煤田地质学重点整理

老师画的重点：聚煤作用（聚煤条件）煤化作用（煤变质作用）煤的孔隙系统煤岩组分煤层气、煤成气和瓦斯的关系煤成油理论等温吸附曲线煤的分类吸附能力的影响因素成煤的前提条件（泥炭的形成条件/聚煤盆地形成条件）：大地构造条件（地壳运动）：提供成煤作用缓慢而均匀的沉降运动和成煤构造凹陷。古气候条件：植物生长所需要适宜的温度和湿度。古地理条件：提供成煤场所（成煤环境）。古植物条件：成煤的物质来源。沼泽：地表土壤充分湿润，季节性或长期积水，丛生着喜湿性沼泽植物的低洼地段。泥炭沼泽：常年积水的洼地，其中有大量植物生长和堆积，植物死亡后遗体背沼泽水覆盖，与氧呈半隔绝状态，使植物遗体不被完全氧化分解，经过生物化学作用即可转变为泥炭。泥炭沼泽形成条件：1、大量植物的持续繁殖；2、植物遗体不被完全氧化分解，能保存转化为泥炭。泥炭堆积条件：1、温暖的气候；2、常润湿多水；3、氧供给受限；4、下沉（植物生长毕旭思均衡的）；5、有限的沉积流入；6、埋藏充足的深度；7、时间（10000年以上）泥炭（煤）形成的主要因素：1、成煤植物群落；2、成煤气候；3、泥炭聚集环境；4、古构造条件。聚煤作用发生的基本条件：1、均匀的温度和潮湿的气候：适宜于地上植物的繁殖生长；2、大面积的沼泽地带：有利于植物的群落发展；3、地壳的下降运动与植物遗体的堆积速度相适应：有利于植物遗体的保存并沉积形成煤层。泥炭（腐泥）化作用：由植物残体转化为泥炭的作用。煤化作用：由泥炭转化为煤的作用。泥炭（腐泥）化作用：从植物在泥炭沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖，其遗体在微生物参加下不断分解、化合、聚集的过程。在这个阶段起主导作用的是生物地球化学作用，低等植物经过生物地球化学作用形成腐泥，高等植物形成泥炭。泥炭化作用包括：1、生物化学分解作用2、生物化学合成作用3、凝胶化作用4、丝炭化作凝胶化作用——成煤植物的木质纤维组织在积水较深、气流闭塞的沼泽环境下，受厌氧微生物的作用，发生细胞结构的吸水、膨胀、变形、破裂以至形成以腐植酸和沥青质为主体的无结构的胶质物质（凝胶和溶胶）的过程。丝炭化作用——成煤植物的木质纤维组织在积水较浅、湿度不定的条件下经脱水和缓慢氧化作用，氧化的植物组织转入缺氧的环境（如水层、泥煤层、上覆岩层的覆盖）而生成具有一定细胞结构的丝炭，或遭受“森林火灾”而炭化成木炭的过程。凝胶化作用：腐殖组——生物化学凝胶化作用镜质组——地球化学凝胶化作用丝炭化作用：惰质组残植化作用：稳定组（壳质组）煤化作用：当已形成的泥炭或腐泥，由于地壳的下沉等原因而被上覆沉积物所掩埋时，成煤作用就转入第二阶段----煤化作用阶段，即泥炭、腐泥在以温度和压力为主的作用下变化为煤的过程。这包括成岩作用和变质作用，起主导作用的是物理化学作用。在温度和压力的影响下，泥炭进一步变为褐煤（成岩作用），再由褐煤变为烟煤和无烟煤（变质作用）。煤的成岩作用：在沉积岩石学上是指沉积物的压实、脱水、胶结以及相应的化学变化过程。煤的成岩作用：是由经生物化学变化形成的泥炭在以压力为主并包括温度因素在内的影响下，出现压实、脱水、增碳、孔隙度减少、游离纤维素消失、凝胶化组分开始形成并具微弱反射力等物理-化学变化，逐渐固结、煤化而转变成年青褐煤的过程。变质作用：指岩石经受了高温、高压，其成分和结构、构造发生了质的变化，形成新的岩石----变质岩的过程。煤的变质作用：煤作为有机质沉积物，对温度、压力增高的反应要比无机成因的沉积物敏感得多，快得多，也强烈得多。因此，把从褐煤转变为烟煤、无烟煤（直至石墨）的过程叫煤的变质作用过程。煤化作用原因（因素）：温度——化学变化；压力——物理变化；时间——正比，等价关系煤化作用实质：腐殖复合物芳香族稠环体系在温度压力作用下不断增强其缩合程度，侧链逐渐减少缩短，官能团不断减少，结构单元不断增大，因而炭含量逐渐增高，挥发分、氧、水分等减少的过程。思考：煤变质程度（R0大小）与油气生成有何指示意义？煤的显微组分的反射：光片中纤维组分的反射光强度与入射光强度的百分比。镜煤的一般特点：质地纯净，结构均一，具贝壳状断口和内生裂隙。2、镜煤性脆，易碎成棱角状小块。3、在煤层中，镜煤常呈凸透镜状或条带状，条带厚几毫米至1～2cm，有时呈线理状存在于亮煤和暗煤之中。丝炭的一般特点：1、在煤层中丝炭常呈扁平透镜体沿煤层的层理点，面分布，厚度多在1～2mm至几毫米之间，有时能形成不连续的薄层；个别地区，丝炭层的厚度可达几十厘米以上。2、丝炭的孔隙度大，吸氧性强，丝炭多的煤层易发生自燃。3、丝炭是植物的木质纤维组织在缺水的多氧环境中缓慢氧化或由于森林火灾所形成。亮煤：亮煤是最常见的煤岩成分。1、亮煤的光泽仅次于镜煤，一般呈黑色。2、它是在覆水的还原条件下，由植物的木质纤维组织经凝胶化作用，并掺入一些由水或风带来的其它组分和矿物杂质转变而成。3、较脆易碎，断面比较平坦。4、比重较小。5、亮煤的均一程度不如镜煤，表面隐约可见微细层理。6、亮煤有时也有内生裂隙，但不如镜煤发育。7、常呈较厚的分层，有时甚至组成整个煤层。暗煤：暗煤的特点是光泽黯淡，一般呈灰黑色，致密，比重大，内生裂隙不发育，坚硬而具韧性。透光色：把煤磨成薄片（厚约0.03mm），用显微镜在普通透射光下观察，煤薄片显示出的颜色为透光色，又称体色。反光色：把煤的表面磨光，用显微镜在普通反射光下观察，煤光面上显示出的颜色称为反光色。反射荧光色：煤的磨光面用蓝光或紫外光激发而呈现的颜色，称为反射荧光色。煤的光泽是指煤新鲜断面的反光能力。光泽与煤的成因类型、煤岩成分、煤化程度和风化程度有关。腐泥煤的光泽一般都比较暗淡。腐植煤的四种宏观煤岩成分中，镜煤的光泽最强、亮煤次之，暗煤和丝炭的光泽暗淡。随着煤化程度的增高，各种宏观煤岩成分的光泽有不同程度的增强。丝炭和暗煤的光泽变化小，而镜煤和较纯净的亮煤变化明显。无结构镜质体显微镜下观察不到植物的细胞结构，电子显微镜下可见粒状结构。据形态、产状和成因的不同，又可分为以下四个亚组分：1）均质镜质体：植物木质纤维组织经凝胶化作用变成均一状的凝胶。在煤中以透镜状或条带状产出。均质镜质体轮廓清楚，成分均一，不含任何其它杂质。2）胶质镜质体：指胶体腐植溶液充填到植物胞腔或其它空腔中沉淀成凝胶而形成。低煤阶/级：R0<06%包括次烟煤和褐煤中煤阶/级：R0（0.6-2%），烟煤高煤阶/级：Ro≧2.0%割理：是指煤层中近于垂直层面的天然裂隙。煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊有机岩，其抗变能力远远低于其他岩石。在成煤作用中后期，含煤岩系经历了不同其次的构造运动，使得煤及含煤岩系发生了不同程度、不同性质的变形。煤体依次经历脆性变形、脆-韧性变形和韧性变形三个阶段后形成了原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。等温吸附曲线应用：估算煤层含气量；确定煤层气临界解吸压力；预测最大采收率；确定含气饱和度等。含气饱和度：实测含气量与原始储层压力对应的吸附气量的比值。煤层气临界解吸压力：煤层降压过程中气体开始解吸点所对应的压力值。最大采收率：根据生产井所能达到的最低储层压力（枯竭压力）求残余气量，再由实际含气量减去残余气量预测最大采收率。煤层气吸附饱和度：是指煤层在一定的温度、压力和湿度等条件下对甲烷的吸附饱和程度，实际气含量与理论吸附量之比，一般用百分比表示。临界产气压力：在煤层气开采过程中，煤层气开始大量产出时的井底流压则被称之为临界产气压力。、煤层实际含气量：1）逸散气量：指从钻头钻至煤层到煤样放入解吸罐以前自然析出的天然气量。逸散气的体积取决于钻孔揭露煤层到把煤样密封于解吸罐的时间、煤的物理特性、钻井液特性、水饱和度和游离态气体含量。2）解吸气量指煤样置于解吸罐中在正常大气压和储层温度下，自然脱出的煤层气量。终止于一周内平均解吸气量小于10ml/d或在一周内每克样品的解吸量平均小于0.05ml/d。3）残留气量指充分解吸结束后残留在煤样中的煤层气量。应力效应——有效应力为总应力减去储层流体压力。垂直于裂隙方向的总应力减去裂隙内流体压力，所得的有效应力称为有效正应力，它是裂隙宽度变化的主控因素。有效应力增加，导致裂隙宽度减小，甚至闭合，使渗透率急剧下降。Klinkenberg效应——在多孔介质中，由于气体分子平均自由程与流体通道在一个数量级上，气体分子就与通道壁相互作用（碰撞），从而造成气体分子沿孔隙表面滑移，增加了分子流速，这一现象称分子滑移现象，这种由气体分子和固体间的相互作用产生的效应称Klinkenberg效应。基质收缩效应——煤体在吸附气体或解吸气体时可引起自身的膨胀与收缩。煤层气开发过程中，储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层气便开始解吸。随煤基质中解吸量增加，煤基质就开始了收缩进程。由于煤体在侧向上是受围限的，因此煤基质的收缩不可能引起煤层整体的水平应变，只能沿裂隙发生局部侧向应变。基质沿裂隙的收缩造成水平应力下降，有效应力相应减小，裂隙宽度增加，渗透率增高。吸附理论（重点）吸附理论1：Langmuir理论—单分子层吸附①吸附是单分子层的；②固体表面是均匀的，各处的吸附能力是相同的；③已被吸附分子之间无作用力；④吸附平衡是动态平衡。吸附理论2：BET理论—多分子层吸附①被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间存在范德华力，因而发生多层吸附；②第一层的吸附热和以后各层的吸附热不同，而第二层以上各层的吸附热相同；③吸附质的吸附和脱附只发生在直接暴露于气相的表面上。吸附理论3：吸附势理论吸附势理论认为吸附是由势能引起的，在固体表面附近存在一个势能场，即吸附势，就如同地球存在引力场而使空气在地球表面附近包覆成大气层一样。煤层气产出过程：由于压力降低使气体从煤基质孔隙的内表面上发生解吸；解析：①逃逸力>范德华力时，气体开始解吸。②压力直接影响逃逸力与范德华吸引力之间的平衡关系。穿过基质和微孔扩散到裂隙中，扩散作用是由于在基质与裂隙间存在的浓度差引起的；扩散：由于气体浓度差原因，气体由高浓度向低浓度扩散，达到扩散平衡。3）在压力差作用下以达西流的方式在裂隙中渗流。渗流：煤层气沿裂隙、孔隙以达西流的云逸方式。4）产出：煤层气产出过程中的两相流动大致经历三个流动阶段：Ⅰ–饱和流阶段，只有水的流动Ⅱ–未饱和流阶段，少量的气Ⅲ–两相流阶段煤层气赋存规律：1、沉积控气作用：聚煤期前后沉积环境演化对煤层气赋存影响环境演化决定下覆、上覆地层厚度、岩性组和厚度聚煤期前后平静水体环境有利煤层气赋存：沉积细碎屑岩、页岩、硅质岩、泥灰岩聚煤期前后冲积环境沉积不利于煤层气赋存：沉积组碎屑岩、砾岩，透气性好3)含煤岩系沉积旋回河流相->河漫相->沼泽相->湖泊相完整旋回，以泥质岩为主沉积时，有利于煤层气赋存。上覆地层以冲积相->湖泊相旋回不利于煤层气赋存。构造控气作用：如伸展构造：位于煤层顶板或煤层中的滑动面有利于封闭煤层气，但导致煤储层渗透性变差。水文地质条件：地下水动力学条件的控气特征可概括为水力运移逸散、水力封闭与水力封堵作用。水力运移逸散：常见于导水性强的断层构造发育地区，通过导水断层或裂隙沟通煤层与含水层水文地质单元的补、径、排系统，含水层富水性与水动力强，含水层与煤层水力联系较好。在地下水的运动过程中，地下水携带煤层中气体运移而逸散，常形成煤层气贫瘠区。水力封闭作用：水力封闭控气作用有利于煤层气的富集，它多发生在构造简单、断层不甚发育的宽缓向斜或单斜中，主要特征为：（1）断裂构造具有阻水的性质，煤系地层上部和下部存在良好隔水层；（2）区域水文地质条件简单，煤层直接充水，含水层多为煤系中砂岩裂隙水，含水性微弱，渗透系数低，地下水迳流缓慢甚至停滞；（3）含水层补给仅限于浅部露头的大气降水；（4）地下水以静水压力、重力驱动方式流动，地下水是封闭状态，煤层气受水力封闭作用而富集。水力封堵作用：水力封堵控气作用多见于不对称向斜或单斜中，是煤层气富集的有利因素。在一定压力差条件下，煤层气从高压力区向低压力区渗流，或者说由深部向浅部渗流。压力降低使煤层气解吸，因此在煤层露头及浅部形成煤层气逸散带。如果含水层或煤层从露头接受补给，地下水顺层由浅部向深部运动，则煤层中向上扩散的气体将被封堵，致使煤层气聚集富集成藏，形成煤层气富集有利区。4、煤变质、埋深煤化作用过程中不断产生煤层气，煤化程度越高，生成的气量越多。因此在其他因素相同的条件下，煤的变质程度越高含气量越高；煤的变质程度不仅影响煤层气的生成量，还在很大程度上决定着煤层气的吸附能力。煤层气成因类型：煤的吸附能力影响因素：环境因素—温度：每升高1度，吸附能力要降低约8%压力：给定温度下，吸附量与压力呈双曲线变化气体性质：二氧化碳>甲烷>氮气煤岩因素—煤级（煤变质）：变质程度、孔隙结构和比表面及化学成分有关，呈马鞍型变化。主要原因是，随煤级增高煤中大孔逐渐闭合，而小孔和微孔逐渐增加；大量的小孔和微孔为甲烷气体提供了更多的吸附空间，提高了煤的吸附能力。煤岩因素—显微组分：同等条件下，镜质组含量越高，吸附量就越高。煤岩因素—碳含量和灰分含量：煤的吸附能力随炭含量的增加而增加。煤岩因素—水分：水分越多，吸附量越少煤岩、煤