煤层组成及孔裂结构

构造煤基本特征表 主 要 特 征 结构特征 裂隙特征 煤体破坏程 度 手试强度 原生结构 机构完整、明 显 内生、外生裂 隙均有 完 整 捻 不 动 碎裂煤 原生结构 可见 外生裂隙 发育 有相对位 移块体 可捻搓碎 粒 碎粒煤 糜棱煤
原生结构破坏 构造镜面发育 主要粒级在 1mm 以上 易捻搓成碎 粒或煤粉 主要粒级在 1mm 以下 易捻搓成煤 粉或煤尘
水溶气和水 游离气
吸附气
气体组分：CH4、 CO2、N2
第二节
煤储层的孔裂隙结构系统
孔隙 CH4 CH4 4 4
一、双孔隙与三元结构
O
显微裂隙 煤基质 面 裂 隙
O
端裂隙
H2o
2
H2o 煤基质
傅雪海等（1999）认为煤储层系由宏观裂隙、显微裂隙和孔 隙组成的三元孔、裂隙介质，孔隙是煤层气的主要储集场所， 宏观裂隙是煤层气运移的通道，而显微裂隙则是沟通孔隙与裂 隙的桥梁。
1
2
3 1—菌核体； 2—菌核体和菌孢体； 3—裂缝型似菌类体； 4—泡沫型似菌类体
4
⑹
惰屑体
特征：丝质体，半丝质体，菌类体碎片，1~10um， 菱角状，不规则状外形，轮廓清晰。 成因： ① 泥炭化阶段形成，真菌，放射菌氧化 ② 森林火灾，搬运沉积
③ 挤压破碎
4、矿物质
1）来源
① 原生矿物：生物体中带来， Ca、K、Mg、Na、 O、
⑸ 藻类体
腐泥煤，腐植、腐泥煤，油页岩中常见。 ① 结构藻类体 藻类群体，厚壁单细胞藻类
特征：水平切面上呈圆形，垂直切面上呈透镜状，扇
状、纺锤状，外形清晰，边缘呈锯齿状，表面 呈蜂窝状或海绵状、放射状，纹层状，云朵状 轮廓。 ② 层状藻类体
单细胞藻／薄壁浮游藻类／底栖藻类群体
特征：水平切面呈扁平的小浑圆体，垂直切面呈细
表现出来的特征。 宽条带状结构 条带宽>5mm
① 条带状结构
中条带状结构
细条带状结构
条带宽3-5mm
条带宽1-3mm
② ③ ④
线理状结构：煤岩成分呈<1mm的线理 透镜状结构：煤岩成分成透镜状 均一状结构：成分单一、均匀，镜煤、腐植腐泥煤
⑤ ⑥
粒状结构：大量孢子、树脂体、矿物杂质 叶片状结构：树皮或角质形成
③
④ ⑤
性脆，裂隙和微孔隙发育
O较高，Ｈ、挥发分中等，Ｃ较低，粘结，结焦性好 加氢液化时转化率较高
⑥
⑦
煤化过程生成少量油，较多甲烷气
在煤层中呈透镜状产生
结构镜质体 按细胞保存程度和形态特征划分 无结构镜质体 碎屑镜质体
（1）结构镜质体
保存有植物的细胞结构 ，胞壁、胞腔清晰可辨。
① 结构镜质体１
胞腔呈圆形，椭圆形，方形，纺锤形胞腔排列 整齐，胞壁不膨胀或稍有膨胀。
二、煤储层中的液相介质
煤储层中的液相介质包括裂隙、大孔隙中的自由 水（油）及其内表面与显微裂隙、微孔隙内表面、 芳香层缺陷内的“准液态”物质。 煤化学—外在水分、内在水分和化合水三部分。 煤层气—重力水、束缚水 平衡水—在30℃、相对湿度为96~97%条件下达到吸
湿平衡时的内在水分。
最高内在水分、临界含水量
③ 原生丝质体
特征：有些植物在生长过程中，能将黑色素沉淀 在细胞膜中。
1
2
3
4
5
6
1、2—火焚丝质体；3、5—氧化丝质体；4—半丝质体；6—丝质体
⑵ 半丝质体
丝炭作用，半透明，可见结构。 透射光：深棕色，黑棕色 反射光：灰白色，灰色
⑶ 粗粒体
无定形、无结构的凝胶状惰质组分，条带状、团块状 成因： ① 泥炭强烈氧化和干燥作用 ② 富脂类形成煤化丝质体 ③ 火焚泥炭
2）种类
粘土矿物：高岭石，蒙脱石、伊利石
碳酸盐矿物：方解石、白云石、铁白云石、菱铁矿
硫化物：黄铁矿、白铁矿、闪锌矿、方铅矿 氧化物、氢氧化物：石英、蛋白质、玉髓、金红石、 赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿 盐类：氯化物、芒硝、石膏、磷灰石
重矿物：锆石、电气石、石榴子石，金红石、橄榄石等
微量元素：Ag、As、Ｂ、Ge、Ｇa、Ｖ、Ｔi、Sr、Ni、Mo
质活动性强；含矿物质多，煤质差；含惰质组 多，成分结构不均一，氧化环境。
2、宏观煤岩类型
宏观煤岩类型 光亮煤 半亮煤 半暗煤 暗淡煤 光泽 光泽极强 光泽较强 光泽暗淡 光泽极暗 镜煤＋亮煤 >75% 75%--50% 50%—25 % <25%
（三）煤的结构与构造
1、煤的宏观结构
宏观煤岩成分的形态、大小、厚度、生物残体所
特征：
⑴ 丝质体
植物的根、茎、叶经丝碳化作用而成，在煤层 中呈薄层状，透镜状。 显微亚组分：火焚丝质体／氧化丝质体／原生丝质体
① 火焚丝质体
特征：细胞结构保存良好，细胞壁薄，胞间隙甚至 植物的年轮都能见到，性脆，呈星状、孤形 等碎片。
② 氧化丝质体
特征：细胞结构保存较好，细胞壁较厚，有时胞腔 大小不一，排列不很整齐。
5—高岭石；
6—分散状粘土矿物；
7—菱铁矿；
8—方解石脉（正交偏光）
1—充填胞腔的粘土矿物；2—团块状和细分散状粘土矿物； 3—结核状菱铁矿； 4—后生脉状方解石
5—充填胞腔的黄铁矿； 6—结核状黄铁矿； 7—团块状黄铁矿； 8—石英
（二）煤的宏观组成
1、煤岩成分
1）镜煤：乌黑，色深光强，成分均一，性脆，贝壳状断
菌核：由菌丝组成，形态、大小相差悬殊。
特征：出现于第三纪煤中，圆形椭圆形，具蜂窝状结构。
② 非真菌体（似菌类体）
特征：出现于晚古生代煤中，为丝炭化的树脂体或团 块状镜质体，多呈园形、卵形或不规则状，没 有细胞结构。
▲ 部分菌类体，透射光：棕色、黑棕色；反射光：灰白、
灰白色，可归入半镜质组、镜质组中。
② 结构镜质体２
胞壁膨胀，胞腔压扁呈短线状，胞腔变小， 大小不一，排列不规则
1
2
3 1、2—结构镜质体1； 3、4 —结构镜质体2
4
（2）无结构镜质体 显微镜下观察不到植物的细胞结构。 ① 均质镜质体：透镜状或条带状产出，轮廓清楚， 成分均一，不含杂质。 ② 基质镜质体：基质状，无固定形态，成分非均一， 可包裹其它组分，矿物质含量较多。 ③ 胶质镜质体：充填植物胞腔中，或其它空腔中沉淀 成凝胶，成分均一 ④ 团块镜质体：呈圆形或椭圆形，常呈个体或群体出现， 团块状，轮廓清晰，成分均一。
③ 腐泥煤、残植煤、油页岩中富集，密度低，重液 易分离 ④ Ｈ、Q、挥发分最高 液化 ⑤ 类型：孢子体 木栓体 渗透沥青质 炼焦 角质体 树脂体 生油 藻类体 沥青质体 壳屑体 荧光体
⑴ 孢子体
孢子体是孢子植物的繁殖器官，保存下来的是其外胞壁。 特征：闭合长环状，拐角圆滑，有时表面具有纹饰。 异孢植物，有雌雄之分 同孢植物，无雌雄之分。
⑷ 微粒体
特征：<1um的圆形小颗粒，微粒状、细分散，各向异性 成因： ① 壳质组、富氢镜质组排出液态沥青后的残渣； ② 泥炭阶段氧化丝质体、半丝质体碎片。
1
2
3 1—粗粒体；2—粗粒体；3—微粒体；4—微粒体
4
⑸ 菌类体
菌孢子：真菌的繁殖器官，形态多样。
① 真菌体 菌丝：真菌的营养器官，单细胞连接而成。
第三章
煤储层
组成及孔裂结构特征
第一节 煤储层的物质组成 第二节 煤储层的孔裂隙结构系统
第三节 煤储层裂隙发育的地质控制
第一节 煤储层的物质组成
煤储层系由煤基质块（被裂隙切割的最小基质单 元）、气、水（油）三相物质组成的三维地质体。其 中气组分具有三种相态，即：游离气（气态）、吸附
气（准液态）、吸收气（固溶体）；水（油）组分也 有三种形态，即：裂隙、大孔隙中的自由水、显微裂 隙、微孔隙和芳香层缺陷内的束缚水、与煤中矿物质 结合的化学水；煤基质块则由煤岩和矿物质组成。在 一定的压力、温度、电、磁场中各相组分处于动平衡 状态。
口，轮廓清晰，粘结性好，矿物杂质少，裂隙 发育，大多由结构镜质体，均质镜质体组成。
2）丝炭：外观像木炭，颜色黑灰色或浅灰色，纤维状结
构，丝绢光泽，疏松多孔，丝质体为主，质轻 者性脆，易污手，质重者，被矿物充填。
3）亮煤：表面隐约可见微细层理，光泽较强，结构不均一 4）暗煤：含壳质组多，灰黑色，韧性好，油脂光泽，水介
雌：大孢子
雄：小孢子
▲ 花粉：
种子植物的繁殖器 官，大小约为0.05 mm，与小孢子难 以分别。
⑵ 角质体
叶、叶柄、细茎、种子、果实上的一层透明薄 膜，不具有细胞结构。 特征：细长条状，一边平滑，一边呈锯齿状，拐角尖锐 薄壁角质体：厚5~20um
厚壁角质体：>50um
取决于植物种类、植物组织、生长环境
⑦ 木质状结构：植物茎干的木质纤维组织的痕迹 ⑧ 纤维状结构：为丝炭所特有，一向延长，保存木质 纤维组织结构，疏松多孔，细胞排列
2、煤的次生结构
构造应力下产生的宏观结构 ① 碎裂构造 碎块 >2cm
② 碎粒构造
③ 糜棱构造
粒度1cm
层理，煤岩成分看不见
1
2
3
4
1—原生结构煤；2—碎裂煤；3—碎粉煤；4—糜棱煤
⑶ 树脂体
植物分泌的产物：树脂、树胶、胶乳、脂肪、蜡质、琥珀
特征：边缘平滑，球形、卵形、纺锤形，充填于胞腔中，内
部均一，无细胞结构。 有机化学成分：萜烯体、异戊间二烯的缩聚。
⑷ 木栓质体
树皮中木栓组织转变而来。
特征：数层至十几层扁平的长方形木栓细胞所形成，
波浪状排列紧密，纵切面呈叠瓦状结构，横切面呈鳞片状 结构，荧光呈现褐黄色或暗褐色，荧光色不均匀。木栓化 细胞壁除纤维素和木质素外，还含有25-50%木栓体。
1
2
3 4 1—均质镜质体；2—基质镜质体；3—胶质镜质体；4—团块镜质体
（3）镜屑体
粒度小于10um，比较少见，泥炭阶段分解的植物或 腐植泥炭的碎屑，与基质镜质体在一起时不易区分，与 壳质组或惰质组在一起时，易于辨认。
3、壳质组（类脂组、稳定组）
① 透射光：黄色，少数为绿黄色，红橙色
② 反射光：深灰色，灰色、有突起，发黄色的荧光
三相介质
煤基质块
气（准液态）
水（油）
三元结构
宏观裂隙 显微裂隙 孔隙
一、 煤储层中的固相介质
（一）煤的显微组成
有机显微组分 无机显微组分
镜质组 惰质组 壳质组 矿物质
Vitrinite Inertinite Exinite
煤薄片
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
煤砖光片
粉煤光片
1、 镜质组
煤中含量在50~80%以上，强覆水、还原条件下经生 物地球化学凝胶化作用而形成。 ① ② 透射光下：橙红色、褐红色 反射光下：灰色、浅灰色，具有弱的荧光性
3、煤储层中的气相介质
煤储层中赋存的气相介质和由“准液态” 转化为气相介质的主要有CH4、N2、CO2、C2H6等。
表 3-2 甲烷在煤储层中赋存形态和分布（据 A.T 艾鲁尼） 赋存位置 裂隙、大孔和块体空间内 裂隙、大孔和块体内表面 显微裂隙和微孔隙 芳香层缺陷内 芳香碳晶体内 注：中煤级煤，埋深 800~1200 米 赋存形态 游离、 （水溶态） 吸附 吸附 替代式固溶体 填隙式固溶体 比例（%） 8~12（1~3） 5~12 75~80 1~5 5~12
成因：
① ② ③ ④
① ② ③ ④
植物遗体在缺水多氧的环境中，氧化而成。 森林火灾，植物不完全燃烧 C60 泥炭表层受真菌等微生物的腐解 强烈的煤化作用
透射光：不透明 反射光：亮白色，黄色或灰白色，无荧光，正突起 Ｃ高，Ｏ中等，Ｈ和挥发分低，热解不具有粘结性 显微组分：丝质体／半丝质体／粗粒体／微粒体 菌类体／惰屑体
薄层状，个体小，长宽比大，不易辨认。
1
2 3 1—藻类体（轮奇藻）；2—藻类体（皮拉藻）；3—藻类体
⑹ 沥青质体
类脂物质、藻类、浮游生物、细菌。
特征：无固定形态，基质状，线理状或细小透镜状产出。
随紫外线辐射时间加长，荧光性增强。
⑺ 渗出沥青体
次生煤岩组分：充填于孔隙／裂隙中 特征：母质为壳质组时，较强的荧光，为绿黄色、亮 黄色；母质为富氢镜质体时，较弱的荧光，呈 褐黄，褐色。煤生烃，排烃的证据，煤成油的 重质烃类富集物。
1
2 1—沥青质体，孢粉体；2、3—渗出沥青质体
3
⑻ 荧光质体
叶肉细胞中油或脂肪，果实中的油或脂肪，煤化 过程中的油或脂肪。 特征：呈小透镜状或粒状集合 体充填于细胞腔内或集
合成10-50um宽的薄层。
⑼ 壳屑体
特征： 各种壳质组分的碎屑 体，不易与黏土矿物 区分，但具有荧光性。
3、惰质组
在结焦过程中不软化，呈惰性。
Si、S、P、Ｆe、Ｃl等化合物，Ｔi、Ｂ、 Cu、 Mo、Zn、Co、V等微量元素。 ② 同生矿物：外源矿物——泥炭堆积时，搬运而来。 火山碎屑、粘土矿物、石英、长石、岩屑等。 内源矿物——化学或生物化学成因。 黄铁矿、菱铁矿、蛋白石、玉髓等。 ③ 后生矿物：埋藏演化中形成。 地下水活动、物理化学条件的变化形成： 方解石、石膏、黄铁矿、褐铁矿、高岭土、石英。 岩浆热液：石英、黄铁矿、闪锌矿、方铅矿等。