第四章煤层瓦斯赋存及煤储层物性特征

1主讲：史广山讲师安全学院瓦斯地质研究所

瓦斯地质学第四章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

第四章3第一节煤层瓦斯地球化学特征

一、瓦斯的化学组分烃类气体:甲烷及其同系物非烃类气体:二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢和稀有气体氦、氩等。

（一）烃类气体主要成分是甲烷，其含量一般大于80%，其他烃类气体含量极少。（二）非烃类气体非烃类气体含量通常小于20%第四章4二、影响瓦斯地球化学组成的地质因素

煤岩组分（母质）煤阶瓦斯成因埋藏深度及相应的温压条件瓦斯解吸和扩散水动力条件和次生作用第四章5（一）煤岩组分的影响显微煤岩组分：镜质组、壳质组、惰质组煤分为腐殖煤类和腐泥煤类腐殖煤类以镜质组为主，含少量的壳质组、惰质组腐泥煤类以壳质组和富氢镜质组为主产气量：壳质组>镜质组>惰质组腐殖煤产气：高甲烷（90％～95％以上），低湿气（一般＜0.5％），腐泥煤类：甲烷较低（47％～75％左右）湿气较高（20％左右）（二）煤化程度的影响6一般而言，煤变质程度越高，生成的气体量也越多；低变质煤生成的热成因气以二氧化碳为主；高变质煤生成的气体主要成分为甲烷。（三）瓦斯成因的影响瓦斯成因：生物成因：二氧化碳的还原作用；生成的甲烷其同位素较轻且富氘；有机酸(一般为乙酸)的发酵作用。

生成甲烷同位素较重且消耗氘热成因：1、

重烃一般出现在中高挥发分烟煤；2、

随着煤化程度的增高重同位素13C在甲烷和乙烷中富集；3、

随着煤化程度的增高甲烷也相对富集氘7二、影响瓦斯地球化学组成的地质因素

（四）埋藏深度影响随着煤层埋藏深度增加，煤层甲烷的同位素δ13C1值呈增大趋势。

（五）瓦斯解吸和扩散同为甲烷分子，轻同位素12C1比较重的、极性更强的13C1容易解吸，且解吸速度快。

（六）水文地质条件如美国圣胡安盆地，北部：超高压区瓦斯为富CO2干气，南部：低压区瓦斯则为贫CO2湿气。在区域抬升后又遭受剥蚀的盆地边缘，在细菌的降解和自身代谢活动作用下生成次生生物成因气。（七）次生作用的影响主要是生物成因气和热成因气的混合和湿气组分的氧化作用。第四章8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

第四章9一、煤层瓦斯赋存状态

第二节煤层瓦斯赋存与瓦斯吸附解吸特征

图4-3煤体中瓦斯赋存状态煤体游离瓦斯吸着瓦斯煤体孔隙吸附瓦斯10(一)吸附态瓦斯煤层瓦斯以吸附方式储存于煤层中。吸附状态的瓦斯占煤中瓦斯总量的80%～95%。煤是一种多孔介质，对瓦斯具有很强的吸附能力。一、煤层瓦斯赋存状态美国几个含煤盆地中煤与砂石储气能力的比较（据Kuuskvaa等，1989）1—圣胡安盆地高挥发分烟煤；2—黑勇士盆地中挥发分烟煤；3—常规砂岩储层（孔隙度Φ=25%，水饱和度为30%）；4—圣胡安盆地中挥发分烟煤；5—常规砂岩储层（孔隙度Φ=22.5%，水饱和度为35%）。（二）游离态瓦斯

存在于煤体或围岩的较大裂隙、孔隙和空洞之中自由分子服从一般气体状态方程，因分子热运动显现出气体压力

煤中游离瓦斯的含量不大。埋深在300～1200m范围内的中变质煤，其游离瓦斯仅占总含气量的5%～12%。

游离瓦斯的含量取决于煤的孔隙（裂隙）体积、温度、压力和瓦斯成分及其压缩系数

式中：Qy为游离气含量（cm3/g）；fi为第i气体摩尔分数，V为单位质量煤的孔隙体积（cm3/g）；p为气体压力（MPa）；Ki为第i气体的压缩系数。

一、瓦斯赋存状态二、

煤层瓦斯吸附特征一、煤的吸附特征（一）吸附类型

煤是一种多孔的固体介质，具有很大的内表面积，具有吸附气体的能力。吸附是指气体以凝聚态或类液态被多孔介质所容纳的一种过程。吸附过程可分为物理吸附和化学吸附两种类型。

物理吸附是由范德华力和静电力引起的，气体和固体之间的结合较微弱；物理吸附是快速、可逆的。化学吸附是由共价键引起的，气体和固体之间的结合力很强；化学吸附是缓慢、不可逆的。煤对气体的吸附以物理吸附为主体。二、

煤层瓦斯吸附特征吸附瓦斯游离瓦斯压力↓温度↑压力↑温度↓吸附瓦斯与游离瓦斯处于动平衡状态；外界压力、温度变化，原平衡破坏，重新达到新的平衡状态；在平衡状态时，吸附剂所吸附的气体量与温度与压力有关。吸附等温线的5种类型（二）煤的瓦斯吸附理论1．单分子层吸附理论—Langmuir方程和Henry公式朗缪尔方程的基本假设条件是：①吸附平衡是动态平衡；②固体表面是均匀的；③被吸附分子间无相互作用力；④吸附作用仅形成单分子层。其数学表达式为：

Langmuir方程的另一种表达方式是：二、

煤层瓦斯吸附特征讨论：1：吸附剂的内表面积最多有10%被气体分子覆盖时，即气体平衡压力较低时，Langmuir方程会演变成什么？

V=a·b·p(4-5)

式（4-5）被称为亨利（Henry）公式2：气体平衡压力很高时，Langmuir方程有变为什么？V＝a，这就是饱和吸附，它反映了a值的物理意义。单分子层吸附理论适合于描述图4-5中的Ⅰ类吸附等温线，是目前广泛应用的煤的吸附状态方程。二、

煤层瓦斯吸附特征（三）煤对甲烷的吸附能力

煤是一种优良的天然吸附剂，对各种气体具有很强的吸附能力，与常规储层储气机理不同

煤吸附气体的特征和机理存在不同的理解和认识，但均认为煤吸附甲烷属物理吸附是不争的事实。

大量的吸附试验证明，煤对甲烷等气体的吸附是快速和可逆的。大量煤样的吸附等温线属Ⅰ类；只有少数吸附等温线属Ⅱ类，且在压力较高时才会出现。煤吸附气体属单分子层吸附，用Langmuir方程可以较好地描述绝大部分煤的吸附等温线；虽然有一定误差，但可以满足工程应用要求。二、

煤层瓦斯吸附特征17美国黑勇士盆地煤样的吸附等温线（据Collins，1991）图4-8（四）影响煤吸附性的因素煤吸附性大小主要取决于3个方面的因素：①煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度；②被吸附物质的性质；③煤体吸附所处的环境条件。煤化变质程度；煤中水分；瓦斯成分；瓦斯压力破坏程度；吸附平衡温度等。二、

煤层瓦斯吸附特征1．瓦斯压力的影响给定温度下，随着瓦斯压力的升高，煤体吸附瓦斯量增大。当瓦斯压力增加到一定值后，吸附的瓦斯的吸附量增加较缓慢将趋于定值二、

煤层瓦斯吸附特征2．吸附温度的影响

目前的实验研究表明：温度升高，瓦斯分子活性增大，不易被煤体吸附；同时，已被吸附的瓦斯分子在温度升高时易于获得动能，发生脱附现象，吸附瓦斯量降低。二、

煤层瓦斯吸附特征3．瓦斯成分的影响给定吸附气体、温度条件下的等温吸附线

单组分时，煤对气体的吸附能力：CO2＞CH4＞N2二、

煤层瓦斯吸附特征单组分和多组分混合气体等温吸附曲线二、

煤层瓦斯吸附特征煤对混合气体中各组分的吸附量比对强吸附组分单独作为吸附质时的吸附量要小，这说明煤对混合气体的吸附不仅与煤的性质有关，还与混合气体中各组分的组合类型有关。煤对由CO2与CH4、CH4与N2组成的混合气体及CO2、CH4、N2的吸附性强弱顺序依次为：CO2＞CO2+CH4

＞CH4

＞CH4+N2

＞N2

。4．煤的变质程度的影响

煤的变质程度对煤的瓦斯生成量及比表面积有较大影响。随着煤变质程度的增加，煤对甲烷的吸附能力先减小，再变大，呈U型变化，见下图。从中变质烟煤到无烟煤，吸附量相应增加。不同变质程度煤的吸附瓦斯量

二、

煤层瓦斯吸附特征图4-12不同变质程度（Rmax）煤在45℃条件下的等温吸附曲线（据张新民等，2002）5．煤中水分的影响水分的增加会使煤的吸附能力降低。图4-13煤中天然水分对甲烷吸附量的影响二、

煤层瓦斯吸附特征干燥煤样与平衡水煤样等温吸附曲线对比二、

煤层瓦斯吸附特征解吸:煤中吸附气因储层压力降低或温度升高等而转变成游离气体的过程叫解吸。第四章26三、煤的解吸特征煤层解吸特征常用可解吸率（或可解吸量）和解吸速率衡量。（一）解吸率和解吸量我国前期煤田地质勘探瓦斯（煤层气）含量由四部分构成，即损失气量、现场两小时解吸量、真空加热脱气量和粉碎脱气量。解吸率：损失气量与解吸气量之和与总含气量之比。解吸量：损失气量与现场两小时解吸气量之和，即解吸率与实测含气量的乘积。三、煤的解吸特征27（二）解吸时间实测瓦斯解吸体积累计达到总解吸气量（STP：标准温度、压力）的63.2%时所对应的时间称为解吸时间。解吸时间取决于煤的组成、煤基块大小、煤化程度和煤的裂隙间距。煤层气勘探开发实践表明：解吸时间与产能达到高峰的时间有关，与煤层气长期的产能关系并不密切。解吸时间短，煤层气井有可能在短期内达到产能高峰，有利于缩短开发周期，但不利于气井的长期稳产。（三）解吸速率

单位时间内的解吸气量称为解吸速率。解吸速率受控于煤的组成、煤基块大小、煤化程度和煤的破碎程度。自然解吸条件下解吸速率总体表现为快速下降，但初始存在一个加速过程，中间解吸速率出现跳跃性变化，可能是煤孔径结构影响的结果。4.4煤层瓦斯解吸特征图4-17晋城3煤层解吸过程中解吸速率的变化规律（据傅雪海等，2007）29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

含量的四种定义残存瓦斯含量煤层瓦斯含量原始瓦斯含量可解吸瓦斯含量一、煤层瓦斯含量的基本概念第三节煤层瓦斯含量及其影响因素煤层受到采动影响，已经排放出部分瓦斯，则剩余在煤层中的瓦斯含量煤层未受采动影响时的瓦斯含量煤的原始瓦斯含量与煤层残存瓦斯含量之差（一）煤的变质程度的影响

煤的变质程度吸附能力石墨烟煤褐煤无烟煤不同变质程度煤对瓦斯的吸附能力示意图煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大。当其它条件相同，从褐煤到无烟煤阶段，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。瓦斯生成量煤的吸附能力二、

影响煤层瓦斯含量的主要因素二、

影响煤层瓦斯含量的主要因素（二）围岩条件的影响

煤层围岩是指包括煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的煤层顶底岩层。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，取决于它的隔气和透气性能。当煤层顶板岩性为致密完整的岩石，如页岩、油页岩和泥岩时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石，如砾岩、砂岩时，瓦斯容易逸散。二、

影响煤层瓦斯含量的主要因素（三）地质构造类型及组合对瓦斯保存的影响不同类型的地质构造在其形成过程中，由于构造应力场及其内部应力状态的不同，导致煤层和盖层的产状、结构、物性、裂隙发育状况及地下水径流等条件出现差异，进而影响到煤层瓦斯的保存。地质构造不同的部位及组合对瓦斯的保存、运移等都不尽相同。二、

影响煤层瓦斯含量的主要因素褶皱构造：岩层在外力作用下发生各种各样的变形，但仍保持岩层的连续性和完整性。这种构造形态叫褶皱构造。1、褶曲构造对瓦斯保存的影响褶皱构造影响煤层瓦斯的保存为多数研究者所承认，也是煤矿开采实际所证明背斜和向斜特别是它们的轴部及其附近,既有煤层瓦斯含量较高、或者发生瓦斯涌出或发生煤与瓦斯突出的现象,也有煤层瓦斯含量较低或不发生集中瓦斯涌出或煤与瓦斯突出褶曲构造是如何影响瓦斯保存的？1、褶曲构造对瓦斯保存的影响1、褶曲构造对瓦斯保存的影响（1）褶皱中和面褶皱构造是自然界发育最为广泛的构造类型之一,褶皱中和面是层状岩体遭受水平挤压发生弯曲变形时所表现的一种构造现象。定义：指褶皱岩层弯曲时，强硬岩层的外弧受到切向拉伸线应变，内弧受到切向压缩线应变，而在内、外弧之间必定有一个没有有限应变的面，称为褶皱中和面

1、褶曲构造对瓦斯保存的影响中和面褶皱作用伸长应变区无应变区缩短应变区（2）褶皱中和面上下受力分析褶皱岩层在中和面上、下具有完全不同的应力应变状态1、褶曲构造对瓦斯保存的影响（3）褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型背斜上层逸散型背斜下层聚集型向斜上层聚集型向斜下层逸散型1、褶曲构造对瓦斯保存的影响1、褶曲构造对瓦斯保存的影响（3）褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型背斜上层逸散型煤层位于中和面以上的背斜褶皱上层。中和面以上岩层或煤层为拉伸引张力作用,尤其背斜轴部引张力更为强大,致使韧性岩层在轴部厚度变薄、孔隙加大,或脆性岩层发育张性裂面或断层,使煤层及岩层透气性增高,提供了瓦斯活动的通道由于煤层的软塑性特点,煤层由背斜轴部向着两翼移动增厚,褶皱作用所伴生的沿层理的滑动极易选择煤层作为滑动层,使得煤层揉皱、破碎,煤层瓦斯由吸附状态大量解析为游离瓦斯,顺其孔隙、张性裂面或断层逸散。(1)(2)(3)1、褶曲构造对瓦斯保存的影响（3）褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型背斜下层封闭型指煤层位于中和面以下的背斜褶皱下层是岩层或煤层在挤压力作用下煤层从褶皱冀部向轴部流动变厚,或产生层间滑动和顺层断层,使煤层揉皱、破碎,瓦斯由吸附解析为游离状态。当中和面之上张性裂面组成的非封闭构造并未影响到煤层时,这时背斜轴部将处于一种高度挤压,瓦斯富集的构造封闭环境(1)(2)(3)（3）褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型向斜上层聚集型指煤层位于中和面以上的向斜褶皱上层它的特点是岩煤层处于强烈被挤压状态,向斜轴部煤层增厚、顺煤层滑动等使煤层揉皱、破碎,瓦斯大量解析。尽管岩煤层中也有可能产生断裂,但断裂在挤压状态下裂面紧密,构造封闭功能仍然存在,故向斜轴部煤层瓦斯富集(1)(2)(3)1、褶曲构造对瓦斯保存的影响（3）褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型向斜下层逸散型指煤层位于中和面以下的向斜褶皱下层特点是岩层或煤层处于引张拉伸状态,向斜轴部煤层受拉变薄,尽管由于下伏岩层的圈闭张性裂面不如背斜发育,但在煤层由向斜轴部向翼部流动运移中,将通过这些裂面使煤层瓦斯部分逸散,故向斜轴部的煤层瓦斯含量将降低或不发生突出。(1)(2)1、褶曲构造对瓦斯保存的影响（3）褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型注意：褶曲构造对瓦斯赋存的影响主要分析煤层受力状态以及力对煤层和上覆、下伏岩层的破坏情况。(1)褶皱控制煤层瓦斯基本类型属标淮的瓦斯褶皱类型,当背斜上层之上有较好盖层或背斜下层由于后期抬升剥蚀严重,或后期张性断裂穿切煤层时,其煤层瓦斯的聚集与逸散情况将与标准类型有一定差异。(2)更加复杂！1、褶曲构造对瓦斯保存的影响破裂面两侧岩块有明显相对位移的断裂构造。（1）断层：1.下盘；2.上盘；3.断层面2、断裂构造对瓦斯保存的影响断盘（上盘）断盘（下盘）断层线正断层——上盘相对下盘向下滑动的断层上盘下降下盘上升逆断层——断层上盘相对下盘向上滑动的断层。

逆掩断层——指断层倾角＜45°的逆断层。上盘上升下盘下降平移断层——断层两盘顺断层面走向相对滑动的断层；规模巨大的平移断层称为走向滑动断层。水平错动

断裂构造破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变化。有的断层有利于瓦斯排放，有的断层对抑制瓦斯排放而成为逸散的屏障。开放型断层、封闭型断层。2、断裂构造对瓦斯保存的影响断层的开放性与封闭性取决于下列条件：断层属性和力学性质，一般张性正断层属开放型，而压性或压扭性逆断层通常具有封闭性；断层与地表或与冲积层的连通情况，规模大且与地表相通或与冲积层相连的断层一般为开放型；断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质有关，若透气性好则利于瓦斯排放；断层带的特征、断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况等都会影响到断层的开放性或封闭性。2、断裂构造对瓦斯保存的影响

控制瓦斯分布的构造形迹的组合形式，大致归纳为以下3种类型：（1）逆断层边界封闭型

压性、压扭性逆断层常为矿井或区域的两翼边界，断层面一般相背倾斜，使整个区段处于封闭的条件之下，瓦斯封闭条件好。3、构造组合对瓦斯保存的影响Arr2ArJ2ArAr∈+OJ1-2ArArQJ2-K1大青山煤田京包铁路黄河大青山煤田剖面图如内蒙古大青山煤田，南北两侧边界均为逆断层，断层面倾向相背，煤田位于逆断层的下盘，在构造组合上形成较好的封闭条件。该煤田各矿井煤层的瓦斯含量普遍高于开采同时代含煤岩系的乌海煤田和桌子山煤田。3、构造组合对瓦斯保存的影响（2）构造盖层封闭型盖层条件，原来是就沉积盖层而言，从构造角度，也可以指构造成因的盖层。如某一较大的逆掩断层，将大面积透气性差的岩层推覆到煤层或煤层附近之上，改变了原来的盖层条件，同样对瓦斯起到封闭作用。吉林通化矿区铁厂二井，北东东向的张性断层虽然有利于瓦斯排放，但煤层上覆地层被逆断层的上盘所覆盖，由于断层面及上盘地层的封闭作用，下盘煤层瓦斯大量聚集，瓦斯含量显著增高。3、构造组合对瓦斯保存的影响（3）断层块段封闭型

该类型由两组不同方向的压扭性断层在平面上组成三角形或多边形块体，块段边界为封闭型断层所圈闭。如河北峰峰煤田，含煤岩系被晚期构造运动所产生的一系列高角度正断层切割，形成若干小型地堑或地垒构造（下图），构成一些有利于瓦斯储存的封闭区。当这些封闭区远离煤层露头时（如羊渠河矿、大椒树矿等），即使含煤地层被抬升、埋深较浅，矿井瓦斯涌出量仍然很大。峰峰煤田地质剖面略图3、构造组合对瓦斯保存的影响

暴露式煤田煤系地层出露于地表，煤层瓦斯易于沿煤层露头排放。而隐伏式煤田如果盖层厚度较大，透气性又差，则煤层瓦斯保存条件好；反之，若覆盖层透气性好，容易使煤层中的瓦斯缓慢逸散，煤层瓦斯含量一般不大。在评价一个煤田的暴露情况时，不仅要注意该煤田目前的暴露程度，还要考虑到成煤整个地质历史时期内煤系地层的暴露及瓦斯风化过程的情况。

4、煤田暴露程度的影响

煤层瓦斯运移的总趋势是瓦斯由地层深部向地表逸散随着埋深的增加不仅会因地应力增高而使围岩的透气性降低，气体穿层逸散困难，而且瓦斯向地表运移的距离也增大一般来说，埋藏深度越深越利于封存瓦斯、而不利于逸散5、煤层的埋藏深度的影响岩浆侵入含煤岩系或煤层，在岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程度升高，瓦斯的生成量和吸附能力增大。在缺少隔气盖层或封闭条件不好时，岩浆的高温作用可以强化煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。岩浆岩体有时会使煤层局部被覆盖或封闭，形成隔气盖层，瓦斯得以保存但在某些情况下，由于岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化作用加强，可逐渐形成裂隙通道，有利于瓦斯的排放。岩浆活动对瓦斯赋存既有生成和保存作用，在某些条件下又会增加瓦斯逸散的可能性。因此，在研究岩浆活动对煤层瓦斯的影响时，要结合地质背景作具体分析。总的来看，岩浆侵入煤层有利于瓦斯生成和保存的现象比较普遍。6、岩浆活动的影响61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

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62第四节煤层瓦斯垂向分带一、瓦斯垂向四带CH4CH4CH4CH4N2CO2CH4瓦斯风化带甲烷带63一、瓦斯垂向四带瓦斯风化带瓦斯带第四节煤层瓦斯垂向分带64按瓦斯成分划分瓦斯带标准瓦斯带名称组分含量（%）CH4N2CO2二氧化碳－氮气带氮气带氮气－甲烷带甲烷带0～100～2020～8080～10020～8080～10020～800～2020～800～200～200～10图4-465

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）66

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。三、瓦斯风化带深度存在差异性的原因67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

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68一、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。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。

（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；

第五节煤储层压力特征

第五节煤储层压力特征

69（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：

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。70二、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）压力梯度/(kPa/m)<9.59.5~10.0>10.0储存压力类型低压正常高压71

2、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。二、压力状态72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

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煤层是一种双重孔隙介质，属裂隙孔隙型气储层。第六节煤层孔隙与裂隙特征

图4-26煤的双重孔隙系统（据Warren等，1996）74一、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。

以煤岩显微组分和煤的变质、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四大类九小类。75表4-8煤的孔隙类型及其成因简述表（据张慧，2001）类型成因简述原生孔结构孔成煤植物本身具有各种组织结构孔屑间孔镜屑体、惰屑体等内部碎屑之间的孔后生孔气孔煤化作用过程中由生气和聚气作用而形成的孔隙外生孔角砾孔煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔碎粒孔煤受构造应力破坏而形成的碎粒之间的孔摩擦孔压应力作用下面与面之间摩擦而形成的孔矿物质孔铸模孔煤中矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的印坑溶蚀孔可溶性矿物在长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔晶间孔矿物晶粒之间的孔一、煤的孔隙特征1原生孔76一、煤的孔隙特征结构孔：成煤植物本身具有各种组织结构孔结构孔屑间孔屑间孔：镜屑体、惰屑体等内部碎屑之间的孔一、煤的孔隙特征77气孔气孔：煤化作用过程中由生气和聚气作用而形成的孔隙2后生孔气孔3外生孔78一、煤的孔隙特征角砾孔碎粒孔摩擦孔角砾孔：煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔碎粒孔：煤受构造应力破坏而形成的碎粒之间的孔摩擦孔：压应力作用下面与面之间摩擦而形成的孔79一、煤的孔隙特征4矿物质孔铸模孔溶蚀孔晶间孔铸模孔：煤中矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的印坑溶蚀孔：可溶性矿物质在长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔晶间孔：矿物晶粒之间的孔80

微孔：直径<10nm,构成煤中吸附容积。可见孔及裂隙，>105nm，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102nm～103nm，缓慢层流渗透区间。

大孔：直径103nm～105nm，强烈的层流渗透区间。小孔：直径10nm～100nm，毛细凝结和瓦斯扩散空间。一、煤的孔隙特征81（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

。82图4-27煤总孔隙率与变质程度的关系（二）煤的孔隙特征评价方法

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。831煤的变质程度的影响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。842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。3．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。853地应力的影响注意：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。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。86二、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。二、煤层裂隙内生裂隙系统：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。87二、煤层裂隙88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，内生裂隙往往有主要组和次要组。二、煤层裂隙89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。90气胀裂隙系统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。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。外生裂隙系统是煤层形成后受构造应力作用而产生的。

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。二、煤层裂隙91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。

（二）煤层割理系统二、煤层裂隙92二、煤层裂隙

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。93（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示。（2）裂隙的连通性

裂隙的连通性包括同类型裂隙之间的连通和不同裂隙类型之间的连通状况。（3）裂隙发育程度

裂隙发育程度包括裂隙的密度、长度、高度、裂口宽度及连通性，它从整体上反映了裂隙的发育状况及其与煤储层渗透性的关系。通常采用裂隙密度和连通性两个指标对裂隙发育程度进行划分。二、煤层裂隙表4-12割理密度级别划分方案（据张新民等，2002）统计方法割理密度级别一级二级三级肉眼/（条/10cm）>1010～3<3光学显微镜/（条/10cm）>100100～30<30扫描电镜/（条/cm2）>10001000～300<300表4-13割理的连通性等级划分方案（据张新民等，2002）评价项目连通性评价等级好较好差割理形态网状一组平行面割理为主，端割理少见，阶梯状短裂纹状，单个分散充填状态无部分多数表4-14割理发育程度划分方案（据张新民等，2002）评价项目割理发育程度发育较发育不发育割理密度级别一级二级三级割理连通性好较好差95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

96第七节煤储层渗透性特征渗透性的基本概念

渗透性是流体通过多孔介质的能力，表征渗透性的量是渗透率，与渗透率有关的概念有绝对渗透率、有效（相）渗透率、相对渗透率等。1绝对渗透率

只存在一相流体，且流体与介质不发生任何物理化学作用，则多孔介质允许流体通过的能力称为绝对渗透率。

渗透率单位是达西，符号为D（相当于SI制单位的μm2），1D的物理意义是：当黏度为1cP（厘泊）的流体，在压差为1atm作用下，通过截面积为1cm2、长度为1cm的多孔介质，其流量为1cm3/s时，该多孔介质的渗透率就称为1D（达西）。煤储层的渗透率往往较低，常用千分之一达西，即毫达西mD（10-3μm2）作为单位。973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。煤储层相对渗透率通常采用单相有效渗透率同气相(甲烷或氦气)克氏渗透率或绝对渗透率的比值。即：

(4-19)(4-20)

式中：Kτw，Krg——水、气相对渗透率；Kwe，Kge——水、气有效渗透率；2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。渗透性的基本概念98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

第八节煤储层瓦斯流动规律

一、

煤层瓦斯流动1、原始煤体：

瓦斯在煤层中以呈压缩状态，煤层瓦斯压力随深度增大而增大，是在漫长的地质年代里，煤层瓦斯由深部向地表流动的结果，但这种煤层瓦斯流动是极其缓慢的，在采矿工程中，研究煤层瓦斯流动时，一般忽略这种缓慢的瓦斯流动。通常认为，在采掘工作或钻孔未影响到的煤层，瓦斯处于平