煤储层及其基本物理性质

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1、第二章煤储层及其基本物理性质煤储层是指在地层条件下储集煤层气的煤层。煤储层具有双重孔隙介质、渗透性较低、孔隙比表面积较大、吸附能力极强、储气能力大等特点。第一节主要内容：煤储层是由固态、气态、液态三相物质所构成。固态物质：是煤基质液态物质：一般是煤层中的水（有时也含有液态烃类物质）气态物质：即煤层气一、煤储层固态物质组成：1、宏观煤岩组成煤是一种有机岩类，包括三种成因类型：①主要来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介于前两者之间的腐植腐泥煤（自然界中以腐植煤为主，也是煤层气赋集的主要煤储

2、层类型）2、显微煤岩组成显微煤岩组成包括显微组分和矿物质。显微组分是在光学显微镜下能够识别的煤的基本有机成分，其鉴别标志包括：颜色，突起，反射力，光学各向异性，结构，形态等。矿物质是煤及煤储层中含有数量不等的无机成分，主要为黏土类和硫化类矿物，其次为碳酸盐类、氧化硅类矿物以颗粒状。团块状散布于煤中，常见显微条带状产出的黏土矿物。3、煤的大分子结构煤中有机质大分子结构基本结构单元（BSU）的骨架结构由缩合芳香体系组成，其基本化学结构为芳香环。煤中有机质大分子结构基本结构单元的缩聚过程主要起源于三种反应机制

3、：芳构化作用、环缩合作用和拼叠作用。芳构化作用是指：非芳香化合物经由脱氢生成芳香化合物的作用，可通过碳数不低于六个的链烃的闭环、五圆或六圆脂环和杂环的脱氢等方式实现，是煤中有机质生气的主要机理。环缩合作用通过单个芳香环间联结、稠环芳香分子间或分子内联结、自由基分子间重新结合等方式得以实现，是中~高级无烟煤阶段芳香体系缩聚的主要机理。拼叠作用是指基本结构单元之间相互联结而使煤中有机质化学结构短程有序化范围（有序畴）增大的作用，与自由基反应密切相关，是高级无烟煤阶段基本结构单元增大和秩理化程度增高的主要机理

4、。二、煤储层液态物质组成煤储层中液态物质包括裂隙、大孔隙中的自由水（油）及煤基质中的束缚水。在煤化学中，将煤中水划分为三类，即外在水分、内在水分和化合水。外在水分是指在实验条件下煤样与周围空气达到湿度平衡时失去的水，来自于煤粒表面裂隙（非孔隙）中的水分，又称表面水。内在水分是指在实验条件下煤样达到空气干燥状态时残留在煤中的水分，以物理方式与煤结合，含量多少取决于煤的内表面积、芳香缺陷及吸附能力。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，高温下才能脱除。从地下水渗流的角

5、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，可将煤层中的水划分为结合水和液态水。岩层中的水分类类型结构形态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Pm1000nm）、中孔（100nm

6、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，同时也暗示随着煤级增加，排水降压难度增大。二、煤储层气态物质组成煤储层中赋存的气态物质就是煤层气，主要化学组分为甲烷、二氧化碳、氮气、重烃气等。第二节主要内容一、煤储层孔隙—裂隙系统一般认为，煤储层具有由孔隙、裂隙组成的双重孔隙结构。煤储层中天然裂隙在国外被称为割理。在整个煤层中连续分布的割理称为面割理，终止于面割理或与面割理交叉的不连续割理称为端割理，两种割理通常相互垂直或近似直交。目前对煤层割理成因的认识也不

7、统一，概括起来有以下三种：一是强调内应力作用，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，即传统意义上的内生裂隙；二是强调外应力作用，认为割理的形成与古构造应力有关；三是强调综合作用，认为割理是煤化作用、构造应力等因素综合作用的结果。二、煤储层宏观裂隙根据规模、形态、成因等特征，可将煤储层中宏观裂隙划分为四级，包括大裂隙、中裂隙、小裂隙和微裂隙。根据裂面形成时的受力状态，可将宏观裂隙分成三类：一是张性裂隙，张应力超过煤岩抗张强度时产生，不受剪应力作用，裂隙面粗糙；二是张性剪

8、裂隙，破裂时裂隙面既承受张应力，又承受剪应力；三是压性剪裂隙，破裂时裂隙面既承受压应力，又承受较大的剪应力，裂隙面平直光滑。煤储层中裂隙一般具有三种组合形式：一是矩形网状裂隙，主要为小裂隙，面裂隙与端裂隙近于直交，具有较高的渗透性，渗透率各向异性中等：二是不规则网状裂隙，小裂隙与微裂隙交织在一起，面裂隙与端裂隙都比较发育，渗透性中等，各向异性不甚明显，主要发育于低化烟煤中；三是平行状裂隙，端裂隙不发育，只见面裂隙平行产出，一般是局部现象，渗