第四章2

11瓦瓦斯斯地地质质学学主讲主讲11魏国营魏国营教授教授主讲主讲22贾天让贾天让讲师讲师2第一节煤层瓦斯地球化学特征第二节煤层瓦斯赋存与瓦斯吸附解吸特征第三节煤层瓦斯含量及其影响因素第四节煤层瓦斯垂向分带第五节煤储层压力特征第六节煤层孔隙与裂隙特征第七节煤储层渗透性特征第八节煤储层瓦斯流动规律第四章煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征23一、瓦斯垂向四带第四节第四节煤层瓦斯垂向分带煤层瓦斯垂向分带瓦斯风化带瓦斯带4表4-4按瓦斯成分划分瓦斯带标准20～800～200～200～1020～8080～10020～800～200～100～2020～8080～100二氧化碳－氮气带氮气带氮气－甲烷带甲烷带CO2N2CH4组分含量（%）瓦斯带名称35二、瓦斯风化带下界确定指标①瓦斯压力P=0.1～0.15MPa（1～1.5kg/cm2）；②瓦斯组分CH4≥80%（体积百分数）；③相对瓦斯涌出量大于2m3/t。④煤层瓦斯含量（x）气煤x=1.5～2.0m3/t（燃）肥煤与焦煤x=2.0～2.5m3/t（燃）瘦煤x=2.5～3.0m3/t（燃）贫煤x=3.0～4.0m3/t（燃）无烟煤x=5.0～7.0m3/t（燃）6三、瓦斯风化带深度存在差异性的原因瓦斯风化带深度存在差异性的主要原因在于：化学风化作用和水的循环通常是沿着煤层及其围岩渗透性较大的部分进行，它们对瓦斯的循环运移具有重要影响。这种现象不仅在不同煤田有很大差别，即使在同一煤层、同一深度，瓦斯风化程度往往也不尽相同，以致于各瓦斯带之间的界限呈犬牙交错状。47第一节煤层瓦斯地球化学特征第二节煤层瓦斯赋存与瓦斯吸附解吸特征第三节煤层瓦斯含量及其影响因素第四节煤层瓦斯垂向分带第五节煤储层压力特征第六节煤层孔隙与裂隙特征第七节煤储层渗透性特征第八节煤储层瓦斯流动规律第四章煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征8一、煤储层压力一、煤储层压力煤储层压力，是指作用于煤孔隙和裂隙空间上的流体压力（包括水压和气压），故又称为孔隙流体压力，相当于常规油气储层中的油层压力或气层压力。煤储层流体受到三个方面力的作用，包括上覆岩层静压力、静水柱压力和构造应力。第五节第五节煤储层压力特征煤储层压力特征5（1）当煤层渗透性较好并与地下水连通时，孔隙流体所承受的压力为连通孔道中的静水柱压力，即煤储层压力等于静水压力；（2）若煤储层被不渗透地层所包围，由于储层流体被封闭而不能自由流动，储层孔隙流体压力与上覆岩层压力保持平衡，此时，储层压力等于上覆岩层压力；（3）在煤层渗透性很差且与地下水连通性较差的条件下，由于岩性不均而形成局部半封闭状态，则上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基质块共同承担，此时，煤储层压力小于上覆岩层压力而大于静水压力。即：(4-13)式（4-13）中，σv—上覆岩层压力，MPa；p—煤储层压力，MPa；σ—煤层骨架应力，MPa。σσ+=pv10二、压力状态为了对比不同地区或不同储层的压力特征，实践中通常是根据储层压力与静水柱压力之间的相对关系来确定储层的压力状态，采用的参数为储层压力梯度或压力系数。1.储层压力梯度是指单位垂深内的储层压力增加，常用井底压力除以从地表到测井井段终点深度而得出，用kPa/m或MPa/100m表示。表4-6煤储层瓦斯压力类型（据张新民等，2002）高压正常低压储存压力类型10.09.5~10.09.5压力梯度/(kPa/m)6112.压力系数定义为实测地层压力与同深度静水柱压力之比值，石油天然气地质中常用该参数表示储层压力的性质和大小。当压力系数等于1时，储层压力与静水柱压力相等，储层压力正常；当压力系数大于1时，储层压力高于静水压力，称为高异常压力；如果储层压力远远大于静水柱压力，则称超压异常；若压力系数小于1，储层压力低于静水柱压力时，称低异常压力。12三、煤储层压力的地质控制煤储层压力受地质构造演化、生气阶段、水文地质条件（水位、矿化度、温度）、埋藏深度、含气量、大地构造位置、地应力等诸多因素影响。煤层埋深和地应力是储层压力的主要控制因素。（一）埋藏深度的影响煤储层压力总体上与埋深呈线性正相关关系，煤层埋藏深度增加，储层压力随之增高。1211109876543250060070080090010001100储层压力/MPa煤层深埋/m线性（实测压力）线性（正常压力）=0.0114-1.4369=0.8214图4-25淮南煤田煤储层压力与埋藏深度之间的关系713（二）地应力的影响构造应力增加，有利于煤储层压力保持，但往往导致渗透率降低并给煤层的排水、降压及瓦斯的解吸、运移和排出造成一定困难，在高地应力区情况尤为显著。不同地区地应力的大小不同，当地应力增大、孔裂隙被压缩、体积变小时，储层压力变大；当地应力降低、孔裂隙体积增大时，储层压力减小。因此，地应力与储层压力存在相关性。14（三）水文地质的影响压力水头的埋藏深浅（水位）造成不同的水动力条件，也是影响储层压力和梯度变化的重要因素。一般而言，压力水头埋藏越深压力梯度就越小，埋藏越浅则压力梯度越高。（四）瓦斯压力的影响瓦斯压力是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得的煤层孔隙中的气体压力，煤层试井测得的储层压力是水压。二者的测试条件和测试方法明显不同。煤储层压力是水压与气压的总和。815第一节煤层瓦斯地球化学特征第二节煤层瓦斯赋存与瓦斯吸附解吸特征第三节煤层瓦斯含量及其影响因素第四节煤层瓦斯垂向分带第五节煤储层压力特征第六节煤层孔隙与裂隙特征第七节煤储层渗透性特征第八节煤储层瓦斯流动规律第四章煤层瓦斯赋存与煤储层物性特征16煤层是一种双重孔隙介质，属裂隙孔隙型气储层。第六节第六节煤层孔隙与裂隙特征煤层孔隙与裂隙特征割理煤基质图4-26煤的双重孔隙系统（据Warren等，1996）917一、煤的孔隙特征（一）煤的孔隙煤的孔隙成因及其发育特征是煤体结构、煤层生气、储气及渗透性能的直接反映。立足于煤的岩石结构和构造，以煤的变质、变形特征为基础，以大量的扫描电镜观察结果为依据，将煤孔隙的成因类型划分为4大类10小类。18表4-8煤的孔隙类型及其成因简述表（据张慧，2001）矿物晶粒之间的孔晶间孔可溶性矿物在长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔溶蚀孔煤中矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的印坑铸模孔矿物质孔压应力作用下面与面之间摩擦而形成的孔摩擦孔煤受构造应力破坏而形成的碎粒之间的孔碎粒孔煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔角砾孔外生孔煤化作用过程中由生气和聚气作用而形成的孔隙气孔凝胶化物质在变质作用下缩聚而形成的链之间的孔隙链间孔变质孔镜屑体、惰屑体等内部碎屑之间的孔屑间孔成煤植物本身具有各种组织结构孔结构孔原生孔成因简述类型1019微孔：直径10-5mm,构成煤中吸附容积。可见孔及裂隙，10-1mm，层流和紊流混合渗透区间。煤中孔隙分类渗透容积：小孔至可见孔孔隙体积之和。总孔隙体积：吸附容积和渗透容积之和。中孔：直径10-4mm～10-3mm，缓慢层流渗透区间。大孔：直径10-3mm～10-1mm，强烈的层流渗透区间。小孔：直径10-5mm～10-4mm，毛细凝结和瓦斯扩散空间。20（二）煤的孔隙特征评价方法通常用孔隙率n来衡量煤的多孔程度。煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤的总体积之比，其计算公式为：式中：n－煤的孔隙率，％；Vs－煤的总体积，包括其中孔隙体积，cm3；Vd－煤的实在体积，不包括其中孔隙体积，cm3；M－煤的质量，g；d－煤的真密度，g/cm3；－煤的视密度，g/cm3。%100×−=sdsVVVndMVd=γ′′=MVs，，γ′′%100)1(×′′−=dnγ1121对于烟煤，中等变质程度的煤的总孔隙率较小，变质程度较高和较低的煤总孔隙率较大。010203040506051015n(%)Rmax(%)图4-27煤总孔隙率与变质程度的关系22煤的孔隙特征与煤化变质程度、地质破坏程度和地应力大小等因素有关。1．煤的变质程度的影响从长焰煤开始，随着煤化程度的加深(挥发分减小)，煤的总孔隙体积逐渐减少；到焦煤、瘦煤时达最低值，而后又逐渐增加，至无烟煤时达最大。煤中微孔体积则是随着煤化变质程度的增加而一直增长。孔隙体积长焰煤无烟煤焦煤、瘦煤总孔隙体积微孔体积（三）影响煤孔隙特征的主要因素12232．煤的破坏程度的影响对于烟煤而言，煤的破坏程度越高，煤的渗透容积就越大。破坏程度对煤的微孔影响不大。煤的渗透容积主要由中孔和大孔组成。243．地应力的影响压应力使煤的渗透容积缩小，压应力越高，煤体渗透容积缩小的就越多，即孔隙率减少的越多；而张应力则使裂隙张开，从而引起渗透容积增大，张应力越高，渗透容积增长的就越多，即孔隙率增加越大。此外，卸压作用往往可使煤(岩)的渗透容积增大，即使孔隙率增大。使瓦斯的排放量增加；增压作用可使煤(岩)受到压缩，导致渗透容积减小，即使孔隙率降低。实际上，在现场工作中我们常常利用这种原理来达到增加瓦斯排放率的目的，如开采保护层。目前的试验表明，地应力并不减少煤的吸附体积或减少得不多，因此地应力对煤的吸附性影响很小，但对渗透性有很大的影响。1325二、煤层裂隙（一）煤层裂隙系统是指不包括断层在内的，在自然条件下肉眼可以识别的裂隙系统，它由内生裂隙系统、气胀裂隙系统和外生裂隙系统三部分组成，大小通常为几毫米到几米。内生裂隙系统常见于镜煤和亮煤，裂隙面比较平坦，常呈眼球状，有时被矿物薄膜充填。一般认为内生裂隙是煤中凝胶化物质在煤化过程中受了温度、压力的影响，内部结构变化，体积均匀收缩，产生内张力而形成的。内生裂隙往往有主要组和次要组，内生裂隙的发育程度与煤化程度有关。腐植煤中以焦煤的内生裂隙最多，通常主要组内生裂隙为30~40条/5厘米，有时可达50~60条；低煤化烟煤中较少，一般长焰煤只有几条，煤气10~15条；无烟煤也比较少，一般少于10条，但某些地带可达15~20条以上。褐煤的内生裂隙不发育，而有干缩裂纹。因此，煤层的内生裂隙发育程度是判断煤化程度的标志。1427气胀裂隙系统气胀裂隙的产状、岩性选择性和裂隙面性质，其力学机制完全类似于内生裂隙。它是在良好的封闭条件下，在瓦斯剧烈生成期由于张性破坏产生的裂隙，王生维称之为气胀节理。裂隙规模主要取决于煤层流体压力与煤层纯张破裂压力和有效地应力之和的差值。流体压力越大，裂隙规模也越大。气胀裂隙不仅对煤储层物理性质有重要影响，而且对研究煤层瓦斯形成、发育和破坏具有标志性意义。外生裂隙系统外生裂隙是煤层形成后受构造应力作用而产生的，它可以出现在煤层的任何区带。外生裂隙间距较宽，裂隙面常见凹凸不平的滑动痕迹，多呈羽毛状、波纹状，但有些较光滑；此外，裂隙中还可以见到次生矿物或破碎煤屑等充填物。一般说来，焦煤、瘦煤中外生裂隙特别发育。煤层中的外生裂隙可分为两类，一类是切穿煤层进入煤层顶底板的外生裂隙，另一类是切穿整个或大部分煤层但不切穿煤层顶底板的外生裂隙。外生裂隙与煤的层理面相互交错，其中斜交者较多。主要外生裂隙组的方向常与附近断层方向一致。1529煤层裂隙在国外煤层气工业中常称作割理(cleat)。割理是指煤中的天然裂隙，整个煤层中连续分布的割理称为面割理(facecleat)，中止于面割理或与面割理交叉的不连续割理称为端割理(bullcleat)。面割理和端割理通常是相互垂直或近似正交的。面割理及长度割理及高度光亮煤光亮煤半暗煤暗淡煤光亮煤端割理及长度构造裂隙层面裂口宽度（二）煤层割理系统总体而言，煤的光泽越亮、镜煤和亮煤越多、厚度越大，割理越发育、割理高度越大。割理高度小则几微米，大则几十厘米。端割理与面割理通常是互相连通的，长度受面割理的控制，面割理间距越宽，端割理越长。端割理与面割理的高度受控因素相同，即煤岩类型和煤岩组分。割理形态各异，主要包括：①网状，这种割理连通性好，极发育；②一组大致平行排列的面割理极发育，而端割理极少，这种割理发育，连通性较好；③面割理呈短裂纹状或断续状，端割理少见，这种割理连通性差，较发育。1631（三）煤层裂隙的评价方法（1）裂隙密度裂隙密度反映裂隙发育的程度。可以用一定距离内裂隙数量的多少来表示，也可用单位面积裂隙数量的多少来表