煤层气开发地质学理论与方法

1、第一章 绪论主要内容：本章主要论述了煤层气开发地质学研究的目的与意义，以及煤层气勘探的开发的现状。从多个方面分析了我国煤层气的储量、勘探、开发等情况，深入细致的描述了目前我国使用煤层气、利用煤层气的状况，同时也对未来我国煤层气开采的发展和利用做了一定的分析和研究。第2章 煤的物质组成及其基本物理化学性质主要内容：1、 煤的物质组成1、 煤储层固态物质组成（1）宏观煤岩组成煤是一种有机岩类，包括三种成因类型：主要来源于高等植物的腐殖煤；主要由低等生物形成的腐泥煤；介于前两者之间的腐殖腐泥煤。宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组成的单位，宏观煤岩组成是根据肉眼所观察到的煤的光泽、颜色、硬度、脆

2、度、断口、形态等特征区分的煤岩成分及其组合类型。（2）显微煤岩组成显微煤岩组成包括有机显微组分和无机显微组分矿物质。在光学显微镜下能够识别的煤的基本有机成分，称为有机显微组分，是由植物残体转变而来的显微组分。无机显微组分指显微镜下观察到的煤中矿物质。2、 煤中的水和气（1） 煤中的水 煤中的液相是指存在的水。煤中水存在于煤孔隙裂隙中，其形态分为液态水、固态水（2） 煤中的气 煤层中赋存的气态物质就是煤层气，主要化学组分为甲烷、二氧化碳、氮气、重烃气等。2、 煤化作用及煤层气的形成1、煤化作用 成煤作用是原始煤物质最终转化成煤的全部作用，它分成两个相继的阶段：从成煤原始物质的堆积，经生物化学作用

3、直到泥炭的形成，称为泥炭化作用阶段；当泥炭形成后，由于沉积盆地的沉降，泥炭被埋藏于深处，在温度、压力增高等物理、化学作用下，形成褐煤、烟煤、无烟煤和变无烟煤的过程，称为煤化作用阶段，包括成岩作用阶段和变质作用阶段。2、 煤化作用特点及煤化程度指标（1） 煤化作用特点增碳化趋势结构单一化趋势结构致密化和定向排列趋势（反光性增强）煤显微组分性质的均一性趋势煤化作用的不可逆性煤化作用发展的阶段性和非线性（2） 煤化程度指标煤化程度指标简称煤化指标，又称煤级指标，不同煤化阶段中各种指标变化的显著性各不相同。随着煤化程度的增加，煤级指标有规律的变化。3、 煤层气的形成（1） 生物成因气（包括原生生物成因

4、气和此生生物成因气） 生物成因气是有机质在微生物降解作用下的产物。指在相对低的温度（一般小于50）条件下，通过细菌的参与或作用，在煤层中生成的以甲烷为主并含少量其他成分的气体。按照生气时间、母质及地质条件的不同，生物成因气有原生生物气和次生生物成因气两种类型。（2） 热成因气热成因气是在温度（>50）和压力作用下，煤有机质发生一系列物理、化学变化，煤中大量富含氢和氧的挥发分物质主要以CH4、CO2和H2O的形式释放出来。根据煤层气生气、储气和运移特征，热成因气可分为原生热成因气和次生热成因气。4、 煤的基本物理化学性质（1） 煤的基本物理性质与煤层气开发相关的基本物理性质主要有煤的密度、

5、容重和比重、煤的孔隙度、煤的含水率和煤的软化性等，煤的物理性质是煤的化学组成和分子结构的外部表现，由煤化程度和煤岩组成所决定的。煤的容重（天然容重）是指单位体积煤所受的重力，或称干容重。煤的容重按照煤岩含水状况不同分为干容重、饱和容重和有效容重。煤的比重是指20时煤的重量与同温度、同体积水的重量之比。煤的密度、容重和比重与煤岩成分、煤化程度及煤中矿物质的性质和含量有关。煤的软化性：煤侵水后强度降低的性质称为软化性，煤的软化性取决于煤岩煤质、煤化程度及孔隙裂隙特征，当煤中含有较多亲水性和可溶性矿物。煤化程度低及裂隙发育时，软化性较强。（2） 煤的基本化学性质煤的化学组成大致可分为有机质和无机质两

6、大类，以有机质为主体。煤中的有机质主要有碳、氢、氧、氮、硫等元素组成，是复杂的高分子化合物，是煤的主要组成部分，不同的煤，各种元素的含量和化学结构是不同的，造成了煤在物理性质和化学性质上的差异，并使煤在加工利用和煤层气储层改造过程中表现出不同的工艺性质和工程力学特性等。煤中的无机质包括水分和矿物质，它降低了煤的质量和利用价值并影响煤储层的含气性，在煤的加工利用和煤层气开发过程中产生一定的影响。第3章 煤储层厚度及其预测技术主要内容：1、 煤层的形成煤是一种固态的可燃有机岩，凡是由动植物残骸等有机质形成的岩石都称为有机岩。煤是植物遗体经过复杂的生物、地球化学、物理化学等一系列作用转变而成的。煤层

7、是由泥炭层转化而来的，泥炭层的堆积主要取决于泥炭沼泽的水面和植物遗体堆积的沉积面（即泥炭层的上表面）两者之间的关系。泥炭沼泽水面和植物遗体堆积面保持均衡，即泥炭层堆积面不断增长和沼泽水面不断上升保持均衡，是泥炭层不断增厚的必要条件。根据煤层中有无其他岩石夹层的存在，煤层可分为两类结构：不含夹层者称简单结构；反之称为复杂结构。煤层中的夹层亦称夹矸。常见的是黏土岩、炭质泥岩或粉砂岩，有时为石灰岩、硅质岩、油页岩、细砂岩甚至砾石。 2、 煤厚变化的控制因素煤储层厚度是指煤层顶板岩石之间的垂直距离。根据煤层结构，煤储层厚度可分为总厚度、有益厚度和可采厚度。煤层总厚度是顶底板之间各煤分层和夹层厚度的总和

8、；有益厚度是指煤层顶底板之间各煤分层厚度的总和；可采厚度是指在现代经济技术条件下适于开采的煤储层厚度。煤储层厚度的变化是多种多样的，但就其成因来说，可以分为原生变化和后生变化两大类。原生变化是指泥炭层堆积过程中，在形成煤层顶板岩层的沉积物覆盖以前，由于各种地质作用的影响而引起的煤层形态和厚度的变化；后生变化。是指泥炭层被新的沉积物覆盖以后或煤系形成之后，由于构造变动、岩浆侵入、河流剥蚀等地质作用引起的煤层形态和厚度的变化。3、 煤储层厚度稳定性评价步骤和方法 根据一些矿井对地壳不均衡沉降、古河流冲蚀和地质构造变动等原因引起的煤厚变化预测的方法，大致分为四个步骤：全面了解本井田所属煤田的成煤古地

9、理环境、地质构造分布特征、煤系组成和含煤性变化的情况。深入调查包括勘探钻孔和采掘工程揭露的所有煤层出现厚度变化的地质特征，仔细判别变化原因。分析研究区内煤、岩层产状，构造形迹展布，煤层结构与夹矸层变化，顶底板岩性岩石相组合与分布，以及它们与煤储层厚度变化之间的关系。在系统整理资料的基础上编制预测图件。煤储层厚度稳定性是煤层气开发的最基本地质条件。煤储层厚度稳定性，通常认为是三方面因素所决定：煤储层厚度值偏离平均值的大小煤储层厚度值是否有变薄到低于所规定的平衡表内储量的最低厚度煤储层厚度变化是否具有规律性4、 基于地震属性的煤储层厚度预测技术地震属性反应了地震波形的几何学、运动学、动力学和统计学

10、特征，地震属性技术是通过应用研究、算法开发和综合软件系统来提取、储存、可视化、分析、验证及评价地震属性的技术。厚度预测方法：（1） 单参数与多参数法：振幅图版法；时差法；反射波特征点法；频率法；主振幅、主频率法；有限带宽反射波波形分析法（2） 反演方法：振幅、频率综合反演法；约束反演法（3） 神经网络函数逼近法5、 煤储层厚度对煤层气井产能的影响（1）煤层分布特征对于煤层气井产能的影响 目标煤层的层数：目标煤层的层数和煤层的有益厚度对煤层气井的产能和长期产量影响较大。目前煤层气开采分单层开采和合层开采两种方式。单层开采是指仅开采某一深度的一层煤或垂向距离相近的一个煤层组，主要是针对单一的厚煤层

11、开采。合层开采是对开发区域内不同深度的煤层同时联合开采。目前合层开采仅适用于以垂直开发的方式，主要针对大规模的区域商业性开发。煤储层厚度及其稳定性煤储层厚度决定了煤的生气及储气强度，其生气及储气能力与煤的物质组成及煤变质特征关系密切。煤储层厚度越大，储层向井筒的补给能力越强，煤层气通过井筒向外运移的面积越大，气井产气潜力越大。煤层结构煤层结构是指煤层中包含煤分层和岩石夹层的层数及厚度的特征，不含夹矸层者称为简单煤层结构；含有夹矸层者称为复杂煤层结构。煤层中的岩石夹层俗称夹矸。夹矸一般为黏土岩、炭质泥岩或粉砂岩，有时为石灰岩、硅质岩、油页岩、细砂岩甚至砾石。第四章 煤储层孔隙裂隙特征及其孔渗性煤

12、作为储层，具有两方面的特性：一方面在压力作用下，煤层具有容纳气体的能力；另一方面煤具有允许气体流动的能力。煤储层孔渗性反映了煤储层的这些特性，直接影响煤层气的开采效果。1、 煤的孔隙特征（1） 煤孔隙结构煤孔隙结构是指煤中孔隙和喉道的几何形状、大小分布及其相互连通关系。煤的细微孔隙结构随着煤化作用而变化，是煤储层的重要特征。根据十进制分类系统将孔隙分为四种：即孔径1000nm的孔隙为大孔；孔径在100-1000nm的孔隙为中孔；孔径在10-100nm的孔隙为小孔（或过渡孔）；孔径10nm的孔隙为微孔。（2） 煤的孔隙成因根据成因煤孔隙可分为原生孔和次生孔，原生孔是指煤沉积过程中形成的结构孔隙，

13、次生孔是煤化作用过程中煤结构去挥发分作用而形成的。（3） 煤的孔隙表征参数 煤的孔容：孔容即孔隙的体积，常用比孔容表示，即每克煤所具有的孔隙体积。 煤的孔比表面积：煤的孔比表面积包括外表面积和内表面积，外表面积所占比例极小，贡献几乎全来自内表面积。 煤的孔隙度（率）：煤的煤的孔隙度（率）是 煤中孔隙裂隙体积与煤总体积之比（用百分数表示）。它是衡量煤储层储集性的一个重要参数。煤的孔隙度与煤变质程度相关，煤储层孔隙度为1.5%12.2%，一般在5%以下，不同煤化阶段煤样孔隙度存在差异性。（4） 煤的孔隙结构测定方法 压汞法：主要利用汞柱注入孔隙的方法测量孔径分布曲线及孔容、孔比表面积和排驱压力，其

14、测定范围为几纳米至几千纳米，对于小孔以上孔的测量还是比较准确可靠的。低温氮吸收法：依据煤对气体的物理吸附原理，测量煤的微孔孔隙的分布规律、比表面积和孔容等参数，测量范围为1200nm。扫描电镜法：扫描电镜法是将煤样放大几十倍至几千倍后观察全貌和裂缝，并能计算出0.1m以上的孔隙或裂隙。2. 煤储层裂隙系统（1） 煤中节理（裂隙）类型煤储层中节理按成因的不同将其分为原生节理、风化节理和构造节理三类，前者为内生节理；后两者为外生节理。原生节理：通常是煤化作用过程中煤中凝胶化组分体积收缩变形作用的结果，相当于内生节理，主要为小裂隙和微裂隙。风化节理：是煤层受风化作用而产生的裂隙。其特点是裂隙排列不规

15、则，往往地表发育，随深度的增加裂隙密度很快降低，到一定深度后，风化节理不复存在。构造节理：是受构造变动作用力形成的节理。构造节理按其力学成因，分为张节理和剪节理两类。张节理：是由于张应力引起的节理；剪节理：是由剪应力引起的节理。（2）煤中节理（裂隙）的分级及特征宏观裂隙：根据裂隙的规模和形态特征，煤储层中宏观裂隙系统指不包括断层在内，自然条件下肉眼可以识别的裂隙系统，大小通常为几毫米到几米，可将煤储层中宏观裂隙按规模大小划分为四级:大裂隙、中裂隙、小裂隙和微裂隙。一般来说，大-中裂隙与外生节理（裂隙）相当，是构造应力场下煤层构造变形的产物，常以各种角度与煤层层理面斜交，高度可达数米，可以出现在

16、煤层的任何部位，不受煤岩分层或条带的限制。小裂隙和微裂隙除构造应力作用形成外，通常是煤化作用过程中所形成的内生节理。煤储层显微裂隙显微裂隙是肉眼难以辨认的、必须借助显微镜或扫描电镜才能观察的裂隙。显微构造表现为：雁行状裂隙、追踪性裂隙、共轭剪切裂隙和菱形网状裂隙等类型，显微裂隙密度及其展布异性也就决定了煤层储气性和渗透性分布的差异。3、 煤中节理（裂隙）的表征参数（1） 裂隙面组数和产状 裂隙面产状要素有走向、倾角和斜角，应分别进行统计，求出走向、倾向和倾角的概率密度分布函数形式及相应的均值与方差。裂隙的走向、倾向和倾角控制着煤储层的渗透性和煤层气开发工程的力学特性。沿裂隙走向方向煤储层渗透性

17、最好，垂直裂隙走向方向渗透性最差，由于裂隙的存在煤储层渗透性表现为各向异性。（2） 裂隙密度和间距裂隙的密度反映煤层中裂隙面发育的密集程度。它可用裂隙的线密度、面密度、体密度和裂隙面的间距来表示。线密度是指裂隙面法线方向单位侧线长度上交切裂隙面的条数。间距是指同一组裂隙面法线方向上两相邻裂隙面的平均距离。裂隙的间距不是一个确定值，而是按某种统计分布形式在一定范围内变化的值。裂隙的密度决定了煤层的完整性和煤基质的块度。一般来说，裂隙面发育越密集，煤层的完整性越差，基质块度越小，进而导致煤储层力学性质变差，渗透性增强。（3） 裂隙的连续性 裂隙的连续性反映裂隙的贯通程度，可用线连续性系数和面连续性

18、系数来表征。线连续性系数：指沿裂隙延伸方向，裂隙各段长度之和与测线长度的比值；面连续性系数：指沿裂隙面延伸方向，裂隙面面积之和与总面积的比值。（4） 裂隙的形态 裂隙面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙程度来反映。裂隙面侧壁的起伏形态分为平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。（5） 裂隙的开张度裂隙的张开度是指裂隙面两壁面间的垂直距离，常用毫米为单位。裂隙面两壁一般不是紧密接触，否则会使裂隙面实际接触面积减少，导致裂隙面黏聚力降低和渗透性增大。煤中裂隙形态一般垂直，垂直层里面，少数斜交层里面，穿过不同煤岩成分时稍有变化，裂隙开度较小，一般小于12mm。（6） 裂隙充填胶结情况薄膜充填是

19、裂隙面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，会明显降低裂隙面的强度，渗透性较好。断续充填裂隙面的力学性质和渗透性与充填物性质、壁岩性质及裂隙面的形态相关。断续充填裂隙面的力学性质和渗透性主要取决于充填物性质断续充填裂隙面的力学性质和渗透性很差，主要取决于充填物的性质，煤体往往易于沿这种裂隙面滑移（7） 裂隙的组合关系裂隙的组合关系控制着煤储层的渗透性分布及其各向异性，对煤层气开发井的井壁稳定，形成可能滑移煤体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型起控制作用，它是煤层气开发工程地质条件预测与评价的基础。煤层裂隙组合关系可分为：平行裂隙组合、共轭网状裂隙组合、入字形裂隙组合、羽状

20、裂隙组合和不规则裂隙组合等。4、 煤储层渗透性及其评价（1） 煤储层渗透性 基本概念煤储层的渗透性是指在一定压力差下，允许流体通过其连通孔隙的性质。绝对渗透率：单相流体充满整个孔隙-裂隙系统，流体与介质不发生任何物理化学作用时，测出的渗透率称为绝对渗透。有效（相）渗透率：若孔隙中存在多相流体，则多孔介质允许每一相流体通过的能力称为每相流体的相渗透率，也称为有效渗透率。相对渗透率：有效（相）渗透率与绝对渗透率的比值称为相对渗透率。煤储层渗透性测试方法简介1> 测试方法：瞬态法、稳态法2> 注入压降试井：注入压降试井是一种压力不稳定试井，向测试煤储层段以恒定排量注入一段时间水后关井，分

21、别记录注入期和关井期的井底压力数据，据此表明出储层参数计算。（2） 煤储层渗透性评价分类国外根据煤储层原位试井渗透率大小，将煤储层渗透率划分为：高渗透率煤储层，渗透率大于10×10-3m2；中渗透率煤储层，渗透率在(110)×10-3m2；低渗透率煤储层，渗透率小于1×10-3m2。（3） 渗透性对煤层气井产能的影响分析渗透性是影响煤层气井产能最主要的控制因素之一。在同等开发条件下，渗透率越高气井产能越大，不仅高峰产量高，而且后期产气能力强；反之，气井产能差，不仅高峰产量低，而且后期产气能力也弱。5、 煤储层渗透性影响因素（1） 地质构造地质构造除控制着煤层的生烃

22、演化历程外，还表现为一方面地壳的升降与剥蚀会改变地层的压条件，打破原有的动态平衡，特别是成煤后主要构造运动对煤层气的保存产生影响；另一方面断裂活动可使煤储层产生裂隙或使其断开形成气体运移通道，对煤储层渗透性产生影响。（2） 煤体结构煤体结构是指煤层经过地质构造变动所形成的结构特征。由于煤层在构造应力作用下发生破裂所具有的形态特征是不同的，根据煤体破裂的程度，一般可划分为完整结构、块裂结构、碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构。前两者为原生结构，后三者为构造煤。（3） 煤层埋藏深度煤储层渗透性与其埋藏深度之间呈指数函数关系。在浅部煤储层渗透率相对较大，且变化范围也大；随着煤层埋藏深度的增大，煤储层渗透率

23、减小，且变化范围也减小。（4） 现今地应力岩体中的天然应力为三向不等压的空间应力场，三个主应力的大小和方向随空间和时间变化。根据三个主应力的大小和空间关系，可以确定出岩体天然应力状态类型。不同深度条件下煤储层现今地应力不同，地应力随深度的增加而明显增大，这反映出煤储层渗透性与其埋藏深度之间的关系，其实质是地应力对渗透率的控制。第5章 煤储层含气性及其控制理论煤层含气性是决定煤层气的产能及其开发潜力的重要参数。煤层含气性包括煤层气含气量、控制煤层含气量的煤储层压力和含气饱和度。一、煤层气的赋存状态及气体组分特征1、 煤层气的赋存状态 吸附状态：吸附气是指以吸附状态保存在有机质颗粒表面的气体。游离

24、态：游离气是指储存在孔隙或裂隙中能自由移动的天然气。溶解气：溶解气是指在地下地质条件下，溶解在地层水中的天然气。2、 煤层气的气体组分特征煤层气化学组分主要包括甲烷、二氧化碳和氮气，含气量的重烃气（乙烷、丙烷、丁烷和戊烷）、氢气、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢及微量的稀有气体（氦气、氖气、氩气、氪气等）。其中，甲烷和重烃气统称为烃气。2、 煤层含气量测试方法1、 煤层含气量的解吸法USBM直接法MT-77-84解吸法2、 逸散/损失气量的估算 从理论上来说，逸散气（损失气量）和解吸气是煤层气的可采部分。因此，准确测定逸散/损失气量至关重要。3、 煤储层压力1、 煤储层压力基本概念煤储层压力是指作用

25、于煤孔隙-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地层压力。煤储层有效压力系统决定了煤层气产出的能量大小及有效驱动能量的持续作用时间。储层压力越高、临界解吸压力越大、有效地应力小，煤层气的“解吸-扩散-渗流”过程进行得就越彻底，表现为采收率增大，气井产能增大。2、 煤储层压力的影响因素煤层埋藏深度：煤储层压力的变化与煤层埋藏深度密切相关。随着煤层埋藏深度增加，煤储层压力随之增高。地应力：增加地应力，有利于煤储层压力的保持，但往往导致渗透率降低，并给煤储层的排水、降压及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难，在高地应力区尤为如此。随着地应力的增加，煤储层

26、孔隙-裂隙被压缩，体积变下，煤储层压力增大；反之，压力减小。水文地质条件：水文地质条件不仅与煤层气的富集和保存相关，而且直接影响到煤储层压力的高低和分布。4、 煤储层含气饱和度1、 含气饱和度的基本概念煤储层含气饱和度是实测含气量与原始储层压力对应的吸附气量的百分比，可由煤层气含气量、储层压力和等温吸附常数计算出来。2、 含气饱和度的影响因素影响煤层气含气量分布的地质因素都将影响煤储层含气饱和度，如在煤系沉积后，构造运动使煤系抬升剥蚀，煤储层压力降低，煤层气解吸、逸散，含气量降低。3、 临界解吸压力临界解吸压力是指煤层中的甲烷开始解吸的压力点。根据临界解吸压力与储层压力可以了解煤层气早期的排采

27、动态，为制定排采方案提供重要依据。在排水降压作业时，压力只有降低到临界解吸压力，煤层气才可能产出。煤层含气量中可采气量与总量的百分比，称为煤层气采收率。5、 影响煤层气富集的地质因素及其控气理论1、 地质构造及其控气作用地质构造是影响煤层气富集的主要因素之一。煤层构造的基本类型包括褶皱构造和断裂构造两大类。褶皱构造是指煤层及其岩层在应力作用下形成的波状弯曲，但仍然保持着它们的连续性和完整性，包括背斜和向斜两种构造形式。断裂构造是在岩层受力后，作用力超过岩层的强度时所产生的破坏。2、 煤变质作用对煤层含气性的影响煤变质程度关系到煤层的生气量及煤储层特性等问题。煤层气主要以吸附状态赋存与煤储层之中

28、，吸附量的大小取决于煤对甲烷的吸附能力，而吸附能力又与煤的孔隙率、变质程度、储层压力和温度等因素相关，其中变质程度对煤储层的吸附能力产生重要影响。3、 有效埋藏深度及其控气作用煤层埋藏是煤化作用进展的根本条件，对煤层气的生产和保存自始至终起着至关重要的影响作用。随着有效埋藏深度的增大，煤层气的保存能力不断增强，含气量也随之增加。4、 上覆地层厚度及其控气作用 一般认为，煤层气以吸附态为主，按等温吸附规律，其含气量大小要与储层压力有关，上覆地层厚度（深度）对含气量的影响实质是煤储层压力的控制，上覆地层厚度增大，储层压力增高，含气量增大；同时，埋藏深度增大，上覆地层厚度加大，有利于煤层气保存。5、

29、 埋藏顶底板岩性及其控气作用煤层顶板封盖条件对于煤层气的保存与富集具有十分重要的作用。良好的封盖层可以减少构造运动过程中煤层气的向外渗流运移和扩散散失，保持较高地层压力，维持最大的吸附量，减弱地层水对煤层气造成的散失。6、 煤岩、煤质特征的影响煤岩、煤质差异主要是通过其生气条件和吸附性能的不同影响煤层含气量，同样关系到煤层的生气量及煤储层特性等问题，不同成因类型的煤中灰分产率及有机质含量存在差异。7、 水文地质条件的控气作用水文地质条件控制着煤层气的保存和运移，是影响煤层气富集和后期生产的重要地质因素。不同的水文地质条件下，煤层气的赋存规律有很大差异。水文地质条件对煤层气富集规律的控制，可概括

30、为两种作用：煤层气随地下水运移逸散作用，致煤层气散失；水力封闭控气作用，有利于煤层气保存。第6章 煤的吸附与解吸特征1、 吸附与解吸理论1、 气固吸附及吸附热力学气体在固体表面的吸附固体的表面能是固体比表面吉布斯函数的简称，又称固体表面自由能。固体吸附气体时的作用力有两种，一种是范德瓦耳斯力，另一种是剩余化学键力。由范德瓦耳斯力所引起的吸附称为物理吸附，而由剩余化学键力所引起的吸附称为化学吸附。吸附热力学吸附热数据是了解固体表面和吸附质分子之间结合力强弱的重要参数，吸附热分为以下几类：积分吸附热、微分吸附热、等量吸附热。吸附势理论吸附势理论认为吸附是由势能引起的。固体表面附近存在的势能场，称为

31、吸附势。距固体表面越近，吸附势能越高，吸附质浓度也越高，反之则越低。2、 吸附滞后现象毛细凝结现象对正常平液面未达饱和的蒸汽压，可以在毛细孔的弯月面上凝结，随着气体压力的增加，能发生气体凝结的毛细孔也越大，这种现象称为毛细凝结现象，是多孔性固体所具有的特殊吸附现象。吸附滞后现象以多孔固体作吸附剂时，吸附质的吸附曲线与脱附曲线往往有一段不重合，而且脱附线总在吸附线的左边，这种现象称为吸附滞后现象。二、煤的吸附与解吸特征1、煤的吸附特征煤岩吸附能力与储层压力密切相关，在等温条件下，吸附量与储层压力呈正相关。随着压力的增高，吸附量增大，但不同压力区间吸附量的增长率不等。由于煤孔隙率、孔隙结构、变质程

32、度、储层压力和温度在平面上的变化，导致同一煤层在平面上煤吸附能力存在一定的差异。煤的吸附性能还受赋存环境的影响。在其他因素相同的前提下，煤储层压力增大，煤对甲烷的吸附量随之增高，但不同压力区间的增加幅度有所不同。煤中水分含量会对煤中甲烷的吸附能力产生重要影响，这是由于煤中水分和气体分子与煤结构之间具有相似的特性，水分子与煤之间不存在共价键，都是以较弱的范德瓦耳斯力吸附在煤中，即煤对水分子产生物理吸附所致。2、 煤的解吸特征解吸是吸附的逆过程，处于运动状态的气体分子因温度、压力等条件的变化，导致热运动能增加而克服气体分子和煤基质之间的引力场，从煤的内表面脱离成为游离相，发生解吸。3、 吸附质单组

33、分气体的吸附特征：煤对不同纯气体组分的吸附能力，主要取决于气体分子与煤分子之间的作用力。这种作用力与各种吸附质的沸点有关，沸点高，则吸附能力强。多元气体的吸附特征：煤层气是一种由不同化学组分构成的天然气体，仅用纯气体组分无法精确描述煤层气的吸附特征。4、 吸附时间在标准温度和标准压力状态下，实测解吸气体累计达到总解吸量63%时所对应的时间，称为吸附时间。吸附时间与逸散气无关，它取决于煤的物质组成、煤基块大小、孔隙结构、煤级、天然裂隙间距等地质因素。 第七章 水文地质条件及其对煤层气开发的影响 水文地质条件控制着煤层气的保存和运移，是影响煤层气富集和后期生产的重要地质因素。水文地质条件对煤层气富

34、集规律的控制，可概括为两种作用：一是煤层气随地下水运移逸散作用，致煤层气散失；二是水力封闭控气作用，有利于煤层气保存。1、 水文地质条件1、 地下水类型及特征（1） 上层滞水上层滞水是埋藏在包气带中局部隔水层之上的重力水。它一般分布不广，季节性存在，雨季出现，干旱季节消失，其动态与气候、水文因素的变化密切相关。（2） 潜水潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水。潜水在自然界中分布很广，一般埋藏于第四纪松散沉积物的孔隙及坚硬岩石的风华裂隙、溶洞内。（3） 承压水承压水是充满于两个稳压隔水层之间的含水层中的重力水。（4） 孔隙水孔隙水是存在于疏松岩层孔隙中的地下水。疏松岩层

35、包括第四纪和部分第三纪沉积物及坚硬基岩的风化壳。（5） 裂隙水裂隙水是埋藏于基岩裂隙中的地下水。按岩石裂隙的成因，裂隙水可分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水三种类型。按含水裂隙的产状，可分为层状裂隙水和脉状裂隙水。按埋藏条件，可分为裂隙潜水和裂隙承压水。（6） 岩溶水岩溶水是储存和运动于可溶性岩体中的地下水。当碳酸盐、硫酸盐及卤化物等可溶性岩石与水流接触时，便产生溶蚀和冲蚀作用，其结果是在可溶性岩体中形成一些溶蚀裂隙、溶洞和溶蚀通道，在可溶性岩体的表面形成大小不等、形态不一的石林、干河床、落水洞、漏斗、溶蚀洼地、盲谷甚至大面积的塌陷等独特的地貌景观，这些现象统称为岩溶现象或岩溶（卡斯特）。

36、2、 主要含水层和隔水层类型（1） 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层组（2） 上石炭统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组（3） 煤层上覆砂岩裂隙含水层组（4） 新生界松散层含水层组2、 水文地质条件的控气作用1、 煤层气随地下水运移逸散作用由于大气降水（或地表水）沿裂隙向煤储层深部运移，在地下水的运移过程中，将溶于水的煤层气带走，是煤层气散失的一种途径，所以在地下水的补给范围内，煤储层中的煤层气含量很低，越是接近补给区的源头，煤层气含量越低，甚至为零。煤层气含量降低的速度与地下水的流量有关，流量越大，煤层气的散失量也越大。当煤储层处于地下水的滞流区时，煤层气相对聚集，煤层气含量相对较高。煤层气随地下水的运移逸

37、散作用常见于断层发育区。2、 水力封闭控气作用水力封闭控气作用常形成于构造简单的宽缓向斜或单斜的下倾部位，其断裂不甚发育，或断裂不具导水性。煤层及其顶底板的上部和下部存在良好的隔水层。3、 煤层气井开发的排水降压过程1、 煤层气单井的排采规律煤层气井的上层是通过抽排煤层中的地下水，从而降低煤层压力使煤层中吸附的甲烷气释放出来的过程。即煤层气井的生产首先排水降压，进而使得甲烷释放出来并运移至井口。当煤层气井开始排采后，井筒中的液面下降，在煤层气井筒和煤层中形成压力差，地下水从压力高的地方流向压力低的地方，因此煤层中的地下水就源源不断地流向井筒中，使得煤层中的压力不断下降，并逐渐向远方扩展，最终在

38、以井筒为中心的煤层段形成一个水头压降漏斗，并随着抽水的延续该压降漏斗不断扩大和加深。当煤层的出水量和煤层气井井口产水量相平衡时，形成稳定的压力降落漏斗，降落漏斗不再继续延伸和扩大，煤层各点储层压力也就不能得以进一步降低，解吸停止，产气也就终止。2、 煤层气单井的排采阶段及特征初期定流量排采阶段煤层气排采初期，抽出的水量依泵的排量而定，此时抽出的水量是一定的，但井中的液面不断下降。该阶段煤层压力降落漏斗是逐渐增大的，但增大的速度逐渐变缓，同时压力降低到临界解吸压力以下的煤层开始产气，煤层气井井口的表现为产水量稳定，产气量逐渐增加。定降深排采阶段当煤层气井中的液面降低到目的煤层时，降深就无法再继续

39、下去，此时煤层气井的生产进去定降深排采阶段。由定流量排采阶段转入定降深排采阶段的时间主要取决于煤层的渗透性和井壁的污染程度，渗透性差、井壁污染严重的煤层气井排采开始后很快进入定降深排采阶段。3、 煤层气单井排采的局限性单个的煤层气井排采形成的降落漏斗影响范围是有限的，而且随着抽水的延续，降落漏斗的延伸速度减缓，最终趋于稳定。煤层气井单井排采具有一定的局限性，一方面排采所形成的压力降落漏斗延伸范围有限，另一方面排采只在近井地带形成较大的压力降低，压降漏斗影响范围内平均压力降低幅度小，从而造成煤层气井的单井产气量和总产气量相对较低。4、 煤层气井井间干扰当相距较近的两口煤层气井共同排采时，随着排采

40、的延续，各个煤层气井的降落漏斗不断延伸，最终交汇在一起，形成煤层气井井间干扰。4、 水文地质条件对煤层气井产能的影响1、 主要含水层条件对煤层气开发的影响对于华北型石炭-二叠系煤田，对煤层气保存及开采有影响的主要含水层包括煤系下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层、煤系中灰岩岩溶裂隙含水层、砂岩裂隙含水层和第四系松散孔隙含水层。上述四个含水层之间，一般都有泥质岩类作为隔水层发育其间，相互之间的水力联系微弱，均具有自成系统的特征。2、 煤层自身水文地质条件对煤层气井产能的影响贮水性：与砂岩或灰岩裂隙含水层相比，煤层自身的贮水性很小，地下水在煤层中主要赋存与煤层的裂隙中，因此裂隙的发育程度不仅决定了煤层的渗

41、透性，同时也影响到煤层自身的贮水性。煤层的贮水性越大，表明煤层的裂隙越发育，煤层储存的水量越多。煤层渗透性：煤层渗透性不仅影响煤层气的流通情况，更影响煤层气井中地下水的流通情况，尤其在煤层气井投运初期，其产出物主要为地下水，此时气井为单相介质渗流。煤层渗透性高，不仅有利于煤层气运移，同时有利于地下水的渗流。3、 煤层顶底板的水文地质条件对煤层气井产能的影响（1） 顶底板岩性影响煤层气井产能的顶底板水文地质条件包括顶底板岩性组合、厚度及贮水性。当煤层顶底板为泥岩且厚度较大时，可以形成良好的隔水层，从而封堵邻近围岩中的地下水越流进入煤层，有利于煤层气井排采，提高煤层气井的产能。（2） 煤层和顶底板

42、之间的连通性地质构造在煤层和顶底板的连通性之间起主要作用，正断层等张性断层中较大规模的裂缝发育，导水性好，容易在煤层和顶底板之间形成连通通道，逆断层、逆掩断层受压应力作用，裂隙不发育，同时断面受力摩擦形成的泥质起到堵水作用，导水性差，通常不会形成导水通道。4、 煤层气开发的水文地质条件评价分类矿井水文地质类型煤储层水文地质条件是影响煤层气富集和开发的重要地质因素，在煤层气资源评价及勘探开发工作中，对水文地质条件的描述分析多沿用对煤矿开采中的内容与形式：即地质构造背景、含隔水层特征、补径排条件等。煤层气开发的水文地质条件评价分类煤层气开发水文地质条件评价不同于煤矿开采水文地质条件评价。在煤层气井

43、的开发中研究水文地质条件的目的是通过抽排煤层中的地下水，从而降低煤储层压力使煤层中吸附的甲烷气释放出来。第8章 现今地应力及其对煤储层渗透性的控制地应力影响煤储层的渗透性和压裂裂缝的形态及扩展方向，是影响煤层气开发的重要地质因素。地应力是存在于地壳中的内应力，地应力的形成主要与地球的各种动力作用过程有关，按不同成因，地应力可分为：自重应力、构造应力、变异及残余应力和感生应力（附加应力）等类型。一、地应力成因类型及应力状态1、地应力成因类型（1）天然应力或初始应力在人类工程活动实施之前，岩体处于未经人为扰动的自然应力状态下，这种存在于地层中的未受工程扰动的天然应力称为岩体的天然应力或初始应力，也

44、称原始应力。包括自重应力、构造应力和变异及残余应力。（2）感生应力（附加应力）在岩体天然应力场内，因开挖或增加结构物等人类工程活动引起的应力称为感生应力（或附加应力）。2、 岩体天然应力状态及其类型岩体中的天然应力为三向不等压的空间应力场，三个主应力的大小和方向随空间和时间变化。根据三个主应力的大小和空间关系，可以确定岩体天然应力状态类型。（1）形成正断层的应力机制（2）形成逆断层的应力机制（2）形成平移断层的应力机制3、有效应力（1）有效应力原理煤储层有效应力是地应力与孔隙流体应力之差。煤储层变形和强度只随有效应力而变化，通过有效应力分析煤储层应力和变形是一个重要的手段。（2） 煤储层孔隙-

45、裂隙介质的双重有效应力原理变形机制：因为骨架颗粒本身的变形而导致的介质整体变形，称之为本体变形；因为介质微观结构上的变化，即骨架颗粒之间的相对位移而导致介质的整体变形，称之为结构变形。4、 煤储层的压缩系数煤储层所承受的压力来自两个方面：煤储层孔隙内流体传递的地下流体系统的压力，称为孔隙压力或储层压力，该压力作用于岩石孔隙内壁或内表面；作用于储层上面的地应力（如垂直应力和水平应力）。根据研究的目的，可将煤储层压缩系数表述为煤储层外表体积对煤储层外表体积、骨架体积及孔隙体积的变化；或者表述为煤储层骨架体积对煤储层外表体积、骨架体积和孔隙体积的变化；或者表述为煤储层孔隙体积对煤储层外表体积、骨架体

46、积和孔隙体积的变化。2、 煤储层渗透性与现今地应力之间的关系 煤储层为孔隙-裂隙型储集层，孔渗性是影响煤层气产能的关键地质参数之一。煤储层渗透性直接决定煤层气开发的钻井和完井方法及储层改造策略。在弹性变形阶段，压应力越大，煤储层渗透性越小，因此煤储层渗透性与原岩应力状态及其结构密切相关。在地应力的作用下，煤储层渗透率急剧下降，裂缝逐渐趋于闭合，这可解释随储层压力下降产量快速递减的原因。现今地应力的增大或有效应力的增大对低渗透煤储层的渗透率有较大的影响，随着现今地应力的增大或有效应力的增大，渗流空间减少，渗透率下降。在煤层气开发过程中，随着煤储层压力的下降，有效压力增加，煤储层渗透率下降。3、

47、地应力对煤储层渗透性影响机理分析1、 裂隙岩体渗透性与应力耦合关系煤、岩体中存在原生裂隙和次生裂隙，其裂隙的张开程度影响到煤、岩体的渗透特性，而地应力又控制着裂隙的宽度。2、 煤储层中的应力和变形对渗透性的影响煤基质块体中包含了煤储层中的主要孔容，其次是裂隙系统。裂隙是相互联通的，为生产井提供了主要渗流通道。原地应力对煤层渗透性的影响，基本体现在由煤储层中裂隙的变形导致的渗透率变化。第9章 煤、岩石力学性质及其压裂机理研究1、 煤、岩石力学性质1、 煤、岩石变形及强度参数弹性变形：弹性是指岩石在外力作用下产生变形，没有任何流动和破坏的象征，当外力撤除后，岩石能够完全恢复原状的性质。外力撤除后能

48、够恢复的变形称为弹性变形，对于岩石的弹性变形，又可以分为线弹性和非线弹性。塑性变形：塑性是指煤、岩石受力发生变形，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不断裂，卸载后变形不能完全恢复的性质。不能恢复的变形，称为塑性变形，又称残余变形或永久变形。黏性变形：黏性是指煤、岩石受力后变形不能在瞬间完成，受力变形中存在着与时间有关且应变速率随应力的大小而改变的性质。煤、岩石的变形随着时间的增长而直线地增加，当外力解除后，变形不再恢复。应变速率随应力而变化的变形称流动变形。2、 煤的变形力学特性（1） 煤的力学强度相对煤层顶底板岩石具有强度低、低弹性模量和高泊松比特性（2） 不同煤阶煤的力学性质存在一定差异（

49、3） 随着围压的增加煤的抗压强度和弹性模量增大（4） 煤储层裂隙发育、应力敏感性增强，对煤储层压裂和产气效果产生影响3、 煤、岩石破坏的基本形式和机制岩石变形过大或丧失对外力的抵抗能力时称为破坏。破坏时的应力称为破坏应力或强度。根据岩石本身性质的差异和受力条件的不同，将其破坏形式分为脆性破坏和延性破坏两种。在围压较小、温度较低、岩性坚硬的情况下，多呈脆性破坏方式；而在围压较高、温度较高和岩性较软的情况下，多呈延性破坏形式。岩石在复杂受力条件下，其破话形式和机制表现为：张破坏、剪破坏和塑性流动破坏。（1） 弱面剪切破坏：X状共轭斜面剪切破坏类型 单斜面剪切破坏类型（2） 脆性张破坏：楔劈型张剪破坏类型 拉伸破坏类型2、 煤层气井压裂的基本原理及应用分析煤层气井压裂是指使用专门的压裂车组把压裂液和支撑剂压入煤层，在煤层中人为地造成裂缝，使井筒与煤层的天然裂缝更有效地连通，扩大煤层的连通性，加速煤层压力降低，提高产气量。裂缝形成包括裂缝起裂和裂缝延伸两个过程。对水力压裂缝延伸高度、宽度和长度进行合理的预测分析的目的就是帮助压裂设计人员合理选择压裂井段、泵注排量、压裂液的体积、沙子的用量和泵压等参数，以获得需要的水力缝的