煤儲層及其基本物理性質(zhì)

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1、第二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(qiáng)、儲氣能力大等特點(diǎn)。第一節(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(shí)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(jī)巖類，包括三種成因類型：①主要來源于高等植物的腐植煤②主要有低等生物形成的腐泥煤③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

2、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(jī)成分，其鑒別標(biāo)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(jī)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(tuán)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(jī)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(jī)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(jī)制

3、：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(gè)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(shí)現(xiàn)，是煤中有機(jī)質(zhì)生氣的主要機(jī)理。環(huán)縮合作用通過單個(gè)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(shí)現(xiàn)，是中~高級無煙煤階段芳香體系縮聚的主要機(jī)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(jī)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(jī)理

4、。二、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(shí)驗(yàn)條件下煤樣與周圍空氣達(dá)到濕度平衡時(shí)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(shí)驗(yàn)條件下煤樣達(dá)到空氣干燥狀態(tài)時(shí)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(diǎn)是具有嚴(yán)格的分子比，高溫下才能脫除。從地下水滲流的角

5、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(qiáng)結(jié)合水（吸著水）Pm>Pr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（100nm

6、的含量可通過氣、水相對滲透率實(shí)驗(yàn)來確定。實(shí)驗(yàn)表明，我國煤儲層束縛水飽和度隨煤級的增加而增大，同時(shí)也暗示隨著煤級增加，排水降壓難度增大。二、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?dú)狻⒅責(zé)N氣等。第二節(jié)主要內(nèi)容一、煤儲層孔隙—裂隙系統(tǒng)一般認(rèn)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(gè)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(rèn)識也不

7、統(tǒng)一，概括起來有以下三種：一是強(qiáng)調(diào)內(nèi)應(yīng)力作用，認(rèn)為割理是煤化作用過程中，由于垂向壓實(shí)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(qiáng)調(diào)外應(yīng)力作用，認(rèn)為割理的形成與古構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)；三是強(qiáng)調(diào)綜合作用，認(rèn)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。二、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(shí)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(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生，不受剪應(yīng)力作用，裂隙面粗糙；二是張性剪

8、裂隙，破裂時(shí)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(shí)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