煤储层及其基本物理性质

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：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。

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。

从地下水渗流的角度，按水的结构形态，分子引力（p m）与重力（p r）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）

P m>Pr 物理化学连接弱结合水（薄膜

水）

液态水重力水

Pm

自由水包括煤储层宏观裂缝、显微裂缝、大孔（直径d>1000nm）、中孔（100nm

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。

三、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，渗透率的各向异性明显，具有优势方位。

在煤层气开发过程中，煤储层所受的剪应力和有效全应力会发生变化，导致裂隙面产生剪切移动，裂隙宽度出现相应变化，诱导煤储层渗透率改变。

剪切程度可用下式计算：

As=1−(1−σN/p0)1.5

式中：As—被剪切掉的凸起体面积与裂隙总面积之比；

σN—裂隙面上的正应力

p0—煤岩单轴抗压强度

三、煤储层显微裂隙

显微裂隙是肉眼难以辨认的、必须借助显微镜或者扫描电镜才能观察的裂隙。显微裂隙往往局限于一个煤岩分层内，发育多组，方向零乱，是主要由流体压力、收缩应力等形成的内生裂纹，但也同样可见由外应力形成的构造裂隙。

显微裂隙的组合形态有矩形网络状、菱形网络状、三角形网络状、不规则网络状、树枝状、T形、X形、楔形、折线形等。

四、煤中孔隙

煤中孔隙是指煤基块中被固态物（有机质和矿物质）充填的空间，煤的孔径结构是研究煤层气赋状态、气—水介质与煤基质间相互作用及煤层气解吸—扩散—渗流的重要基础。

类型成因简述

原生孔胞腔孔成煤植物本身所具有的细胞结构孔

屑间孔镜屑体、惰屑体和壳屑体等碎屑状颗粒之间的孔隙

变质孔链间孔凝胶化物质在变质作用下缩聚而形成的链之间的孔隙气孔煤变质过程中由生气和聚气作用而形成的孔隙

外生孔角砾孔煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔隙碎粒孔煤受构造应力破坏而形成的碎粒之间的孔隙摩擦孔压应力作用下面与面之间因摩擦而形成的孔隙

矿物质孔铸模孔煤中矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的印坑溶蚀孔可溶性矿物长期在气、水作用下受溶蚀而形成的孔晶间孔矿物结晶粒之间的孔

测定煤的孔径结构有多种方法，常用的方法为汞侵入法和低温氮吸附法。

孔容和表面积是孔隙的重要特征，孔容即孔隙的体积。一般来说，煤级越高大孔和中孔比例减少，微孔比例增大。煤的孔隙结构直接影响到煤层气的富集和产出。大孔和中孔易于煤层气储集和运移，被称为气体容积型扩散孔隙；过度孔和微孔易于煤层气储集，但不利于煤层气运移，被称为气体分子型扩散孔隙。

煤的表面积包括外表面积和内表面积，外表面积所占的比例极小，贡献几乎全部来自内表面积。煤的内表面积用比表面积表征，单位为m2/g。煤的比表面积大小与煤的分子结构和孔径结构有关。

煤的孔隙率是煤中孔隙/裂隙体积与煤总体积之百分比，可采用密度法、煤油法、氦气法、二氧化碳法等进行测试，其大小与煤级和煤物质组成有关。