煤层气储集层课件

1、第三章 煤层气储集层1 煤层既是煤层气的源岩，又是煤层气赖以储存的载体。作为一种有机储层，必须具备一定的孔隙和足够大的比表面积，才能有效储存煤层气；同时又必须具备一定的、相互连通的裂隙，才能使煤层气有效产出。煤层气储层以其特殊的性质和与煤层气特殊的结合方式有别于常规油气储层。2第一节 储集层的孔隙与裂隙特征煤中自然形成的裂缝称为裂隙，往往呈多组出现，组成多个裂隙体系，裂隙对煤层气的运移和产出起决定作用。这些裂隙把煤体切割成一系列形态各异的基质单元，称基质块，基质块中所含的微孔隙称基质孔隙 3一、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。一般将较大空间称为孔

2、隙，其间连通的狭窄部分称为通道。 1. 基质孔隙的分类(1) 成因分类 气孔残留植物组织孔 次生孔隙 晶间孔 原生粒间孔 （2）孔径分类 4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 拉长的热变气孔，反映割理的流体压力成因，汝箕沟大峰露天矿侏罗系延安组二号煤 拉长气孔，有些已经连通，反映割理的流体压力成因，济源克井山西组二1煤 5沁水盆地煤变质气孔超微特征左：变质气孔，盆地北部阳泉一矿15#煤，yqyk15-3样，Ro=2.96%，12000；中：气孔与微裂隙贯通，盆地中部沁源沁新矿2#煤，qyqx2-3

3、样，Ro=1.66%，10000；右：爆裂气孔，盆地南部晋城寺河矿，jcsh3-1样，Ro=3.14%，4500。 孔隙成因类型6一般单个出现，热变作用的煤中可密集成群。其大小不一、排列无序。外形多为浑圆状，也有呈管状。直径多在1103 nm左右。一般不被次生矿物充填。 热变气孔，济源克井山西组二1煤 热变气孔，焦作古汉山山西组二1煤 特点：7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。 残留植物组织孔，丝质体胞腔孔隙，平顶山下石盒子组戊组煤，反光照片，100残留植物组织孔，菌类体内的孔隙，宁夏汝箕沟延安组，SEM。

4、 其大小均一、排列有序，直径多为1102 nm 104 nm，这类孔隙可被矿物质部分充填 8 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。 次生孔隙指原生矿物或次生矿物晶粒间的孔隙。晶间孔割理内充填的方解石晶体内发育的晶间孔，晋城山西组3号煤，SEM。 9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。 颗粒间的填隙物及填隙物内的原始粒间孔，灵武灵新煤矿侏罗系延安组2号煤。 煤的原始粒间、粒内孔隙，灵武灵新矿侏罗系延安组3号煤10(2) 孔径分类11(3) 基质孔隙的结构基质孔隙的结构主要指其形态 12

5、煤中基质孔隙的类型及特征(吴俊） 132. 基质孔隙度 煤的基质孔隙可用三个参数定量描述总孔容：单位重量煤中孔隙的总体积（cm3/g）；孔面积：单位重量煤中孔隙的表面积（cm2/g）；孔隙度：单位体积煤中孔隙所占的体积（%） 指岩石中互相联通的、在一般情况下可允许流体在其中流动的孔隙总体积（Ve）与该岩样总体积（Vb）之比 （常规油气储层）143 基质孔隙度的影响因素(1) 煤化程度 1、Ro,max2.5%，各类孔隙的孔容和比表面积均呈现下降趋势。这是由于此阶段煤的生烃能力显著下降，新的气孔的生成微弱，而高温高压作用下进一步的煤化作用引起的大规模缩聚作用导致各类孔隙的减少。16 煤的基质孔隙

6、决定煤的吸附能力，这种孔隙孔容和比表面积随煤阶的变化趋势造成了煤吸附甲烷能力具有类似变化趋势。17(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： 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。18(4) 煤体结构的影响煤体结构的分类 19糜棱煤与原生结构煤不同孔径孔的孔容也存在差异 在构造应力或其它力（如重力）的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

7、煤的孔隙特征。总体上破坏程度越深，煤的孔隙度和比表面积增加越大。20(5) 断裂的影响采样点断层性质距断层距离(m)总孔容(cm3/g)孔面积(m2/g)孔 隙 体 积(cm3/g)排驱压力(105 Pa)微孔小孔中孔大孔丰城正断层上盘10200.0530.04713.8717.280.02090.02720.00800.00950.00770.00450.01640.00581.2172.2下盘30300.0490.04216.4416.840.02550.02550.00900.00880.00410.00370.01040.003997.3247.6 断裂作用对煤的孔隙特征的影响 断裂可

8、使煤的孔隙度增加。距断裂越近，大中孔隙体积和总孔容越大，而小孔和微孔体积变化不大。另外张性断层使煤的大中孔隙增多，压性断层使煤的中孔增加。214. 基质孔隙的研究方法(1) 形貌观测光学显微镜、电子显微镜下（TEM和SEM）和原子力显微镜下 这种观测不仅能确定孔隙形态、大小和连通性，更重要的是确定其成因类型以及它们与裂隙的关系。 22： 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。 目前所用压汞仪使用压力最大约200MPa，可测孔半径范围为

9、3.75750nm。（2）压汞法研究孔隙结构23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。 其物理意义：润湿相流体被非润湿相流体排替所需要的最小压力。 在毛管压力曲线上,就是沿着曲线的平坦部分作切线与纵轴相交的压力值。也可用曲线的初始拐点(或突变点)的水平位置定为排驱压力。 与排驱压力值相对应的就是最大连通孔隙喉道半径(rd)。歪度：指孔隙大小分布偏于粗孔径还是细孔径的状况。偏于粗 孔径称为粗歪度，偏于细孔径称为细歪度. 毛管压力曲线形态的偏斜度。24各级别孔径的孔隙含量 饱和度中值压力（pc5

10、0）:是指毛细管压力曲线上饱和度为50%所对应的毛细管压力。 饱和度中值半径（r50） :与pc50对应的孔隙半径称饱和度中值半径（r50） pc50愈低，r50 愈高，物性愈好。束缚孔隙 :在极高压力下，汞仍不能进入的那部分孔隙称束缚孔隙。 25最小非饱和的孔隙体系百分数Smin%排驱压力排驱压力Pd孔隙等效半径r饱和度中值压力Pc50孔径大小与毛细管压力的关系，可以用Laplace方程表示： r = -2cos/ Pc式中： 水银与煤样的接触角，取140； 水银表面张力，常取480105N/cm26毛细管压力曲线与孔隙吼道分布直方图 按一定范围计算r百分含量，并作孔喉等效半径分布图。r越集

11、中越大，孔隙结构越好。27 不同毛细管曲线形态反映不同孔隙大小和分布。1-未分选；2-分选好； 3-分选好，粗歪度； 4-分选好，细歪度； 5-分选不好，略细歪度； 6-分选不好，略粗歪度。不同分选和歪度条件下的毛细管压力曲线28古汉山煤样压汞-退汞曲线对比图 29（3）低温氮吸附法 氮吸附法就是将定量的煤样置于液氮温度下的氮气流中，待煤样吸附的氮气达到平衡后，测定其吸附量，计算出煤样的比表面积。 30二、煤的裂隙特征 1. 煤中裂隙的分类 根据成因将煤中裂隙区分出3类； 根据成因和形态细分为8个组； 最后根据形态与组合关系区分为17 型。31（1）割理 割理一般呈相互垂直的两组出现，且与煤层

12、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 割理内充填的自生石英，汝箕沟大峰露天矿侏罗系延安组二号煤面割理和断割理均被褐铁矿充填，属次生淋滤矿物，平顶山十矿山西组戊9-10煤割理被次生显微组分充填，因后期应力的作用沿一侧被裂开，焦作古汉山山西组二1煤32割理内充填的次生显微组分形成的次生裂隙，焦作古汉山山西组二1煤。 经有机溶剂刻蚀后显示出割理被次生显微组分充填的特征，充填的割理与现存的方向、大小基本一致，焦作古汉山山西组二1煤几乎完全充填33割理内充填的方解石晶体内发育的晶间孔，晋城山西组3号煤，SEM 不规则网

13、状割理，无法区分面割理与端割理，济源下冶太原组二4煤 规则网状割理，面割理和端割理将煤体切割成立方体基质块，平顶山六矿下石盒子组戊8煤规则发育的面割理和端割理，灵武灵新煤矿侏罗系延安组3号煤34S型展布的割理被方解石充填，具有张性特征，上为沿层面方向，下为垂直层面方向，晋城寺河煤矿下二叠统3号煤 剪切作用形成的一组S型割理，焦作古汉山山西组二1煤 面割理和限于面割理之间的端割理，平顶山一矿下石盒子组戊9煤 35 直线型连续延伸的一组割理，平顶山一矿下石盒子组戊9煤 多期构造应力叠加形成的割理，焦作古汉山山西组二1煤 割理终止于丝质体，平顶山下石盒子组戊8煤 割理以及与之沟通的基质孔隙，平顶山五

14、矿山西组己16-17煤。36（2）外生裂隙 外生裂隙是构造应力作用的产物。 由于外生裂隙可以以任何角度与煤层层面相交，因此可以根据外生裂隙与层面的关系将其分成三类： 水平裂隙：与层面平行的裂隙，包括原生沉积的层面裂隙（或称成岩裂隙）及构造作用产生的层间裂隙。 垂直裂隙：与层面垂直的裂隙。 斜交裂隙：与层面有一定角度的裂隙。 371、2. 一期构造应力场形成的两组外生裂隙，汝箕沟大峰露天矿侏罗系延安组二号煤。3. 两组共轭的剪性外生裂隙将煤体切割成菱形基质块，平顶山一矿山西组己15。4. 两期构造应力场形成的3组剪性外生裂隙，焦作古汉山山西组二1煤。5. 一组密集排列的剪性外生裂隙和由之派生出的

15、限于相邻两条裂隙之间的张性裂隙，平顶山一矿山西组己15煤。6. 剪切作用形成的桥构造，反光，100，焦作古汉山山西组二1煤。7. 逆冲外生裂隙，平顶山八矿下石盒子组戊9-10煤。8. 第二期应力场形成的两条平行的剪性外生裂隙，切割了先期形成的裂隙同时派生出来的张性裂隙，晋城寺河矿山西组3号煤。38张剪性外生裂隙，反光，150，平顶山十矿下下石盒子组戊9-10煤。剪性外生裂隙以及由之派生的张性裂隙，反光，170，平顶山十矿下下石盒子组戊9-10煤。剪性外生裂隙和由之派生的张性裂隙，反光，150，平顶山十矿下下石盒子组戊9-10煤。张性外生裂隙，裂隙内充填的方解石呈背生式生长，平顶山五矿山西组己1

16、5煤。追踪式裂隙，裂隙内充填碎煤粒，晋城寺河矿山西组3号煤。剪性外生裂隙和与之共生的张性裂隙，平顶山八矿山西组己15煤。与褶皱伴生的张裂隙，平顶山五矿山西组己15煤。39 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

17、、褐铁矿、粘土外，还有碎煤粒。40（3）继承性裂隙 继承性裂隙实际上是先期形成割理的再改造，按其性质可分为内生继承和外生继承两种。 内生继承是指晚期形成的割理与早期割理的方向一致，沿早期的面割理或端割理发育，但仍局限在光亮煤分层内，属割理范畴。 外生继承是指割理形成后，如果构造应力场的方向不变，割理受逐渐增强的构造应力场的作用，沿原来的产状扩展、延伸，并穿过丝质体或暗煤分层，过渡为外生裂隙 。41割理发育在镜煤条带内或扩展到丝质体内成为继承性裂隙，平顶山六矿下石盒子组戊8煤 继承性裂隙内充填的碎煤粒（左侧）和方解石（右侧），平顶山八矿下石盒子组戊10煤 亮煤和镜煤条带中割理发育，终止于丝炭条带

18、，被方解石充填。可以明显看出最下部亮煤分层中的割理受后期构造应力改造的痕迹，为继承性裂隙。平顶山十矿下二叠统戊9-10煤422. 割理的成因（1）割理密度与煤阶、煤岩组分的关系 割理密度与煤阶的第一种关系 与Ammosov和Eremin的相同，随煤阶增高呈偏正态分布，可用下式定量表达：43割理密度与煤阶的第二种关系 与Laubach等人的相同，割理密度随煤阶增高在Ro,max=1.3%时达到极大值，之后保持稳定，用下式定量表达：44 割理密度与煤阶的第三种关系 这一关系可用下式定量表达： 45 割理密度与光亮型组分厚度的关系 46（2）割理密度与岩浆侵入的关系阜新盆地王营矿区岩墙造成节理发育变

19、化 47（2）割理的矿化作用 割理的矿化是指煤化作用，甚至后生作用过程中，割理被矿物质充填形成脉体。 脉是不同的多晶矿物的集合体。 主要从宏观形态、微观形态、生长形态的描述和生长机理四个方面对裂隙脉进行研究 裂隙脉，按宏观特征分为两类：其形成与刚性物体有关的压力晕（影）和形成与刚性物体无关的一般意义上的脉。 48 裂隙脉的微观形态是指组成脉的矿物的结构、形状和排列组合形式。 块状脉：块状脉的矿物颗粒近似等大，随机分布。 拉长块状脉：与块状相比，拉长块状脉的矿物颗粒生长具有竞争性，表现为优势生长方向拉长 。纤维状脉：纤维状的矿物颗粒不表现出竞争生长，颗粒长轴呈直线排列。扩展状脉：是由后期的脉物质

20、沉积在先期的颗粒表面而形成的一种复合结构。 49岩石裂隙脉生长机理裂隙脉的生长机理包括生长方式和形成机理两个方面。 裂隙脉的生长方式主要有对生式、背生式或二者的组合 对生式：该方式对应脉物质颗粒的生长方向是从两侧向中央（脉的中间面），裂隙脉的生长面即为脉的中间面 对生式基本特征示意图 50背生式：其对应脉物质颗粒的生长方向是从脉体的中部向两侧；该方式生长的裂隙脉具有两个生长面，位于脉与围岩之间 。背生式基本特征示意图组合方式：当脉体由两种矿物组成时，可能出现其中的一种以对生式生长，另一种以背生式生长，于是整条裂隙脉就呈现出组合生长方式。这种方式下的生长面也为两个 。51裂隙脉的形成机理包括脉物

21、质的运移和沉积 。运移机理：脉物质的运移主要通过在流体中扩散流动、随流体流动两种方式实现。 扩散流动，流体不一定流动，甚至可处于完全静止状态，脉物质因自身的浓度梯度而在流体中扩散，即流体是一种静态的载体。 随流体流动，脉物质溶解于流体中，随流体运移。可以进一步划分为两类： 第一类，流体经由通道（裂隙）或渗透介质运移。第二类，流体压裂裂隙运移。流体成为裂隙的一部分，与裂隙同步运动。同构造脉。沉积机理。脉物质可能经历一期沉积，也可能经历多期沉积 。52煤中裂隙脉的生长方式面割理被方解石充填，焦作古汉山山西组二1煤。后者是前者的放大，方解石纤维脉呈对生式生长，基本与割理壁垂直，反映割理的张性成因。

22、割理内充填的方解石纤维脉呈对生式生长，反映割理的张剪性成因，济源克井下二叠统二1煤。 53 割理内充填的方解石纤维脉呈拉张式生长，垂直于割理壁，说明割理的张性成因，平顶山八矿下石盒子组戊9-10煤 继承性裂隙内充填的碎煤粒（左侧）和方解石（右侧），平顶山八矿下石盒子组戊10煤 多期次生裂隙脉，焦作下二叠统二1煤 剪性外生裂隙以及由之派生的张性裂隙，反光，170，平顶山十矿下下石盒子组戊9-10煤 54流体压力致裂的机理 煤中流体（包括气体和液体）的来源有两个：煤化作用过程中形成的流体（气态和液态）和补给来的地下水。当流体压力满足如下条件时，将导致裂隙的形成与扩展： 流体压力导致裂隙形成与扩展机

23、理 55 煤中流体压力导致裂隙的形成与扩展存在3种情形：基质孔隙向割理的扩展、割理向外生裂隙的扩展以及外生裂隙的进一步扩展。亮煤和镜煤条带中割理发育，终止于丝炭条带，被方解石充填。可以明显看出最下部亮煤分层中的割理受后期构造应力改造的痕迹，为继承性裂隙。平顶山十矿下二叠统戊9-10煤割理接近丝质体时方向变化并终止，平顶山五矿山西组己15煤 56 流体压裂裂隙、割理、外生裂隙的特征对比 57内张力作用：在泥炭化作用和煤化作用过程中，由于植物遗体在微生物、温度、压力的作用下发生凝胶化作用，变成塑性、半塑性的物质，并且伴随着大量流体的生成。随着流体的生成与产出，煤基质发生收缩产生内张力，形成不规则的

24、网状割理，类似于熔岩冷却和泥裂产生的裂隙。流体压力的作用： 构造应力：煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊沉积岩石，在微弱的构造应力作用下即可发生相对强烈的变形。 （3）割理的成因 迄今为止关于割理的成因有几种假说：内张力作用、基质收缩作用、流体压力作用和构造应力作用等。 58割理的类型及其形成机制 I1中面割理沿最大主应力场方向延伸，端割理则沿最小主应力场影响延伸，从而形成规则的网状割理。当构造应力场各向同性或较弱时，形成不规则网状割理。如果主应力差较大，则形成线性连续或孤立状割理（II1）。剪切应力作用下形成S 型割理 (II2)。多期构造应力场作用下形成复杂的割理类型（III） 59（4）割理的闭合 割理的闭合是指从宏观和微观形貌角度无法观测到割理的存在。 割理的闭合存在两种机制： 次生显微组分充填：煤化作用过程中形成的、非植物遗体原始来源的次生显微组分，如渗出沥青质体充填到割理中，随着煤化程度的加深，其光学特征与镜质组相同，从而无法观测到，造成割理的闭合