煤成气地质学考试重点

1、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

2、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、2和CO2；2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

3、： 要有丰富的有机质提供产气的物质基础； 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

4、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)

5、 矿物含量的影响：矿物质对煤的孔隙产生两方面的影响： 它充填了一部分大、中孔隙，使孔隙总孔容下降； 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。压汞法研究孔隙结构又称汞孔隙率法。是测定部分中

6、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（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3，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3近于垂直。 压性剪裂隙：破裂时裂隙面既承受压应力，

7、又承受较大的剪应力。（4）组合类型分类：矩形网状：主要为小裂隙，一般面裂隙密度大于端裂隙，彼此近于直交，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

8、 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 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

9、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

10、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

11、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

12、：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

13、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：实验室测试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：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

14、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致的观点是煤层气在

15、煤中有三种赋存状态：以吸附态形式存在于煤层有机质的微孔隙和微裂隙表面中，称为吸附气；以游离态形式存在于煤层大中孔隙和大中裂隙中，称为游离气；以及以溶解态形式存在于煤层中的水里，称为水溶气。温度、压力、矿化度是控制煤层气在水中溶解度的主要因素。当温度低于80 时，溶解度随温度升高而逐渐变小；当高于80 时随温度升高而增大，但其影响远远低于压力。而且在不同温度条件下，溶解度与压力的关系曲线有随压力增大而散开的特征，说明在高压条件下，甲烷的溶解度受温度的影响较大，在低压下温度的影响相对较小，煤层气在地层水中的溶解度随矿化度的升高而降低，在低压条件下矿化度影响较小，在高压条件下则影响较大能吸附别的物质

16、的物质称为吸附剂，被吸附到吸附剂表面上的物质称为吸附质，吸附(adsorption ) ：由于物理和化学的作用力场，某种物质分子附着或结合在两相界面上的浓度与两相本体不同的现象。吸收(absorption) ：气体渗入整个凝聚相本体，属于本体效应。晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表面现出剩余的键力，称之为固体表面力。吸附等温线在煤层气研究中的应用主要表现在以下四个方面： 评价煤层对气体的最大吸附能力，实测值往往偏低； 预测生产过程中储层压力降低时释放出气体的最大值和释放速率； 确定临

17、界解吸压力。 确定气饱和度。特别是在气体处于未饱和状态，即所含气体量未达到最大吸附能力时，这一测试相当重要。不同变质程度的煤吸附不同配比的CH4+CO2、CH4+N2混合气体时，吸附量的变化规律：总吸附量大小介于强吸附质和弱吸附质的吸附量之间，随强（弱）吸附质比例越大，曲线越靠近强（弱）吸附质的吸附曲线。 在CH4-CO2二元混合气的吸附过程中，随压力增加，吸附相中CO2组分的相对浓度逐渐增加，CH4组分的相对浓度逐渐减少；在CH4- N2二元混合气的吸附过程中，随浓度的增高，在吸附相中的比例逐渐增加。煤对甲烷的吸附能力除受煤自身特性的影响外还受许多外部因素的影响。前者如煤的物质组成，变质程度

18、；后者如煤的水分、灰分、挥发分、固定碳、温度、压力、颗粒大小、比表面积、孔隙体积、煤中的矿物质、吸附质等含气量的构成 ：含气量的控制因素：1. 煤的物质组成：从生气的角度，壳质组的生气能力镜质组惰质组；但从吸附角度，镜质组和惰质组的吸附能力高于壳质组。2. 变质程度：同等条件下，随变质程度的增高，煤层气的生成量和储存量（含气量）增高，但在超无烟煤阶段，煤的含气量最低。3、岩浆活动 ：岩浆活动对煤层气的影响主要表现在两个方面：其一是区域岩浆热和接触变质使煤的变质程度增高，含气量增高；其二，使煤层气的成分改变，形成一些特殊气体，如CO2、N2、H2等。4. 顶底板岩性：煤层气在其形成过程中或形成以

19、后必须被封存在煤层中才可能形成气藏。这种封存主要取决于盖层的排替压力。要使之封存在煤层中，顶板岩石的排替压力必须高于煤层气的散失动力。煤层顶板的封存能力是相对的。在储层压力较高时，顶板岩石即使有较高的排替压力，可能也阻止不了煤层气的散失；储层压力较低时，顶板岩石即使排替压力较低，也可能阻止煤层气的扩散。5. 构造发育情况6、埋深与上覆有效地层厚度。上覆有效地层厚度是指煤层到其上部第一个不整合面之间的地层厚度。7. 煤体变形：煤体变形增加了煤的孔隙比表面积和吸附能力，从而对含气量的增高有利。8. 水文地质条件：地下水的补给、运移、滞留和排泻是煤层气运移或散失的动力。地下水滞留区是地下水运移的目的

20、地，也是煤层气运移的最终场所 流体的饱和度包括气饱和度和水的饱和度。气饱和度是指在一定条件下（储层压力、温度和煤质等）实际含气量与相应条件下的理论吸附量的比值，以百分数表示。 水的饱和度是指储层内水的含量（用体积表示）与储层孔隙（多指大孔隙及裂隙）体积之比，以百分数表示。煤层气藏的定义：含有一定量煤层气、具有相对独立流体流动系统的煤体（或地质体）称为煤层气藏，即煤层气藏是煤层气聚集的最小单元，具有统一的压力系统。煤层气藏的边界系统的区分为6类：经济边界、水动力边界、风氧化带边界、物性边界、断层边界、岩性边界。经济边界仅适用于工业性煤层气藏，以该煤层气藏具备商业开发价值的最低含气量表达，取决于煤

21、层气的含量、资源丰度、储层物性、地下水动力条件、开发技术条件、经济政策等。包括浅部的经济边界和深部的经济边界。水动力边界存在两类：地下水分水岭以及水动力封堵。水动力封堵的机理为：要使储层内保存一定量的煤层气，就必须具备一定的储层压力，即地下水静水位面（对应于储层压力）具有一定的高程。由于煤层气沿露头的散失和空气的混入使得煤层气中甲烷浓度降低，二氧化碳、氮气浓度增加。一般取甲烷浓度80 %为风氧化带的底界。物性边界主要是指煤体自身物性变差或煤层气运移过程中遇到渗透性壁障引起煤层气封闭的边界。物性封闭的原理：煤体在构造应力（或其它力）作用下破坏为糜棱煤，物性变差，排驱压力增高，对煤层气的扩散运移起

22、到阻止作用。糜棱煤本身含气量高、储层压力高，煤与瓦斯突出往往发生在这类煤中。断层边界可以分为封闭性断层边界和开放性断层边界两类。断层的封闭性存在4种机理：1断层两侧岩性配置：断层活动引起断层两盘的相对滑动，断层两侧对置的岩石之间存在着排驱压力的差异，具有较高排驱压力的岩性对另一侧起到封闭作用2颗粒碎裂作用：指在断层长期活动或地应力强度较大的地区，断层带的脆性岩层中发生颗粒挤压和破碎作用，较粗的断层角砾岩和碎粒岩细化成断层泥，使孔内孔渗性变差，排驱压力增大，对两侧储层起封闭作用 。3成岩胶结作用：断层破碎带的产生不仅有利于流体的流动，也有利于胶结物的生成。地下水流体在断层中流动，发生复杂的物理化

23、学作用，造成断层中的物质的成岩胶结作用，从而使断层的孔隙度，渗透率大大降低，最终形成封闭。 4泥岩涂抹作用：断层活动过程中，由于拖曳、挤压、研磨和塑性流动等作用，沿断裂分布的极细粒的非渗透性泥状物，敷着在断层面上，使断裂带具有高的排驱压力，增强了断层的封闭性。岩性边界是指位于煤层尖灭带的边界，这类边界也可以分为两种情形：一是位于煤层歼灭带的岩性具有较大的渗透率，排驱压力低，煤层气将难以在煤层内聚集，易逸散，不利于煤层气的保存；二是位于煤层歼灭带的岩性具有较低的渗透率，此时该岩性边界具有较高的排驱压力，有利于煤层气的保存煤层气藏分类：1、水动力封闭型煤层气藏所谓的水动力封闭型煤层气藏，是指除了受

24、其它地质边界控制外，煤层气的运移、富集还受地下水的封堵或驱动控制的煤层气藏。也就是说，这类煤层气藏与地下水的补给、运移、滞留和排泄关系密切。（1）水动力封堵型煤层气藏。地下水或大气降水由补给区沿渗透性良好的煤储层向盆地深部运移，导致达滞留区煤储层后，储层压力增高和煤层气富集，从而形成了水动力封堵型煤层气藏。（2）水动力驱动型煤层气藏水动力驱动型煤层气藏是指地下水的运移不仅造成了煤层气的运移，而且在构造的高部位形成富集区，与常规油气藏的形成机理类似 。2、自封闭型煤层气藏自封闭型煤层气藏的特征、成因和常规油气异常压力封存箱类似。自封闭型煤层气藏的形成与温度、烃类形成、构造应力（包括抬升、剥蚀等）

25、、沉积环境有关以外，还与构造应力作用下的煤体变形有关 。根据煤阶的分类：高、中、低煤阶煤层气藏煤层气成藏条件有很多，主要包括：沉积背景与煤层空间展布、含气性、储层物性、吸附特征、储层压力、封闭条件等煤层气藏成藏过程包括：盆地演化及煤层气藏的发育史、煤层气藏的埋藏史、 热史及成熟度史、煤层气成因、煤层气含气量变化史、地下水动力条件及其对煤层气藏的影响等 成藏要素 低煤阶煤层气藏 中煤阶 煤层气藏 高煤阶煤层气藏 未熟 低熟 成藏条件 封闭条件 封闭条件差，或没有岩性封闭，仅存在地下水动力封闭。 差到中等，取决于煤层形成环境。 中等到好，取决于煤层的形成环境 封闭条件非常好，不同煤层之间一般存在致

26、密岩层分割。 储层物性 基质孔隙以原始粒间孔和植物组织孔为主。割理不发育，局部构造裂隙发育。基质孔隙对渗透率有贡献。储层渗透性非常好。 基质孔隙以原始粒间孔和植物组织孔为主，但孔径不如未熟低煤阶煤层气储层大，热变气孔开始出现。发育割理，但密度不大，局部构造裂隙发育，渗透率主要受二者的控制。渗透性较好。 与低煤级相似，原生粒间孔隙减少，次生孔隙出现，仅增加少量的次生热变气孔，微裂隙比较发育，连通性改善，割理和构造裂隙控制着煤储层的渗透性 基质孔隙以热变气孔为主,其次为植物组织孔，特殊情况下存在原始粒间孔，比表面积大。存在割理，但密度不大、多被充填。储层渗透性较差，主要为构造裂隙贡献。 吸附能力

27、低 中等 较高 高 含气量 非常低 中等 较高 高 资源条件 巨厚煤层弥补了含气量不足，资源丰度较高。必须是多煤层、厚煤层共同成藏。 含气量中等，因此煤层越厚资源丰度越高。多煤层、厚煤层有利。一般多煤层共同成藏 含气量中等，因此煤层越厚资源丰度越高。多煤层、厚煤层有利。一般多煤层共同成藏 多为单煤层独立储藏，因含气量高而资源丰度高。 煤层气成因 原生生物成因 次生生物成因，原生、次生热成因并存 次生生物成因，原生、次生热成因并存 次生热成因，次生生物成因 水动力条件 径流带不仅利于煤层气的形成，也利于煤层气的富集。 滞流区是煤层气富集的有利地带。因这里是各种成因煤层气运聚的终点。 滞流区是煤层气富集的有利地带。因这里是各种成因煤层气运聚的终点。