构造煤结构与储层物性

此可知，构造煤的变形有强有弱，弱变形只是煤体原生结构、构造在构造应力作用 下产 生大量张裂 隙或剪裂隙， 造成煤体切割破坏 而形成 的碎裂煤，当然化学成分和结构也可
发生较小 变化； 强变形 是在较高构造应 力或长期温压作用下煤体强烈 韧性剪切或流变，
可 以改变其化学成分和结构变化，而形成 的糜棱煤等。
Ｔｅ ｎ ｒｔｎ Ｗ ｒｈｐ Ｂ ／ Ｍ ｈａ ｈ６ Ｉｅａｏ ｌ ｋ ｏ ｏ ＣＭＣ ｉ ｉ ｍ ｎｉａ ｏ ｓ ｎ Ｍ ｎ ｔ Ｃｎ
构造煤结构与储层物性
据宜 侯泉林， 文， 姜 波，王桂梁， 方爱民 （ 国 中 科学院 研究生院，北京 １０ ９ ００ ４ 中国 矿业大学， 徐州 ２１０ ２０８ 中 国科学院 地质与地球物理 研究所， 北京 １０ ９ ００ ） ２ 摘 要：构造煤研究涉及到基础地 质理 论、 煤层气资源、 煤矿安全和环 境地学 等重 要领 域。本文以两淮 地区区 域地质与煤储层 地质为研究 背景， 讨了 探 构造谋形 成的 低、中、 高三 种变 质变形环 提出了 境， 一套既适 合于煤 层气开 发又 适合于煤与瓦 斯突出 防治的 结 构一成因 分类方 案，该方 案分 为三个变 形序列 十类 构造煤： 脆性变 形序列包 括碎裂煤、 碎斑煤、 碎粒煤和碎粉煤，片 状煤和薄片 煤； 韧性变 序列 形 为揉坡煤、 煤和韧性结 糜棱 构煤； 脆韧性过 渡型为 鳞片 煤；并分 别叙述了 不同 类型构造 煤的宏观 和微观变 形特征。 运用Ｘ射线衍射、 分辩透 高 射电 顺磁共振、 镜、 核磁共振以 傅立 及 叶红外光 谱等 现代技 术方法系 统研究了 不同 类型构 造煤的大 分子化学 结构特征； 用压汞法、 吸附 利 液氮 法和 扫描电 镜研究了 构造谋的孔隙 构特征； 结 采用平衡水条件下等 温吸附 解吸实 ／ 验与大 直径 构 造煤原 位样品室内 渗透率实 验研究了不同 类型构造煤的吸附一 性与渗透性特征。 解吸 首先建立了 构造煤微孔隙 结构自 类系 然分 统；在 Ｃ ４ 元气 Ｈ 或多 体吸附 解吸过 一 程中， 发 现变 形较强的 构造煤 Ｃ ４ Ｈ 等温吸附曲 线不 符合五种吸附曲线 类型， 且 Ｃ ４ 元气 并 Ｈ 或多 体吸附一 解吸具有不 可逆性。在此 塞础上，深 入探讨了 构造煤 结构演化及其与储层物性
入地探讨构造作用对微孔的影响，王涛等 （９４ １９）用液氮吸附法测试 了江西新华煤矿原
生结 构煤与构造 煤的孔隙 分布， 认为 构造作用己经影响到 １ ｍ的微 ０ ｎ 孔， 但尚 无影响到 小于 １ ｍ的超微孔， 且其研究过于简单。因 ０ ｎ 而 此， 构造煤纳米尺度 微结 构孔隙是一个
值得 研究的问 Ｇｎ ． ７； ｇ ５ ｇ９２Ｇｒ ｌ ａｉ２０）同时， 题（ａｅａ， ２Ｇｅ ａ ｉ，８； ａａ Ｙｌ ， ， ｔ ｌ９ ｒ ｎ ｎ １ １ ｇ ｄ ｔ ｎ ｇ ０１ ｉ ｄ ｎ ｄ 构
２０ 第六 ０６ 届国际 煤层气研讨会
示， 碳结 以 构为主的煤具 有较强的吸附性， 变形 构造 增强， 其吸附 性增强（ａｅａ， ； Ｃｏ ｌ２０ ｔ ００ ． Ｊ ｅａ， ａ ｕ ｌ２ ５，据宜文等， ０５。已 ｔ ０ ． ０ ２０） 有不少研究者利用压汞法 对比 测试了 不同 矿区、 不同 煤级的 原生 结构煤 与 构造煤的微米级孔隙 特征（ 佑安等，９０ 张井等，９６ 姚 王 １８； １９； 多 喜等， ９６ 。 １ ） 这些实 ９ 验证明，构 造煤 主要增加了中 孔和过渡孔的 孔容， 但不影响微 孔的 孔容。也就 是说， 层的构 煤 造变形没有影响到小于 ｌ ｍ的 ｏ ｎ 微观 尺度上。 为了 更深
温 吸附一 解吸实验与大直径构造煤原位样品室 内渗透率实验 研究 了不 同类型构造 煤的吸
附 解吸性和 一 渗透性特征（ａ ｅａ， ； ｔ ０５； 文等，２ ５。 （ ｎ ｔ ０４Ｊｅａ， ａ 据宜 Ｊ ｇ ｌ２０ ｕ ｌ２０ ｉ ． ． ０ ） 结果表明 ０ ： 首先建立构造煤微米 级和纳米级孔隙结构自 然分类系统 研究 ；以孔隙直 ２， ｎ ． 径 ０ ００ｍ ０ ５０ｎ ００ｍ和 １ ｎ ０ ｍ为界， ０ 将构 造煤微米级孔径结 构划分为超大 － ０ ｍ 、 （ 孔（ ２ ００ 大孔 ５ ０）
构、破坏物 理键 力的重要 因素 。 虽然应力和热力作用都可导致煤 结构中基本结构单元堆
砌度 （ｃ、延展 （ａ、芳 Ｌ） 度 Ｌ） 碳率 （）以 由基 ｆ 及自 浓度 （ｇ 增加， ａ Ｎ）的 但应力条件 下
形成的ＬＬ值明 Ｊ｝ 显小于热力条件下形成的ＬＬ值； ａＩ 而且随着 ／ 构造变形的增强，由 脆性 变形片 状煤的 微弱定向 及有序度差向 韧性 变形的局部定向、 烈定向以 体秩理化 强 致整 扩 展（ｂ ｌ， ； ｔ ０５ 。 Ｏ ｅｉ １ ２Ｊ ｅａ， ａ 引起煤大分 ｒ ９ ｕ ｌ２０ ） ｎ ９ ， ． 子结构参数的 变化原因 主要是 挤压或剪切 应力的作 用。 性变形和韧性变形皆 脆 能影响 到煤体内 部的大 分子结构， 生动力变质 而发
治重点解决 的难题 。 关键 词：构造煤 大分子结构 孔 隙结构 储层物性 煤层气勘探开发
引言 构造 煤与煤层气勘探开发、 煤矿瓦 斯突出以 及大气污染等皆 有密 切的 关系 （ｖｎ Ｅａ ｓ ａ Ｂｏｎ１７ Ｙａ， ； ， ； ０１ 姜 ｎ ｒ ， ； ｎ１８ Ｃｏ１ ９Ｌ ２０； 波等，０１据宜 ｄ ｗ ９３ ｕ ９５ ａ ９ ｉ ９ ， ２０ ； 文等， ０； 文， ２ ２ 据宜 ０ ２０； ｅ ａ， ４ Ｊ ｅ ａ ２０ａ。 ０３ Ｊ ｔ ２０； ｔ ０５） 研究表明，构 ｕ ｌ ０ ｕ ｌ ． ． ， 造变形影响到煤的大分子结 构 （ ｉｉ ａ １ ２ Ｃｏ ａ， ０ Ｊ， ３， Ｎｓ ｏ ， ； ｅ ｌ ２ ； ２０ 在某种程度上 ｈｋ ９ ９ ａ ｔ ０ ｕ ０ ） ． ０ 也能 提高 煤级 （ｅｈ ｔ Ｔｉ ｍｌ ｃ ｌｒ９７Ｆｗｅａ Ｇｙ ， ； ｅａ ２ ０Ｊ ｅａ ２０ ） 通过构造剪切作用， ｌ， ８； ｌ ｎ ａｅ １９ Ｃｏ ｌ ０ ； ｌ ０ ｃ。 ｅ１ ｏ ｒ ｄ ｒ ９ ａ ｔ ０ ｕ ． ９ ． ， ｔ ５ 可促进或加速石墨化的进行 （ ｉｓ ｌ１ ３Ｂｓ ｅａ， ） 构造变形 Ｗｌ ｅａ， ； ｔ ｔ １ ５。 ｋ ｔ ９ ｕｉ ｌ ９ ． ９ ｎ ． ９ 不同 程度 的改 变着煤的 物理结构和化学结 从而改变 构， 着煤的吸附 孔渗性。己 究成 性和 有研 果显
作用 ， 提高煤的变质程度 ； 不过， 韧性变形煤对 大分子结构的影响程度超过脆性变形煤， 其芳构化和 环缩合程度 明显提高 。 当然，不同应 力应变环境对不 同类型构造煤结构的影
响是不一 样的。 随着脆性变形的 增强， 碎裂煤、 斑煤至 从 碎 碎粒煤、 碎粉煤的 碎裂煤 类 以 及从片 状煤到 薄片 煤的 片状煤类， 煤的大 分子结构也在发生 变化。 随着构 造应力的 增 强， 尺寸 （ａ ｃ 不断增加， 微晶 Ｌ和Ｌ） 而芳香 层单层之间间 ｄ２ 距 ０ 则不断减小， 层 Ｎ ０ 微晶 和每一层所含苯 环数 ｎ 之增加， ＬＬ比 随 而 ｊｃ 值则相对减小， 脂族间 ｄ 不断 距 Ｔ 也 减小。 构造应力对不同 类型 韧性构造煤的 影响程 度不一： 揉皱煤大 分子结构变化 较小、 煤 糜棱 大分子结构变化 较大、 非均质结构煤中 大分子结 构变化也较 构造煤大分 大。 子结构的改 变主 要有如下三 种形 一是煤核内 式： 芳香环层片间的 滑移位错； 二是煤核间的 剪切滑移； 三是煤核内分子结构中 键能的 破坏与重新结合。煤大分子结构中这几种变形作用的叠 加， 成为煤体构造剪切的基 本过程， 也是煤 强烈变形的实质。 ５ 构造 煤储层物性 及其与 结构 的藕合 关系 利用压汞 液氮 法、 吸附 法和扫描电 镜研究了 构造煤的孔 隙特征； 用平 采 衡条件下 等
作用机理 。然而，构造煤是煤中构造 变形和 围岩岩 石力学性质等共同作用 的结果，由此
进一步 论述了 煤层断 层滑构造、 层、 煤层流变 和谋层韧性剪切带的变 征及形成机制。 形特 研究 认为 一定 ： 脆性变 形程度的片 状煤、 碎斑谋与碎裂煤以及 较弱韧 性变 形的揉皱 煤并 经 后期脆性变 形叠 加形成的构 造煤等 储层具有较好的煤层气 勘探开 发潜势， 变形程 而 度 较强的 脆韧性与 韧性构造谋如蜂片煤、 糜棱煤 等储层恰恰是瓦 斯抽采和煤与瓦 斯突出 防
造煤 制煤吸附能 力的 一 个重要因 素。 而且，构 造煤微孔隙的渗 透性与煤层气的赋存和开发 有极为 密切的关系。 构 造煤在变形过程中， 应力作用的性质、 由于 方式、强 度以 及变形环境的不同， 煤 的物理 性质、 化学结构和 化学成分都会呈 现出 有规律性的演化， 物性也随 储层 之发生重 大改变 Ｊｅａ， ａ 据宜文 （ ｔ ２０ ； ｕ ｌ ０５ ． 等， ０５ 此， ２０） 。因 深入进行构造作用、应变 环境、 构造 煤物理 化学结构 演化、 层物性及其作 储 用机理的 综合研究， 将会对复杂构 造区 煤层气资
源的寻找和评价、矿井煤与瓦斯突 出防治和 瓦斯抽放 以及环境问题提供理 论基础 ， 是 也 煤层气研究领域具有开创性 的工作。
２ 构造煤 的形成环 境及及其概 念的理解 本 矿区的 文以 两淮 构造煤及煤储层 地质为研究背景， 探讨了 构造煤储层 形成的 三种 变质变 形环境（ ｅａ， ａ据宜文 Ｊ ｔ ２０ ； ｕ ｌ ０５ ． 等， ０ ） ２ ５，即以 ０ 深成变质作用为基础的 低煤级变
Ｔｅ ｎ ｒ ｔ ａ ｏｓｏｏ Ｃ Ｍ Ｍ ｉ ｈａ ｈ ６ Ｉ ｎ ｉ ｌ ｈｐ Ｂ ／ Ｍ ｉ ＂ ｔ ａｎＷｒ ＇ ｏ ｅ ｋ ｎ Ｃ ｎ Ｃｎ 煤和一组裂隙发 育的 片状煤和薄片煤； 韧性变 形序列包括揉 皱煤、 糜棱煤和非 均质结构
煤， 脆韧过渡型则为鳞片煤。并分别叙述了不 同类型构造煤的宏观和微观变形特征。与
前人分类相比 脆性变 ， 形序列增加了 片状煤和 薄片 煤， 为 因 这类煤在结构与物 性特征上 与碎裂煤等明显不同： 韧性变形系 列煤中增加了非 均质结构 煤， 认为揉皱煤是 并 挤压或 剪切作用下形 成的， 糜棱煤是 而 在强烈韧性剪 切作用下形成的， 均质结构煤则在 非 蠕变 过程中 形成的； 此外， 增加了 脆韧过渡型， 并将鳞片煤， 归为该 类型。 ４ 构造 煤结构演 化与形成机 理 运用Ｘ射线衍射、 高分辨透射电 顺磁共振、 镜、 核磁共 振以及 傅立叶红外 光谱 等技 术方法系统研究了 不同 类型构造煤的大分子结 主要为 构〔 化学结构） 《ｕ ｌ２０ａ 特征 Ｊｅａ， ； ｔ ０４ ． Ｊ ｅａ ２０ｂ 踞宜文等， ０５ 研究认为： ｕ ｌ ０５； ｔ ． ， ２０） 。 温度是引起煤 大分子 结构演化、 煤级升高 的主导 因素（ａ ｅａ １８；秦勇，１ ４ Ｓ ｃ ｔ ９２ ｔｈ ｌ ． ， ９） ９ ，而定向 应力的 用也 作 是改变煤的大 分子结