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<Pr 物理力学连接毛细水
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<d<1000nm）中的游离水。

束缚水包括强结合水、弱结合水和过滤孔（10nm<d<100nm）、微孔（d<10nm）中的毛细水，在煤储层中的含量可通过气、水相对渗透率实验来确定。

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。

第三节主要内容
一、煤的吸附理论
煤储层与常规天然气储层之间的根本区别，在于煤储层具有强烈的吸附性。

从物理化学上来看，所谓吸附，就是在物质在相界面上的过剩现象。

吸附过程存在两种情况。

第一种为物理吸附，在吸附过程中物质不改变原来的性质，吸附能小，被吸附的物质很容易再脱离（脱附或解吸）。

第二种为化学吸附，吸附过程中不仅有引力，还存在化学键力，吸附能较大，要逐出被吸附物质需要较高的外加能量，而且被吸附的物质即使被逐出，也往往已产生化学变化，不再是原来的物质。

煤层气主要以物理吸附方式存在于煤储层中。

吸附的结果是在煤孔隙表面形成了由吸附物质构成的“吸附层”，大量实验证明，煤对气体的吸附是可逆的。

物理吸附释放的热量很低，一般只有2.09~20.92J/mol；化学吸附释放的热量较高，可达到20.92~41.84J/mol。

重要的方程：
朗缪尔吸附等温方程表述为：
θ=V/Vm=bp/(1+bp) 或 V=bpVm/(1+bp)=abp/(1+bp)=V L p/(p+p L)
式中θ—煤孔隙表面被气体分子覆盖的百分数，称为覆盖度；
V
L
，Vm，a—煤孔隙表面覆盖单分子层时的吸附量，即最大吸附量，
其中V
L
通常称为朗缪尔体积；
b—吸附系数，是温度和吸附热的函数；
V—气体压力为p时的吸附量；
p
L
—朗缪尔压力（等于1/b）。

温度升高，b值减小或值增大，故吸附
量随温度的升高而降低。

二、煤对纯气体的吸附特征
不同纯气体组分的吸附能力，主要取决于气体分子与煤分子之间的作用力，这种作用力与各种吸附质的沸点有关。

沸点高，则吸附能力强。

煤层气中几种常
见组分的相对吸附能力是：N
2<CH
4
<C
2
H
6
<CO
2
<C
3
H
8
<H
2
O。

水分含量对煤的吸附能力有
显著影响，抑制了煤对气体的吸附，降低了吸附能力。

三、影响煤吸附性的地质因素
1、地球物理因素
煤储层压力受煤层埋藏深度、构造应力场、地温场、地下流体系统等的综合影响。

在其他因素相同的前提下，煤储层压力增大，煤对甲烷的吸附量随之升高，但不同压力区间的增加幅度有所不同。

地温场温度是地球物理场的构成要素之一，温度提供的能量使吸附气活化，温度越高，越有利于煤层气解吸。

从另一方面看，温度升高，煤的最大吸附能力减弱。

煤层埋深主要受控于地壳的抬升与沉降，其对煤吸附能力的影响实质上是温度和压力的间接反映。

正常情况下，煤层埋深增大，储层压力和储层温度均有增加。

当温度的负效应等于正压力效应时，煤层含气量不再随深度的增大而增大，这一埋藏深度称为“临界深度”。

不同地质条件下，临界深度变化较大，但一般变化与-1200～-2000m之间。

2、煤质煤岩因素
煤的物质组成是影响其吸附性的另一个因素。

矿物质对煤层气没有吸力，故煤中矿物质含量增高，其吸附性降低。

第四节主要内容：
一、岩石力学参数
1、煤岩的力学强度
煤岩的力学强度包括抗压强度、抗张强度和抗剪强度。

煤岩样在单向受压条件下整体破坏时的压力，称为单轴抗压强度，它是岩石力学试验中最基本的指标之一，在一定程度上间接反映出煤储层的破裂强度。

岩石抗拉强度时岩样受拉伸达到破坏时的极限应力。

如果将拉伸外力作用点由拉伸试样两端等效到试样中间进行挤张，就可将抗拉强度视为抗张强度。

作为最大主应力理论的关键指标，煤岩的抗张强度时最适合于计算煤层破裂压力的直接参数。

抗剪强度是莫尔强度理论的重要指标，也是计算破裂压力的重要参数。

2、弹性模量及相关系数
弹性模量是材料在弹性范围内应力与应变的比值，在力学上反映材料的坚固性。

煤岩弹性模量对煤层压裂裂缝发育影响极大，裂缝的宽度与弹性模量成反比关系，是计算裂缝尺寸的直接参数之一。

二、地应力与有效应力
地应力是存在于地壳中的内应力，由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成。

重力应力一般称为大地静应力，指由上覆岩层的质量所产生的垂向应力或者其引起的水平应力分量。

构造应力的定义视研究角度不同而异，煤储层应力场中的构造应力,常指由于构造运动引起的地应力增量。

孔隙压力和有效应力，一部分由储层孔隙、裂隙中的流体承受（孔隙压力），一部分是由煤基质承受（有效应力）。

热应力是由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量，主要与温度变化和煤岩体热力学性质有关。

残余应力是指除去外力作用之后，尚残存在地层岩石中的应力，在煤储层很小，通常忽略不计。

地面煤层气开发所关注的主要是水平有效应力，它由重力水平应力分量、构造应力、孔隙压力、热应力及收缩应力等耦合而合成。

三、不同煤级煤岩体的力学特征
原位煤层的力学性质，取决于煤的物质组成、煤化程度、水分和气体含量、围压大小等。

煤岩体力学特征对压裂效果会产生明显影响。

当煤的抗拉强度明显低于围岩时，在原地应力相近的条件下，破裂煤层的压力低于围岩；煤弹性模量低于砂岩，与泥岩相当，在压裂作用下裂缝宽度变化大。

煤的抗拉强度一般远低于围岩，对控制缝高有利，压裂时水平缝至垂直缝的转变深度更浅。

地层条件下，煤层是一种由煤基质—气—水组成的三相介质，单轴力学实验不能反映其原位力学性质，必须开展多相介质三轴煤岩力学特性研究。

弹性模量和抗压强度具有较好的一致性，抗压强度大的煤样，其弹性模量也大。