煤层裂隙系统及其对煤层气产出的影响

宏裂隙
人为裂隙 :采动裂隙
天然裂隙 微外生裂隙
外生裂隙
构造裂隙 煤岩裂隙
内生裂隙
主内生裂隙 次内生裂隙
纹状裂隙
雁行状裂隙 阶梯状裂隙
树枝状裂隙 网 直络 缝状 状 裂 裂隙 隙
缝状裂隙
弯曲状裂隙 之字形裂隙
微裂隙
复合状裂隙:纹缝交接裂隙 微内生裂隙
图 1 煤层裂隙类型划分
为内生裂隙和外生 裂隙 。 内生 裂隙是在煤化 过程 中 , 凝胶化物质受温度和压力等因素影响 , 体积均匀 收缩产生内张力而形成的一种张裂隙 。 外生裂隙是 煤层形成后受构造应力的作用而产生的 。它们可以 从两个观察层次(即宏观和微观)进行研究 。 因此 , 可以将煤层裂隙分为宏裂隙和微裂隙两大类 , 前者 可直接用肉眼或放大镜观察 , 后者则需要利用光学 显微镜进行观察 。煤层裂隙类型划分综合如图 1 。
煤层裂隙的观察和研究虽已有百年历史 , 但由 于缺乏系统 、规范性研究 , 以至引起一些专用术语的 混乱 。 例如 , 英国采矿业习惯将煤中裂隙称为煤的 割理 , 各研究者的理解不同 。J .C .Close 将煤中的天 然裂隙或节理均称为割理 , 并认为割理常产生于镜 质组分层中 , 终结于镜质组分层及煤与非煤岩石的 交界处[ 1] 。王生维等(1995)指出煤基岩石中普遍发 育微裂隙 , 而且裂隙的发育远比内生裂隙广泛 。 内 生裂隙 仅发育于镜煤 或亮煤条带中[ 2] 。 关德 师等 (1995)指出 , 煤化作用使煤体产生内部裂隙 , 在煤体 局部也可由构造应力引起割理的形成(外生裂隙), 煤中有 大致相 互垂直 的两 组割 理 , 面 割理 和端 割 理[ 3] 。B .E .Law 认 为煤中割 理系统由 天然裂隙 构
参考文献 :
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一般均穿越煤层中不同的煤岩成分 , 有的也穿
过整个煤层或部分煤层 , 但一般不穿越煤层的顶 、底 板 。煤岩裂隙也是在古 构造应力场的 影响下形成 的 , 它们是与构造裂隙伴生的次级裂隙 。 该类裂隙 具有一定的方向性 , 通常可以分为主要煤岩裂隙组 和次要煤岩裂隙组两组发育方向 。 3 .4 内生裂隙
内生裂隙是煤层中的主要宏观裂隙系统 , 是影 响煤层渗透率和评价煤层气开发条件的关键地质参
数之一 。在我国 , 大多数学者将此类裂隙称为割理 , 而美国 、英国等国家的学者所称的割理 , 其含义更为 广泛 , 它们包括了构造应力所形成的外生裂隙 。 内 生裂隙是在煤化作用过程中 , 由于多种压实作用 、脱 水脱挥发分的收缩作用(不排除古构造应力场的影 响)等综合因素作用下所形成的系统裂隙 。内生裂 隙发育在镜煤条带中 , 有时在亮煤中也能见及 。 内 生裂隙不穿越不同类型的煤岩成分 , 常终结于镜煤 分层与非镜煤分层 、亮煤分层与非亮煤分层之间的 界面处 。 在煤层中一般发育有相互垂直的 、并与煤 层面直交或近于直交的两组内生裂隙 , 即主内生裂 隙(狭义的面割理)和次内生裂隙(狭义的端割理)。 在层面上可见主内生裂隙的走向延展较长 、发育较 好 。而次内生裂隙较短 , 且被主内生裂隙所截 , 并且 有多种组合类型[ 6] (图 2)。内生裂隙的高度一般与 界面分层或亮煤分层的厚度一致 , 在裂隙中有时存 在一些碳酸盐或硫酸盐的充填物 , 例如方解石 、黄铁 矿 、石膏等矿物质 。 3 .5 微外生裂隙
开放性裂隙的壁距越大 , 渗透性越好 。 但裂隙 中若充填有碳酸盐或硫酸盐类矿物 , 例如方解石 、黄 铁矿 、石膏等 , 则严重降低渗透率 , 甚至不具渗透性 。
裂隙的密度与连通性呈正相关 , 密度越大则连
通性越好 、渗透性也就越高 。 一般来说 , 平行于主内生裂隙方向的渗透率最
大 , 常常是次内生裂隙方向的数倍 , 甚至高出一个数 量级 。 4 .2 构造运动及现代应力是影响渗透性的外在因 素
外生裂隙是构造运动所产生的 , 它们的存在一 方面可以改善裂隙网络系统的连通性 , 尤其是垂向 连通性 , 从而提高煤层的渗透率 , 有利于煤层气的产 出 ;另一方面 , 构造运动也会破坏煤体结构 , 形成“构 造煤” , 而极大地破坏裂隙网络系统的连通性 , 严重 降低渗透率 。
现代应力场可以改造裂隙系统的开口度 , 在受 压情况下 , 现代应力场可能使主内生裂隙因受力而 封闭 , 从而堵塞煤层裂隙 网络系统中的主 要通道 。 虽然该煤层的渗透率方向在应力场影响下有可能会 与次内生裂隙方向一致 , 然而主通道被堵将严重降 低煤层的渗透性能 。
微外生裂隙的形成与古构造应力有关 , 是在煤 层形成后经某种古构造应力作用而产生的 。煤层的 物质组成和结构的非均质性 , 致使煤层在受力时产 生多种类型的微外生裂隙 。 其形态特点归纳如图 3 所示 。 其中 , 缝状类型发育较好 , 一般穿越不同的有 机显微组分 , 相对较宽 , 宽度大于 20μm ;而纹状裂隙 相对较窄 , 一般宽度为 1μm ～ 10μm , 也可穿过不同的 有机显微组分 。 3 .6 微内生裂隙
2 煤层的裂隙类型
煤层中的裂隙系统 , 除人为裂隙外 , 按成因可分
收稿日期 :2000-01-16 ;修订日期 :2000 -02 -10 ;编辑 :毕 葵森
作者简介 :曾勇(1945 —), 男 , 江西南城人 , 中国矿业大学 教 授 , 资源与环境学院院长 .
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煤层中的煤岩裂隙 、内生裂隙和微裂隙愈发育 , 则束缚水饱和度就愈低 , 气体相对渗透率就愈高 , 越 有利于煤层气的运移 、产出 。
内生裂隙之间的组合类型直接影响到裂隙间的 连通性(图 2):网络状裂隙组合连通性最好 , 在相同 条件下其渗透性相对最好 ;半网状属于中等 ;孤网状 连通性差 ;而孤立状连通性最差 , 其渗透性也相对最 差。
江苏地质 , 24(2), 91 — 94, 2000 文章编号 :1003-6474(2000)02-0091-04
煤层裂隙系统及其对煤层气产出的影响
曾 勇 , 屈永华 , 宋金宝
(中国矿业大学 , 江苏 徐州 221008)
成 , 形成了由近于正交的面割理和端割理组成的裂 隙系统[ 4] 。 张胜利等(1996)认为煤层割理是煤层中 普遍发育的系统裂隙 。 是煤化作用过 程中煤因水 分 、烃及其他气体生成而产生收缩内应力及高孔隙 流体应力使煤破裂而成的系统裂隙 。 煤层中一般均 发育两组相互垂直的割理 , 即面割理 、端割理[ 5] 。钱 凯等认为煤中裂隙即为割理(属于大孔), 割理的形 成是煤化作用的结果(内生裂隙), 局部也可由构造 应力引起(外生裂隙)[ 6] 。邵震杰 、任文忠等指出 , 依 据煤中裂隙形成的原因 , 可将其分为内生裂隙和外 生裂隙[ 7] 。而按英国采矿业的习惯 , 将煤中裂隙称 为割理 , 认为其形成是煤化作用过程的结果(内生裂 隙), 也可由构造应力引起(外生裂隙)[ 8] 。
3 煤层裂隙类型特点及成因
3 .1 采动裂隙 该裂隙是矿井煤层开采过程中因爆破 、井下施
工及割煤机械震动所产生的机械破坏裂隙 。 采动裂 隙可穿越各类煤岩类型 , 在煤剖面中观察 , 采动裂隙 的缝距较宽 , 并呈 V 字型 。 无规律 、无方向性 , 在井 下最易识别 。 3 .2 构造裂隙
煤层形成后受地质构造运动应力的影响而形成 的裂隙 。 构造裂隙不但穿越煤层的各种煤岩类型界 面 , 而且能穿透煤层夹矸 , 甚至穿越顶 、底板 。 其缝 宽要比采动裂隙小 , 并可能出现轻 微的位移现象 。 构造裂隙是煤层气运移 、逸散的主要通道 , 对烃类的 聚集保存会产生重大的影响 , 是评价煤层气资源量 的主要参数之一 。 3 .3 煤岩裂隙
源自文库
第 2 期 曾 勇等 煤层裂隙系统及其对 煤层气产出的影响
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图 2 内生 裂隙组合类型示意图(据樊明朱 , 1995, 有修改)
图 3 微外生裂隙分类及命名图
煤中也可发育有微内生裂隙 。
4 煤层裂隙系统对煤层气产出的影响
煤层气在煤储层中的主要通道是裂隙 网络系 统 。所以 , 裂隙网络系统渗透性的高低直接影响到 煤层气的产率 , 也是进行商业性开采评价的重要参 数之一 。 煤层网络系统的渗透性受多种因素影响 。 4 .1 煤层裂隙网络系统的发育程度是影响渗透性 的内在因素
微内生裂隙是煤中凝胶化的物质受温度和压力
等因素影响 , 其体积收缩产生内张力 , 或者是在成烃 演化中产生的气 、液产物所造成的内张力而形成的 。 它比微外生裂隙形成要早[ 9] 。 在煤层中 , 微内生裂 隙比宏内生裂隙更常见 , 一般均垂直于层面 , 多见于 光亮煤特别是镜煤线理中 , 在内生裂隙不发育的暗
从上面可以看出 , 美英等国家学者一般将煤层 中的天然裂隙含构造应力引起的外生裂隙均统称为 割理 。在我国 , 多数学者将煤层中裂隙分为内生裂 隙和外生裂隙 , 内生裂隙即割理 。同时 , 也有部分学 者将割理与节理等同 。 此外 , 在煤层中还存在微裂 隙 。可见 , 煤层中的裂隙系统是一个复杂的网络系 统 , 有必要进行系统分析和总结 。
摘要 :对中国煤层的裂隙系统进行了系统分类 ;阐述了各类 裂隙的 主要成 因并综 合分析 了煤层裂 隙系统 对储层 渗 透性和煤层气产出的影响 。 关键词 :煤层 ;裂隙系统 ;煤层气 ;渗透性 中图分类号 :P618.11 文献标识码 :A
1 引言
对于煤层气而言 , 煤是一种双孔隙的储层 。 它 既含有煤基质微孔隙系 统 , 又含有 裂隙网络系统 。 微孔隙系统是煤层气的储集空间 , 裂隙网络系统则 被水饱和 。 当储层压力降低时 , 煤储层中的气体从 煤基质微孔隙表面解吸 、扩散出来 , 并以渗透流动的 方式通过裂隙网络系统流入钻井 , 从而形成具有工 业开采潜势的煤层气气流 。可见 , 煤层气的主要运 移通道是煤层裂隙网络系统 。 煤层裂隙网络系统发 育的程度直接与煤储层高流体的产率密切相关 。 因 此 , 深入研究煤层裂隙网络系统不仅具有学术价值 , 而且在评价和预测煤层气是否具有商业开采价值时 具有重要的实际意义 。
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