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煤成气:是指煤层在煤化过程中所生成的天然气,不仅能在煤系中而且可以在煤系分布范围之外运移聚集,形成气田。煤层气:指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤空隙中或溶解于煤层水中的气体。煤层气勘探开发的意义:1、能源意义:煤层气是一种新型的洁净能源,其勘探开发可以弥补常规能源的不足。2、安全与减灾的意义:煤层气,严重的影响着我国的煤矿生产安全。在煤炭开采前预先进行煤层气抽采,有利于降低煤矿生产过程中的瓦斯灾害事故。3、环境意义:煤层气开发降低了煤炭开采中的瓦斯排放,从而降低了由此产生的温室效应。4、形成新型的支柱产业:煤层气的利用并不仅仅在民用方面,已广泛用于各种领域,如煤层气发电、汽车燃料、锅炉改造、工业用气、煤化工项目等。可以有利于衰老煤矿区转业,发展新型的相关产业,缓解转岗就业困难,成为新的经济增长点。5、巨大的经济意义煤层气成因包括有机成因气和无机成因气。有机成因气包括生物成因气、热成因气、混合气体。生物成因煤层气是指在微生物作用下,有机质(泥炭、煤等)部分转化为煤层气的过程。形成过程:生物气的形成过程包括一系列复杂的生物化学作用,这个过程的实质是通过微生物的作用,使复杂的不溶有机质在酶的作用下发酵变为可溶有机质,可溶有机质在产酸菌和产氢菌的作用下,变为挥发性有机酸、H2和CO2;H2和CO2在甲烷菌作用下最后生成CH4。生物气的形成应满足两个条件:⑴要有丰富的有机质提供产气的物质基础;⑵具备有利于甲烷菌繁殖的环境条件。研究表明:在厌氧环境、低SO42-、低温(通常在50℃以下)、高pH值、适宜的孔隙空间和快速沉积等条件下,生物气会大量形成。热成因气:煤在温度、压力作用下发生一系列物理、化学变化的同时,也生成大量的气态和液态物质。由于煤隶属III型干酪根,属于倾气性有机质,演化过程中形成的烃类以甲烷为主。基质块中所含的微孔隙称基质孔隙,基质孔隙为煤的基质块体单元中未被固态物质充填的空间,由孔隙和通道组成基质孔隙的分类:1、气孔:气孔是指煤化作用过程中气体的生成与逸出留下的痕迹,是煤体在较高的温度、压力条件下,处于近塑性状态,由其自身形成的气体作用的结果2、残留植物组织孔:是植物本身组织结构的继承。植物遗体在煤化学作用过程中部分细胞组织能被保留下来,如丝质体、结构镜质体的胞腔。3、次生孔隙:煤中矿物质,如黄铁矿、碳酸盐矿物和粘土矿物等,在地下水循环过程中可被溶蚀形成次生孔隙。也称作溶蚀孔4、晶间孔:指原生矿物或次生矿物晶粒间的孔隙5、原生粒间孔:指各种成煤物质颗粒间的孔隙。是成岩作用过程中煤物质颗粒经压实、脱水后仍保留下来的孔隙。基质孔隙度的影响因素:(1)煤化程度(2)显微组分的影响:不同的显微组分含不同类型和级别的孔隙,如镜质组中的基质镜质体,多含一些小孔或微孔。对残留植物组织孔而言多属中、大孔,如丝质体胞腔。(3)矿物含量的影响:矿物质对煤的孔隙产生两方面的影响:①它充填了一部分大、中孔隙,使孔隙总孔容下降;②矿物本身可能存在一些孔隙,如晶间孔,对煤的孔隙度有微弱贡献(4)煤体结构的影响:根据煤体的破坏程度,可将煤体分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、和糜棱煤。在构造应力或其他力作用下煤体将发生变形,煤体原生结构将遭到破坏,同时也改变了煤的空隙特征。总体上破坏程度越深,煤的空隙率和比表面积增加越大。(5)断裂的影响:断裂可使煤的孔隙度增加。距断裂越近,大中孔隙体积和总空容越大,而小孔和微孔体积变化不大。另外,张性断层使大中孔隙增多,压性断裂使煤的中孔增加。显微组分煤层结构煤级镜质组惰质组壳质组宽条带中细条带线理结构矿物质低微裂隙和原生孔隙原生植物组织孔隙一般无孔隙和裂隙原生植物孔隙、微裂隙原生植物孔隙为主原生孔隙和微裂隙均不发育中微裂隙发育,原生孔隙减少,次生孔隙出现与低煤级相似仅增加极少量的次生气孔微裂隙极发育,连通性改善微裂隙比较发育微裂隙发育高次生孔隙常见,原生孔隙发生充填和次生变化,微裂隙发育原生孔隙被充填,次生孔隙不发育孔隙性变差裂隙之间的连通性变差微裂隙发育。原生孔隙不发育,微裂隙发育充填植物孔隙和内生裂隙压汞法研究孔隙结构又称汞孔隙率法。是测定部分中孔和大孔孔径分布的方法。基本原理:汞对一般固体不润湿,欲使汞进入孔需施加外压,外压越大,汞能进入的孔半径越小。因此,测量不同外压下进入孔中汞的量即可知相应孔大小的孔体积。排驱压力(Pd):又称门槛压力,入口压力,进入压力。指压汞实验中汞开始大量注入岩样的压力,表示非润湿相开始注入岩样中最大连通喉道的毛细管压力。煤中裂隙的分类:(1)成因分类类组型规则网格状网状不规则网状面割理直线型孤立状S型割理(内生裂隙)端割理叠加型羽状网状树枝状锯齿状(追踪式)张性外生裂隙纵张裂隙叠瓦状阶梯状X型剪性外生裂隙桥构造张剪性外生裂隙压剪性外生裂隙辫状裂隙褶劈理外生裂隙劈理流劈理煤中裂隙继承性裂隙(3)力学性质分类:张性裂隙:张应力达到抗张强度而产生,不承受剪应力。裂隙走向垂直于张性的最小主应力σ3,裂隙面粗糙,不平直张性剪裂隙:破裂时裂隙面既承受张应力,又承受剪应力,裂隙走向与张性的最小主应力σ3近于垂直。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。(4近于直交,因而具有较高的渗透性,渗透率的方向性中等。不规则网状:小裂隙与微裂隙交织在一起,面裂隙与端裂隙都较发育。这种组合的渗透性中等,没有明显的各向异性。主要发育于低煤化烟煤中平行状:实际上是由于端裂隙不发育,只见面裂隙平行产出。(2)分级分类割理:割理一般呈相互垂直的两组出现,且与煤层层面垂直或高角度相交。割理中的一组连续性较强、延伸较远的称面割理;另一组仅局限于相邻两条面割理之间的、断续分布的称端割理。割理的成因:内张力作用、基质收缩作用、流体压力作用和构造应力作用割理和外生裂隙的区别割理外生裂隙1割理的力学性质以张性为主外生裂隙可以是张性、剪性及张剪性等。2割理在纵向上或横向上都不穿过不同的煤岩类型或界线,一般发育在镜煤和亮煤条带中,遇暗煤条带或丝质终止。外生裂隙不受煤岩类型的限制。3割理面垂直或近似垂直于层理面。外生裂隙面可以与层理面以任何角度相交。4割理面上无擦痕,一般比较平整。裂隙面上有擦痕、阶步、反阶步。5割理中充填方解石、褐铁矿及粘土,极少有碎煤粒。外生裂隙中除了方解石、褐铁矿、粘土外,还有碎煤粒。煤体结构的分类类型号类型赋存状态和分层特点光泽和层理煤体的破碎程度裂隙、揉皱发育程度手试强度I原生结构煤层状、似层状与上下分层整合接触煤岩类型界限清晰,原生条带状结构明显呈现较大的保持棱角状的块体,块体间无相对位移内、外生裂隙均可辨认,未见揉皱镜面捏不动或成厘米级块II碎裂煤层状、似层状透镜状,与上下分层呈整合接触煤岩类型界限清晰,原生条带结构断续可见呈现棱角状块体,但块间已有相对位移煤体被多组互相交切的裂隙切割,未见揉皱镜面可捻搓成厘米、毫米级或煤粉III碎粒煤透镜状、团块状,与上下分层呈构造不整合接触光泽暗淡,原生结构遭到破坏煤被揉捻碎,主要粒级在1mm以上构造镜面发育易捻搓成毫米级碎粒或煤粉IV糜棱煤透镜状、团块状,与上下分层呈构造不整合接触光泽暗淡,原生结构遭到破坏煤被揉搓捻碎得更小,主要粒级在1mm以下构造、揉皱镜面发育极易捻搓成粉末或粉尘绝对渗透率:单相流体充满整个孔隙、流体不与煤发生任何物理反应时,测出的渗透率称为绝对渗透率。有效渗透率:当储层中有多相流体共存时,煤对其中每一相流体的渗透率称为有效渗透率相对渗透率:是当储层中有多相流体共存时,每一相流体的有效渗透率与其绝对渗透率的比值渗透性的地质控制因素:地应力,埋藏深度,天然裂隙,煤体结构,储层压力,水文地质条件,流体介质毛管力、贾敏效应等煤的力学性质取决于煤的物质组成和煤级。韧性组分如稳定组分和矿物质含量较高、煤级高时,煤的机械强度相应增强。煤的力学性质还取决于水的饱和度,当水饱和度增加时,弹性模量和抗压强度均有不同程度降低,泊松比相应增高。原地应力是指煤储层没有受到任何人为扰动,处于原始状态的应力。井底压力是指煤层气井井底流体流动压力。排采过程中井底压力的测定常见的有两种,一是采用液面仪根据回声信号测定,一是采用井底压力计直接测定。地层压力:又称为地层孔隙压力,定义为作用于地层孔隙内流体(油、气、水)上的压力。煤层气储层压力是地层压力的一种,是指作用于煤孔隙、裂隙内的水和煤层气上的压力,亦称煤储层压力、煤层压力。如果储层压力超过了静水压力,则属于异常高地层压力(或称超压、高压低于静水压力,则称为异常低地层压力(或称欠压所谓的水动力封闭型,是指地下水或大气降水由露头区沿渗透性良好的煤储层(甚至包括与煤层有密切水力联系的高渗顶底板岩层)向盆地深部运移,当遇到渗透性差、致密的岩层、封闭性断层阻碍,或到达盆地深部,形成滞留时,导致煤储层流体压力的升高,从而形成高压异常。自封闭型异常高压煤层气储层实际上是一个孤立的、处于异常高压状态的煤体,类似于油气高压流体封存箱。物性封闭是指煤体在构造应力(或其它力,如重力)的作用下,破碎为渗透性极差的糜棱煤,这类储层内赋存的大量的煤层气无法与外界交换而形成高压异常。烃类生成引起的异常高压储层与常规油气异常高压封存箱性的形成机制相同。即垂向上和侧向上都存在封闭性边界,形成一个孤立的流体单元,且不与外界发生物质交换。在温度、压力的作用下,固态的有机质(煤)不断生产气态的烃类,使得流体体积不断膨胀,流体压力逐渐增高,从而形成高压异常。异常低压的形成实际上是因某种原因由正常压力或者异常高压(包括超压)转化而来的。造成压力降低的主要表现为:烃类的散失或地层演化过程中温度的降低,而使流体体积降低。煤体变形依次经历脆性变形、脆-韧性变形和韧性变形三个阶段。脆性变形脆-韧性变形韧性变形宏观断层,裂隙(包括节理)褶皱与断层共同发育,剪切带褶皱,鞘褶皱,布丁构造,S-C构造,碎屑流细观断层,裂隙剪切带鞘褶皱,碎屑流微观显微裂隙,微裂隙显微褶皱与显微断裂共生显微褶皱,柔皱,鞘褶皱,布丁构造,残斑,波状消光,S-C构造,似“变形纹”[91],流劈理脆性变形标志包括宏观断层、裂隙和显微裂隙、微裂隙脆-韧性变形阶段是脆性变形向韧性变形的过渡阶段。脆-韧性变形阶段兼有脆性和韧性变形的特征,表现为宏观上煤体仍保持整体的完整性,微观上可见许多微裂隙将煤体切割成各种形状的小单元块。或者在宏观或微观尺度下同时发育褶皱和裂隙。韧性变形,又称微观塑性变形,其外观形态特征是(煤体)整体上没有明显的破裂,内部物质发生相对运动和迁移。规模可大可小,大到按平方公里计的大型韧性剪切带和褶皱,小到手标本甚至显微尺度的褶皱。煤层在构造应力的作用下发生的应变比较显著,必将会对煤储层产生一定的影响像煤的晶体结构、煤阶、孔隙度、煤的吸附特性、煤的导电性等。从岩体力学角度定量描述煤岩体变形程度所需的地层参数主要有:煤层上下一定层段内的岩性组成及其厚度、各类岩性岩石的杨氏模量、泊松比、煤厚、煤体变形程度。地层参数的获取方法:①实验室测试②钻井和测井地质强度指标(GSI)是通过野外露头、井下巷道和岩心观测获取的,其确定取决于两个方面:①岩体结构的完整程度,即是节理,裂隙是否发育,发育程度如何。岩体结构可区分为六类:完整岩体、较完整岩体、角砾状岩体和碎粒状岩体、粉状岩体和鳞片状岩体,岩体强度依次降低。岩体表面裂隙、节理的质量状况:包括粗糙度和风化程度以及填充程度,即表面越粗糙,新鲜面风化程度越低,填充物越少,岩体的强度越大。对于低煤阶煤储层而言,煤层气运移产出的通道为基质孔隙和裂隙,中煤阶煤为割理和外生裂隙,高煤阶煤则以外生裂隙为主。原生结构煤和碎裂煤的割理、裂隙延伸长度大、连通性好,煤体残余强度大,便于强化作业,煤层气可在裂隙中形成渗流而被产出,是目前工艺技术条件下煤层气商业开发的主要对象。当破坏程度进一步加大,形成了碎粒煤和糜棱煤,尽管发育大量裂隙和劈理,但延伸短、相互切截,连通性差,同时煤体几乎没有残余强度,无法直接对煤层进行强化作业,煤层气难以在此类储层内形成渗流而产出,基本是以扩散方式运移。煤层气在煤层中的赋存状态比较一
本文标题:煤成气地质学考试重点
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