòu)造應(yīng)力場特征及其內(nèi)部應(yīng)力分布狀況的不同，均會導(dǎo)致煤儲層和封蓋層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、物性、裂隙發(fā)育狀況及地下水徑流條件等出現(xiàn)差異并進(jìn)而影響到煤儲層的含氣特性。 煤層氣有關(guān)的構(gòu)造可歸納為向斜構(gòu)造、背斜構(gòu)造、褶皺逆沖推覆構(gòu)造和伸展構(gòu)造四個大類。四、影響煤儲層含氣性的地質(zhì)因素4.3構(gòu)造類型構(gòu)造類型向斜構(gòu)造 向斜兩翼地層傾角越大，張性斷裂越發(fā)育，煤層氣就越易逸散；反之，兩翼傾角越緩，斷裂不發(fā)育或發(fā)育逆斷層，就越有利于煤層氣的保存。圖3 褶皺構(gòu)造控氣特征（據(jù)葉建平，1998）四、影響煤儲層含氣性的地質(zhì)因素4.

18、3構(gòu)造類型構(gòu)造類型褶皺逆沖推覆構(gòu)造 褶皺推覆構(gòu)造一方面既可形成區(qū)域性封蓋的構(gòu)造條件而有利于煤層氣保存，另一方面又強烈破壞了煤層的原生結(jié)構(gòu)而使煤儲層滲透性降低，從而導(dǎo)致煤儲層含氣量較高而物性較差。圖4 斷裂構(gòu)造類型及其控氣特征（據(jù)葉建平，1998）五、煤儲層的力學(xué)性質(zhì) 煤層及頂?shù)装鍑鷰r的力學(xué)性質(zhì)是影響儲層改造效果的重要因素，因而是進(jìn)行煤層壓裂理論研究的基礎(chǔ)。 煤層及頂?shù)装鍑鷰r的力學(xué)性質(zhì)主要包括：彈性模量、泊松比、抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度等。5.1 抗壓強度 煤巖樣在單向受壓條件下整體破壞時的壓力，為單軸抗壓強度（Pc），它是巖石力學(xué)試驗中最基本的指標(biāo)之一，測試方法簡便易行，計算也方便，所得結(jié)

19、果可以在一定程度上間接反映地層破裂強度，而且這個指標(biāo)與抗拉強度等參數(shù)有一定的對應(yīng)關(guān)系，一般巖石的抗拉強度為抗壓強度的3%30%。五、煤儲層的力學(xué)性質(zhì)5.2 彈性模量 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。從單向加壓的應(yīng)力應(yīng)變曲線上得出的是楊氏模量，由三軸壓力實驗得到的模量本書稱之為彈性模量。煤巖彈性模量（E）對煤層裂縫發(fā)育影響甚大，裂縫的寬度基本上與彈性模量成反比關(guān)系，由此成為計算裂縫尺寸的直接參數(shù)之一，如果煤層與上、下圍巖之間存在足夠的彈性模量差，就能成為控制水力裂縫不向上、下圍巖擴展的重要自然條件。煤的彈性模量位于n103MPa 數(shù)量級，一般比圍巖低一個數(shù)量

20、級。三軸切線彈性模量的公式如下：五、煤儲層的力學(xué)性質(zhì)5.3 泊松比 巖石在受軸向壓縮時（單軸或三軸實驗），在彈性變形階段，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值就是泊松比v。三軸應(yīng)力實驗計算泊松比的公式如下： 泊松比是確定在上覆巖石垂直重力應(yīng)力作用下，煤巖水平側(cè)向應(yīng)力大小的依據(jù)，因而是決定裂縫產(chǎn)狀即水平縫還是垂直縫的直接計算參數(shù)之一，也是決定垂直縫破裂壓力計算參數(shù)之一。此外，泊松比是影響裂隙寬度的直接因素，對裂隙尺寸的確定起重要作用。煤的泊松比一般比圍巖大，大多在.250.40 之間，圍巖的泊松比通常小于0.3。5.4 抗拉強度 巖石抗拉強度（Pt）是巖樣受到拉伸達(dá)到破壞時的極限應(yīng)力。由于煤巖抗拉強度遠(yuǎn)小于抗壓強度，因此在煤層破裂研究中，抗拉強度研究具有更為重要的意義。將拉伸外力作用點由拉伸試樣兩端等效到試樣中間進(jìn)行擠張，就可視抗拉強度為抗張強度，而抗張強度更符合壓裂作用下的擠張破裂情況。 作為最大主應(yīng)力理論的關(guān)鍵指標(biāo)，煤巖的抗張強度是最適合于計算煤層破裂壓力的直接參數(shù)。煤層不同方向上的抗拉強度直接影響到裂縫產(chǎn)狀，尤其是確定水平縫和垂直縫時必不可少。煤巖與上、下頂、底板之