煤岩结构与煤体裂隙分布特征的研究

1、煤岩结构与煤体裂隙分布特征的研究张春雷1李太任2熊琦华1(11石油大学,北京昌平102200;21太原理工大学,山西太原030024摘要通过对河东煤田太原组8#煤层的19个煤样进行煤岩结构划分、裂隙微观分形特征和裂隙密度测量,研究了煤岩结构与裂隙分布特征的关系。结果表明:不同煤岩类型条带中,裂隙密度具有较大的差异,镜亮煤条带是裂隙分布的主要部位;镜煤条带中裂隙的密度和分维数与条带厚度、相邻条带煤岩类型有关;全煤样裂隙密度和裂隙分维数与煤岩结构类型有密切关系。煤岩结构的研究在预测煤层的渗透性方面有重要意义。关键词煤岩结构裂隙分形渗透性煤层气中国图书资料分类法分类号P 61811104作者简介张春

2、雷男26岁博士生石油地质、地质统计学1引言煤层是具有裂隙系统和孔隙系统的多孔介质。裂隙系统构成了煤层的渗流系统,对煤层气的开发有着重要的影响,因此很多学者对煤体裂隙进行了研究。影响裂隙分布的因素很多,但以往的研究多集中于不同变质程度的煤中裂隙的分布特征。作者认为,煤是一种微细条带极为发育的有机沉积岩石,具有明显的不均质性,不同煤岩类型条带的物理性质、力学性质具有较大的差异,因此不同煤岩类型条带在煤层中的分布、组合特征必然会对煤中裂隙的分布具有较大的影响。所以本文主要研究煤岩结构与煤体裂隙分布特征的关系。2煤岩结构及其分类211煤岩结构煤体是不均质的物质,其不均质性无论在宏观上还是微观上都是相当

3、明显的。通常我们用煤岩结构来表征煤体的这种性质,但对于煤岩结构的概念,在前人的文献中还未有明确的论述。作者认为对煤岩结构可以从三个方面进行理解:a 1煤的组分宏观上可用肉眼分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭,这4种组分所组成的条带或包裹体在煤层中的相对含量、分布部位、组合方式是不同的,需要考虑的重要因素之一。参考文献京:石油工业出版社,19961996(25秦勇,傅雪海,叶建平等.中国煤储层岩石物理学因素控气特征及机理.中国矿业大学学报,1999;128(1(收摘日期19991221D ISTR IBUT I ON REGULAR IT IES AND SIGN IF I CANCE OFIS OTH

4、ER M AL AD S ORPT I ON CONSTANTS IN COAL RESERVO IR ,CH INAZhou Rongfu Fu Xuehai Q in Yong (Co llege of M ineral resou rce and Environm en t Sciences ,CUM T Ye J ianp ing T ang Shuheng (N o .1Exp lo rati on bu reau ,Ch ina N ati onal A dm in istrati on of Coal Geo logy Abstract Based on a system ati

5、c analysis on coal reservo ir adso rp ti on data ,the emp irical regressi on fo r m ula is established ,w h ich co rrects adso rp ti on iso ther m al curves of coal samp les (mo isture 2free basis fo r conditi ons of equilibrium mo isture content and reservo ir temperature .A cco rdingly the regi on

6、al and vertical distributi on regularities of iso ther m al adso rp ti on contents (a ,b values of coal reservo irs in different geo logical ti m e and dfferent coal rank s in Ch ina ,as w ell as their effect on coalbed gas surface developm ent .Keywords coal reservo ir ;adso rp ti on constant ;dist

7、ributi on ;coalbed gas62煤田地质与勘探COAL GEOLO GY &EXPLORA T I ON V o l .28N o.5O ct .2000这就构成了煤层的宏观煤岩结构;b 1煤层中显微煤岩类型在剖面上的不同富集部位、组合方式3,即煤层剖面显微煤岩类型序列,这种序列在不同煤层和煤层的不同部位具有不同的模式。这就是在显微煤岩类型意义上的煤岩结构;c 1煤中各种显微组分的分布是不均匀的,不同组分之间存在着不同的结合方式,即煤中具有不同的显微煤岩组分的结合类型,也就是显微煤岩结构。对显微煤岩组分结合类型的研究在煤岩组分分离、炼焦过程中颗粒界面效应等方面具有很重要

8、的意义。本文主要研究煤的宏观煤岩结构。212煤岩结构分类根据煤中是否含有肉眼可见的包裹体和条带,煤的宏观煤岩结构可分为均一结构和不均一结构1。根据包裹体和条带的大小,不均一煤可分为线理结构和条带结构。根据包裹体或条带的厚度,线理结构可分为:细线理结构(<1mm 、粗线理结构(23mm ;条带结构可分为细条带结构(<3mm 、条带结构(35mm 和粗条带结构(>5mm 。根据包裹体或条带分布的均匀性,线理结构和条带结构又可分为均匀结构和不均匀结构。煤通常是一种条带结构极其发育的不均一体,因此煤的宏观煤岩结构在很大程度与条带结构的概念是相一致的。它决定于煤中镜煤和丝炭在煤中的存在

9、、厚度和分布特征。传统上对煤岩结构的分类对宏观上描述煤的结构是很适合的,但对本次研究来说是不够的。其一,尽管线理结构和条带结构是根据包裹体或条带的厚度划分出来的,但其划分界线并不明确。其二,煤中条带结构的厚度变化较大,在上述分类中条带结构厚度的变化特征并没有得到足够的重视。因此本文提出一种新的分类方案。对于条带结构而言,煤岩结构主要是指煤岩条带厚度、不同厚度条带所占的比例,或者是不同煤岩类型、不同厚度的条带的煤中交互分布的复杂程度,为此确定了两个参数:煤岩条带的平均厚度X 和煤岩条带厚度的变异系数。a 1煤岩条带的平均厚度X:X =1n6ni =1X i ,式中n 煤岩条带总数;X i 条带厚

10、度。b 1煤岩条带厚度变异系数:=1n6ni =1(X i -XX,式中X煤岩条带的平均厚度。表1煤层样品及其特征B%样号类型镜质组丝质组壳质组矿物质M 2光亮煤暗淡煤51.5044.420.713.37注:镜质组最大反射率为0.75%(M 系列、1106%(N 系列表2煤岩结构分类方案厚度0014014016>01603mm 简单细条带结构( 中等复杂细条带结构( 复杂细条带结构( 35mm 简单条带结构( 中等复杂条带结构( 复杂条带结构( >5mm简单厚条带结构( 中等复杂厚条带结构( 复杂厚条带结构( 煤岩条带平均厚度可以反映煤条带结构厚度的大小,煤岩条带厚度变异系数可以反

11、映煤岩条带厚度的变化,即煤岩条带结构的复杂程度。这两个参数可以比较客观地反映煤岩结构特征。3研究样品及研究方法311研究样品及其特征研究样品采至山西河东煤田太原组的8#煤层,制成长58c m ,宽3c m 左右的块煤光片,共19块。样品的基本特征如表1。312样品煤岩结构在对煤样煤岩结构观察和对煤岩结构参数测量的基础上,根据煤岩条带厚度X和煤岩条带厚度变异系数将煤岩结构进行分类。(表2根据上述煤岩结构的分类方案将样品的煤岩结构进行了划分。(表3313裂隙密度和裂隙分维数的统计在10×10的网格镜头(0.8mm ×0.8mm 下,对样品光片进行裂隙密度统计:首先对样品的裂隙密

12、度进行统计。其次考虑到镜煤中裂隙比较发育,对72第5期张春雷,李太任等:煤岩结构与煤体裂隙分布特征的研究表3样品煤岩结构划分样品号M 2M 3M 4M 5M 6M 7M 8M 9M 10M 11条带均厚 mm0.420.510.350.640.520.710.600.500.41结构类型样品号N 2N 3N 4N 5N 6N 7N 8N 9N 10条带均厚 mm0.580.480.440.570.470.920.430.35结构类型镜煤条带的裂隙密度进行单独统计。裂隙分维数的统计采用网格尺度裂隙视条数法2。取初始尺度L 0=2.0mm (10×4镜下、L 0=0.8mm (10

13、15;10镜下和L 0=0.2mm (10×40镜下,对煤光片进行逐点统计。取初始尺度L 0=0.8mm ,对镜煤条带进行裂隙分维数和裂隙密度统计。在本文中,裂隙密度统一用10×10镜下,L 0×L 0(L 0=0.8mm 视域内大于L 0 4长度(0.2mm 的裂隙视条数表示。4结果分析411 镜煤条带中裂隙分布特征图2镜煤条带厚度与裂隙密度图1镜煤条带厚度与裂隙分维数C C 夹于亮煤条带之间的镜煤条带;CD 夹于亮煤条带和镜煤条带之间的镜煤条带;D D 夹于暗煤条带之间的镜煤条带C C 夹于亮煤条带之间的镜煤条带;CD 夹于亮煤条带和镜煤条带之间的镜煤条带;D

14、 D 夹于暗煤条带之间的镜煤条带41111图1、图2是裂隙密度和裂隙分维数随镜煤条带厚度的变化图。从图中可以看出,同一煤阶、不同厚度镜煤条带中的裂隙密度和裂隙分维数是不同的。随着镜煤条带厚度的增大,裂隙密度和裂隙分维数均有减小的趋势。在细镜煤条带(1.0115mm 中,裂隙分维数约为1135(M 系列、1145(N 系列;而在宽镜煤条带(>5mm 中,裂隙分维数约为1125(M 系列、1135(N 系列,也就是说细镜煤条带中裂隙分布多,但裂隙分布较复杂。41112在裂隙密度统计时,考虑裂隙在平行层理与垂直层理方向上的区别,用R 值表征平行层理方向与垂直层理方向的裂隙密度之比。从图3中可以

15、看出,细镜煤条带的R 值变化比较大,而厚镜煤条带的R 值变化比较小,趋向于一定值。说明细镜煤条带中,裂隙发育的异向性变化较大,在平行层理和垂直层理方向上裂隙密度大小关系不一定,而厚镜煤条带中裂隙分布的异向性则趋于稳定。41113在裂隙密度与裂隙分维数随镜煤条带厚度变化的总趋势下,还受其它因素的影响,尤其是上下相邻的煤岩条带类型。如图2所示,相同厚度的镜煤条带,夹于暗煤条带之间的裂隙密度和裂隙分维数较大,夹于其他类型条带之间的镜煤条带的裂隙密度和裂隙分维数较小,说明上下相邻的煤岩条带类型对裂隙的分布是有影响的。82煤田地质与勘探第28卷 图4镜亮煤指数、镜煤指数、ID 值与裂隙密度的关系图3镜煤

16、条带厚度与R 值412全煤样裂隙分布特征影响全煤样裂隙发育的因素很多,有煤相、煤阶、构造作用、煤岩组分、矿物含量等,而本文所研究的样品是处于同一煤相、同一煤阶、同一构造作用下。从表1中可以看出,矿物含量变化较小,不是煤样裂隙分布产生差别的主要因素,所以把煤岩结构与裂隙分布的关系作为研究重点。41211裂隙密度与镜、亮煤指数如前所述,镜煤条带、亮煤条带是裂隙分布的主要场所,但裂隙分布与镜亮煤指数的关系,存在怎样区分两者差别的问题。图4是镜亮煤指数与裂隙密度的关系图。图42a 将镜煤条带与亮煤条带同等看待,而图42b 则没有考虑亮煤条带中的裂隙,其相关性均不明显。图42c 是ID 值与裂隙密度的关

17、系图。其中ID 值=(镜煤指数+亮煤指数 5。这里1 5不是精确的相关系数,而是取了镜煤条带和亮煤条带的裂隙密度差别的均值。从图中可以看出裂隙密度与ID 值之间存在相关性:随ID 值的增大,裂隙密度有增大的趋势。所以,在评价煤层裂隙发育程度时,不能简单地以镜煤指数或镜亮煤指数加以推测,而应把镜煤条带、亮煤条带区别对待,正确、客观地进行评价。41212裂隙分形特征与煤岩结构的复杂程度由观测结果可以看出,尽管煤体组分变化莫测,煤岩结构极其复杂,但煤中裂隙的分布仍然有规律。图5是条带厚度变异系数与裂隙分维数的关系曲线。可以看出,对于所有92第5期张春雷,李太任等:煤岩结构与煤体裂隙分布特征的研究 图

18、5条带厚度变异系数与裂隙分维数煤样,在L0=210mm、L0=018mm、L0=012mm初始尺度下测得的裂隙分维数相近,这说明在不同的观测尺度下裂隙的分布具有自相似性,即煤中裂隙分布具有分形特征。煤体中裂隙分维数与煤岩结构复杂程度具有一定关系,随条带厚度变异系数值的增大,裂隙分维数增大,表明煤岩结构越复杂,裂隙分布也越复杂,而煤岩结构越均一的煤中裂隙分布越简单。5讨论511煤层是条带结构极为发育的岩体,但条带结构在整个煤层垂直剖面上的分布是不均匀的。所以在把煤层作为煤层气储层进行评价时,不能把煤层当作均一体看待。因为不同煤岩结构的煤中裂隙的分布特征的差异必将导致煤层渗透性的差异,从而使煤层气

19、的产出具有不同的特征。在我国许多煤田中煤层较厚,煤岩结构的垂向变化更为明显,对煤岩结构的研究尤为重要。对于某一煤层可根据表2的分类方案将煤层不同部位的煤岩结构进行分类,在垂向上得到煤层的煤岩结构序列,结合对不同煤岩结构煤的渗透性研究确定有利于煤层气产出的部位,对煤层的渗透性进行预测。512煤层气开发的成功与否,其中主要因素是煤层的渗透性,而煤层的渗透性则直接决定于煤层中裂隙的数量和裂隙的连通性。本文研究表明,煤中裂隙主要发育于镜亮煤条带,裂隙密度与ID值具有很好的相关性。对于不同的煤层ID值与镜、亮煤指数之间可能具有不同的关系,但是可以肯定的是ID值是镜煤指数和亮煤指数的函数。通过ID值与裂隙

20、密度的相关性,可预测煤层的裂隙密度,进而可以预测煤层的渗透性。513康天河等(1995的研究表明裂隙分维数是表征煤岩体裂隙连通性的重要参数2,通过分维数可跨尺度地推测煤中裂隙密度。本文成果表明煤体裂隙的分维数与煤体煤岩结构参数有关,所以煤岩结构参数在一定程度上可反映煤体裂隙的连通性。514本文研究中未给出不同煤岩结构煤的渗透率数值,但C lark son C R和B u stin R M的研究结论,表明至少在中低变质烟煤(R o=0.92%1115%范围内,光亮煤的渗透率最大,条带结构和纤维结构煤次之,而条带状暗淡煤的渗透率最小4,这在一定程度上反映了煤岩结构与煤层渗透率的关系。对同一煤田而言

21、,其变质程度相同或相近,研究煤岩结构参数与煤层渗透率的关系,是预测煤田内相邻地区或其他地区煤层渗透率的有效途径,对煤岩结构与裂隙分布特征关系的研究无疑将是建立这种关系的桥梁。综上所述,煤体煤岩结构的研究可用于预测煤层中裂隙数量和连通性,评价煤层的渗透性,因此在煤层气的评价和预测工作中煤岩结构的研究应成为其重要部分。参考文献岩学研究方法.北京:地质出版社,1986:38391995;(43Sm yth M,Buck ley M J.Statistical analysis of the m icro litho typesequences in the Bulli Seam,A ustralia

22、,and relevance toper m eability fo r coal gas.Int J.Coal Geo l.1993;22:167187.4C lark son R M,Bustin R M.V ariti on in per m eability w ithlitho type and m aceral compo siti on of C retaceous coals of the(收稿日期19991202RELAT I ONSH IP BET W EEN L ITHOSTRUCTURE AND FRACTURED ISTR IBUT I ON IN COALZhang Chun lei1L i T airen2X i ong Q ihua1(1.U n iversity of Petro leum,B eijing2.T aiyuan Science and T echno logy U n iversityAbstract19