煤层气开发地质学理论与方法

第一章绪论

主要内容：

本章主要论述了煤层气开发地质学研究的目的与意义，以及煤层气勘探的开发的现状。

从多个方面分析了我国煤层气的储量、勘探、开发等情况，深入细致的描述了目前我国使用煤层气、利用煤层气的状况，同时也对未来我国煤层气开采的发展和利用做了一定的分析和研究。

第二章煤的物质组成及其基本物理化学性质

主要内容：

一、煤的物质组成

1、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殖煤；

②主要由低等生物形成的腐泥煤；③介于前两者之间的腐殖腐泥煤。

宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组成的单位，宏观煤岩组成是根据肉眼所观察到的煤的光泽、颜色、硬度、脆度、断口、形态等特征区分的煤岩成分及其组合类型。

（2）显微煤岩组成

显微煤岩组成包括有机显微组分和无机显微组分—矿物质。在光学显微镜下能够识别的煤的基本有机成分，称为有机显微组分，是由植物残体转变而来的显微组分。无机显微组分指显微镜下观察到的煤中矿物质。

2、煤中的水和气

（1）煤中的水

煤中的液相是指存在的水。煤中水存在于煤孔隙—裂隙中，其形态分为液态水、固态水

（2）煤中的气

煤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。

二、煤化作用及煤层气的形成

1、煤化作用

成煤作用是原始煤物质最终转化成煤的全部作用，它分成两个相继的阶段：从成煤原始物质的堆积，经生物化学作用直到泥炭的形成，称为泥炭化作用阶段；当泥炭形成后，由于沉积盆地的沉降，泥炭被埋藏于深处，在温度、压力增高等物理、化学作用下，形成褐煤、、烟煤、无烟煤和变无烟煤的过程，称为煤化作用阶段，包括成岩作用阶段和变质作用阶段。

2、煤化作用特点及煤化程度指标

（1）煤化作用特点

①增碳化趋势

②结构单一化趋势

③结构致密化和定向排列趋势（反光性增强）

④煤显微组分性质的均一性趋势

⑤煤化作用的不可逆性

⑥煤化作用发展的阶段性和非线性

（2）煤化程度指标

煤化程度指标简称煤化指标，又称煤级指标，不同煤化阶段中各种指标变化的显著性各不相同。随着煤化程度的增加，煤级指标有规律的变化。

3、煤层气的形成

（1）生物成因气（包括原生生物成因气和此生生物成因气）

生物成因气是有机质在微生物降解作用下的产物。指在相对低的温度（一般小于50℃）条件下，通过细菌的参与或作用，在煤层中生成的以甲烷为主并含少量其他成分的气体。

按照生气时间、母质及地质条件的不同，生物成因气有原生生物气和次生生物成因气两种类型。

（2）热成因气

热成因气是在温度（>50℃）和压力作用下，煤有机质发生一系列物理、化

学变化，煤中大量富含氢和氧的挥发分物质主要以CH

4、CO

2

和H

2

O的形式释放出

来。根据煤层气生气、储气和运移特征，热成因气可分为原生热成因气和次生热

成因气。

4、煤的基本物理化学性质

（1）煤的基本物理性质

与煤层气开发相关的基本物理性质主要有煤的密度、容重和比重、煤的孔隙度、煤的含水率和煤的软化性等，煤的物理性质是煤的化学组成和分子结构的外部表现，由煤化程度和煤岩组成所决定的。

①煤的容重（天然容重）是指单位体积煤所受的重力，或称干容重。煤的容重按照煤岩含水状况不同分为干容重、饱和容重和有效容重。

②煤的比重是指20℃时煤的重量与同温度、同体积水的重量之比。

煤的密度、容重和比重与煤岩成分、煤化程度及煤中矿物质的性质和含量有关。

③煤的软化性：煤侵水后强度降低的性质称为软化性，煤的软化性取决于煤岩煤质、煤化程度及孔隙—裂隙特征，当煤中含有较多亲水性和可溶性矿物。煤化程度低及裂隙发育时，软化性较强。

（2）煤的基本化学性质

煤的化学组成大致可分为有机质和无机质两大类，以有机质为主体。

煤中的有机质主要有碳、氢、氧、氮、硫等元素组成，是复杂的高分子化合物，是煤的主要组成部分，不同的煤，各种元素的含量和化学结构是不同的，造成了煤在物理性质和化学性质上的差异，并使煤在加工利用和煤层气储层改造过程中表现出不同的工艺性质和工程力学特性等。

煤中的无机质包括水分和矿物质，它降低了煤的质量和利用价值并影响煤储层的含气性，在煤的加工利用和煤层气开发过程中产生一定的影响。

第三章煤储层厚度及其预测技术

主要内容：

1、煤层的形成

煤是一种固态的可燃有机岩，凡是由动植物残骸等有机质形成的岩石都称为有机岩。煤是植物遗体经过复杂的生物、地球化学、物理化学等一系列作用转变而成的。

煤层是由泥炭层转化而来的，泥炭层的堆积主要取决于泥炭沼泽的水面和植物遗体堆积的沉积面（即泥炭层的上表面）两者之间的关系。泥炭沼泽水面和植物遗体堆积面保持均衡，即泥炭层堆积面不断增长和沼泽水面不断上升保持均衡，是泥炭层不断增厚的必要条件。

根据煤层中有无其他岩石夹层的存在，煤层可分为两类结构：不含夹层者称简单结构；反之称为复杂结构。煤层中的夹层亦称夹矸。常见的是黏土岩、炭质泥岩或粉砂岩，有时为石灰岩、硅质岩、油页岩、细砂岩甚至砾石。

2、煤厚变化的控制因素

煤储层厚度是指煤层顶板岩石之间的垂直距离。根据煤层结构，煤储层厚度可分为总厚度、有益厚度和可采厚度。煤层总厚度是顶底板之间各煤分层和夹层厚度的总和；有益厚度是指煤层顶底板之间各煤分层厚度的总和；可采厚度是指在现代经济技术条件下适于开采的煤储层厚度。

煤储层厚度的变化是多种多样的，但就其成因来说，可以分为原生变化和后生变化两大类。原生变化是指泥炭层堆积过程中，在形成煤层顶板岩层的沉积物覆盖以前，由于各种地质作用的影响而引起的煤层形态和厚度的变化；后生变化。是指泥炭层被新的沉积物覆盖以后或煤系形成之后，由于构造变动、岩浆侵入、河流剥蚀等地质作用引起的煤层形态和厚度的变化。

3、煤储层厚度稳定性评价步骤和方法

根据一些矿井对地壳不均衡沉降、古河流冲蚀和地质构造变动等原因引起的煤厚变化预测的方法，大致分为四个步骤：

①全面了解本井田所属煤田的成煤古地理环境、地质构造分布特征、煤系组成和含煤性变化的情况。

②深入调查包括勘探钻孔和采掘工程揭露的所有煤层出现厚度变化的地质特征，仔细判别变化原因。

③分析研究区内煤、岩层产状，构造形迹展布，煤层结构与夹矸层变化，顶底板岩性岩石相组合与分布，以及它们与煤储层厚度变化之间的关系。

④在系统整理资料的基础上编制预测图件。

煤储层厚度稳定性是煤层气开发的最基本地质条件。煤储层厚度稳定性，通常认为是三方面因素所决定：