煤的裂隙

煤的裂隙
裂隙的定义
• 裂隙：裂开的缝 • 地质地貌学：裂隙是断裂构造的一种，通常把岩 体中产生的无明显位移的裂缝叫做裂隙。 • 水文地质学：裂隙是指固结的坚硬岩石（沉积岩， 岩浆岩和变质岩）在各种应力作用下破裂变形而 产生的空隙. • 煤层气地质学：煤中自然形成的裂缝称为裂隙， 往往呈多组出现，组成多个裂隙体系，裂隙对煤 层气的运移和产出起决定作用。
割理的成因
• 关于煤中裂隙的成因，关键是割理的成因机理探 讨，外生裂隙与继承性裂隙基本上是构造应力作 用的结果。 • 割理的成因与煤化作用、煤岩组分、流体的生成 以及构造应力等关系密切。 • (1) 割理密度与煤阶、煤岩组分的关系 • 第一种关系：在1963 年Ammosov 与Eremin指出 割理密度从褐煤到中挥发分烟煤逐渐增加，然后 向无烟煤又逐渐降低，割理密度随煤阶增高呈偏 正态分布
剪性外生裂 隙
叠瓦状 阶梯状 X型 桥构造
张剪性外生 裂隙 压剪性外生 裂隙 劈理 辫状构造 褶劈理 流劈理
继承性裂隙
(1) 割理
• 割理：割理等同于内生裂隙 • 割理是指煤中天然存在的裂隙，一般呈相 互垂直的两组出现，且与煤层层面垂直或 高角度相交。 • 面割理：割理中的一组连续性较强、延伸 较远的，是煤层气渗透的主要通道 • 端割理：煤中一组次要割理。发育在两条 面割理之间，其延伸受面割理的制约
割理
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割理的力学性质以张性为 主 割理在纵向上或横向上都 不穿过不同的煤岩类 型或界限 割理面上无擦痕，一般比 较平整 割理面垂直或近垂直与层 理面 割理中充填方解石、褐铁 矿及粘土，极少有碎 煤粒
外生裂隙
外生裂隙可以是张性、剪性及张 剪性 外生裂隙不受煤岩类型的限制
裂隙面上有擦痕 外生裂隙面可以与层理面以任何 角度相交 外生裂隙中除了方解石、褐铁矿 及粘土外，还有碎煤粒
• 内张力作用：在泥炭化作用和煤化作用过 程中，由于植物遗体在微生物、温度、压 力的作用现要发生凝胶化作用，变成塑性、 半塑性的物质，并且伴随着大量流体的生 成。随着流体的生成与产出，煤基质发生 收缩产生内张力，形成不规则的网状割理， 类似于熔岩冷却和泥裂产生的裂隙。此类 割理多发生在煤化作用的早期阶段。
• 对煤层气井排采至关重要的是外生裂隙， 特别是高煤阶无烟煤，外生裂隙是煤层气 井产能的主要贡献者，无烟煤储层更是如 此。
(3) 继承性裂隙
• 继承性裂隙实际上是先期形成割理的再改造， 按其性质可分为内生继承和外生继承两种。 • 内生继承：晚期形成的割理与早期割理的方 向一致，沿早期的面割理或端割理发育，但 仍局限在光亮煤分层内，属割理范畴 • 外生继承：割理形成后，如果构造应力场的 方向不变，割理受逐渐增强的构造应力场的 作用，沿原来的产状扩展、延伸，并穿过丝 质体或暗煤分层，过渡为外生裂隙

煤中割理的分类
a———规则网状割理，面割理和端割理将煤体切割成立方体基质块 b———不规则网状割理，无法区分面割理与端割理 c———直线型断续、连续割理，仅发育一组面割理 d——— s型割理，仅发育一组断续展布的张性面割理 e———多期叠加型，反映两期构造应力场的作用结果
割理和外生裂成与煤化 作用的中期阶段、烃类大量生成时刻。流 体压力与构造应力的耦合决定了割理的发 育程度和延伸方向。 • 构造应力：煤作为一种低杨氏模量、高泊 松比的特殊沉积岩石，在微弱的构造应力 作用下即可发生相对强烈的变形。因此， 叠加在内张力和流体压力之上的构造应力 场决定了煤中割理的几何形态。
• 割理密度除了受煤阶控制外，还受煤岩组 分厚度的控制。如前所述，割理一般发育 在镜煤和亮煤中，割理密度与这两种光亮 型组分的厚度密切相关。光亮型组分的厚 度越大，割理密度越小，但当组分厚度小 于2 mm 时，密度不再变化。
• （2）割理的矿化作用 • 割理的矿化是指煤化作用，甚至后生作用 过程中，割理被矿物质充填形成脉体。割 理的充填直接影响其导流能力和储层的强 化，因此为人们所普遍关注。割理多数情 况下是被方解石充填，其次为黄铁矿、石 英以及其它一些自生或后生矿物。 • 煤中裂隙如果被矿物质充填形成脉，则储 层渗透性降低。
e多期叠加型反映两期构造应力场的作用结果割理和外生裂隙的区别割理在纵向上或横向上都不穿过不同的煤岩类型或界限外生裂隙不受煤岩类型的限制割理面上无擦痕一般比较平整裂隙面上有擦痕外生裂隙面可以与层理面以任何角度相交割理中充填方解石褐铁矿及粘土极少有碎外生裂隙中除了方解石褐铁矿及粘土外还有碎煤粒外生裂隙外生裂隙外生裂隙是构造应力作用的产物据成根据其形成力学性质可区分为剪性外生裂隙张性外生裂隙和劈理
• 图2.21 I1中面割理沿最大主应力场方向延伸，端割理则沿最小主应力场影响延 伸，从而形成规则的网状割理。当构造应力场各向同性或较弱时，形成不规 则网状割理（图2.21中I2 ）。如果主应力差较大，则形成线性连续或孤立状割 理（II1）。剪切应力作用下形成S型割理 (II2)。多期构造应力场作用下形成复 杂的割理类型（III）。
第二种关系：Laubach 指出割理密度从褐煤到 低挥发分烟煤（Ro<1.5%）呈逐渐增加趋势， 之后随煤阶进一步增高保持稳定。
• 第三种关系：割理密度随煤阶升高而增加， 在Ro,max=1.3%时达到极大值，而后在 Ro,max=1.3% to 4%之间缓慢降低，当 Ro,max 超过4%后割理密度不再变化。
煤中裂隙的分类
• 煤中裂隙的分类一般从成因和形态两方面入 手，根据成因将煤中裂隙区分出4 类；根据成 因和形态细分为9 个组；最后根据形态与组合 关系区分为17 型.
煤中裂 隙
类
割理（内生 裂隙）
组
面割理 网状
型
规则网格状 不规则网状 孤立状 直线型 S型 叠加型
端割理
外生裂隙
张性外生裂 隙
羽状 网状 树枝状 锯齿状（跟踪式） 纵张裂隙
• （3）割理的成因 • 迄今为止关于割理的成因有几种假说：内 张力作用、基质收缩作用、流体压力作用 和构造应力作用等。实际上割理的形成是 其自身性质和外部环境共同作用的结果。 前者包括煤岩组成、煤化作用以及煤化作 用过程中形成的流体；后者包括构造应力 与地下水动力条件等。不同地质背景下煤 中割理的形成机制不同，可区分为三种情 形。
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煤中外生裂隙类型 a-X型剪性裂隙 b-剪切形成的桥构造 c-剪性裂隙以及与之 共生的张性裂隙 d-张性裂隙 e-追踪式裂 隙 f-同期形成的剪性裂 隙和张性裂隙 g-褶皱轴部的纵张裂 隙 h-脆韧性变形形成的 褶劈理 i-韧性变形形成的流 劈理 J-右旋应力场下形成 的剪性裂隙和与之垂 直的张性裂隙 K-挤压剪切形成的叠 瓦状逆冲裂隙 l-S-C构造,S面理和C 面理将煤体切割成透 镜体，
(2) 外生裂隙
• 外生裂隙是构造应力作用的产物，据成根据其形成 力学性质可区分为剪性外生裂隙、张性外生裂隙和 劈理。此外还有一些过度类型，如张剪和压剪性质 的外生裂隙。 • 由于外生裂隙可以以任何角度与煤层层面相交，因 此可以根据外生裂隙与层面的关系将其分成三类： • 水平裂隙：与层面平行的裂隙，包括原生沉积的层 面裂隙（或称成岩裂隙）及构造作用产生的层间裂 隙。 • 垂直裂隙：与层面垂直的裂隙。 • 斜交裂隙：与层面有一定角度的裂隙。