矿大煤层气地质学3、煤储层组成及孔裂结构特征

1、第三章 煤储层 组成及孔裂结构特征,第一节 煤储层的物质组成 第二节 煤储层的孔裂隙结构系统 第三节 煤储层裂隙发育的地质控制,第一节 煤储层的物质组成,煤储层系由煤基质块（被裂隙切割的最小基质单元）、气、水（油）三相物质组成的三维地质体。其中气组分具有三种相态，即：游离气（气态）、吸附气（准液态）、吸收气（固溶体）；水（油）组分也有三种形态，即：裂隙、大孔隙中的自由水、显微裂隙、微孔隙和芳香层缺陷内的束缚水、与煤中矿物质结合的化学水；煤基质块则由煤岩和矿物质组成。在一定的压力、温度、电、磁场中各相组分处于动平衡状态。,三相介质 煤基质块 气（准液态） 水（油）,三元结构 宏观裂隙 显微裂隙

2、孔隙,一、 煤储层中的固相介质 （一）煤的显微组成,镜质组Vitrinite 有机显微组分 惰质组 Inertinite 壳质组 Exinite 无机显微组分 矿物质,1、 镜质组 煤中含量在5080%以上，强覆水、还原条件下经生 物地球化学凝胶化作用而形成。 透射光下：橙红色、褐红色 反射光下：灰色、浅灰色，具有弱的荧光性 性脆，裂隙和微孔隙发育 O较高，、挥发分中等，较低，粘结，结焦性好 加氢液化时转化率较高 煤化过程生成少量油，较多甲烷气 在煤层中呈透镜状产生,结构镜质体 按细胞保存程度和形态特征划分 无结构镜质体 碎屑镜质体 （1）结构镜质体 保存有植物的细胞结构 ，胞壁、胞腔清晰可辨

3、。 结构镜质体 胞腔呈圆形，椭圆形，方形，纺锤形胞腔排列 整齐，胞壁不膨胀或稍有膨胀。 结构镜质体 胞壁膨胀，胞腔压扁呈短线状，胞腔变小， 大小不一，排列不规则,（2）无结构镜质体 显微镜下观察不到植物的细胞结构。 均质镜质体：透镜状或条带状产出，轮廓清楚， 成分均一，不含杂质。 基质镜质体：基质状，无固定形态，成分非均一， 可包裹其它组分，矿物质含量较多。 胶质镜质体：充填植物胞腔中，或其它空腔中沉淀 成凝胶，成分均一 团块镜质体：呈圆形或椭圆形，常呈个体或群体出现， 团块状，轮廓清晰，成分均一。,（3）镜屑体 粒度小于10um，比较少见，泥炭阶段分解的植物或 腐植泥炭的碎屑，与基质镜质体在

4、一起时不易区分，与 壳质组或惰质组在一起时，易于辨认。,3、壳质组（类脂组、稳定组） 透射光：黄色，少数为绿黄色，红橙色 反射光：深灰色，灰色、有突起，发黄色的荧光 腐泥煤、残植煤、油页岩中富集，密度低，重液 易分离 、Q、挥发分最高 液化 炼焦 生油 类型：孢子体角质体 藻类体荧光体 木栓体树脂体 沥青质体 渗透沥青质 壳屑体, 孢子体 孢子体是孢子植物的繁殖器官，保存下来的是其外胞壁。 特征：闭合长环状，拐角圆滑，有时表面具有纹饰。 异孢植物，有雌雄之分 同孢植物，无雌雄之分。 雌：大孢子 雄：小孢子 花粉： 种子植物的繁殖器 官，大小约为0.05 mm，与小孢子难 以分别。, 角质体 叶

5、、叶柄、细茎、种子、果实上的一层透明薄 膜，不具有细胞结构。 特征：细长条状，一边平滑，一边呈锯齿状，拐角尖锐 薄壁角质体：厚520um 厚壁角质体：50um 取决于植物种类、植物组织、生长环境, 树脂体 植物分泌的产物：树脂、树胶、胶乳、脂肪、蜡质、琥珀 特征：边缘平滑，球形、卵形、纺锤形，充填于胞腔中，内 部均一，无细胞结构。 有机化学成分：萜烯体、异戊间二烯的缩聚。, 木栓质体 树皮中木栓组织转变而来。 特征：数层至十几层扁平的长方形木栓细胞所形成，波浪状排列紧密，纵切面呈叠瓦状结构，横切面呈鳞片状结构，荧光呈现褐黄色或暗褐色，荧光色不均匀。木栓化细胞壁除纤维素和木质素外，还含有25-5

6、0%木栓体。, 藻类体 腐泥煤，腐植、腐泥煤，油页岩中常见。 结构藻类体藻类群体，厚壁单细胞藻类 特征：水平切面上呈圆形，垂直切面上呈透镜状，扇 状、纺锤状，外形清晰，边缘呈锯齿状，表面 呈蜂窝状或海绵状、放射状，纹层状，云朵状 轮廓。 层状藻类体 单细胞藻薄壁浮游藻类底栖藻类群体 特征：水平切面呈扁平的小浑圆体，垂直切面呈细 薄层状，个体小，长宽比大，不易辨认。, 沥青质体 类脂物质、藻类、浮游生物、细菌。 特征：无固定形态，基质状，线理状或细小透镜状产出。 随紫外线辐射时间加长，荧光性增强。 渗出沥青体 次生煤岩组分：充填于孔隙裂隙中 特征：母质为壳质组时，较强的荧光，为绿黄色、亮 黄色；

7、母质为富氢镜质体时，较弱的荧光，呈 褐黄，褐色。煤生烃，排烃的证据，煤成油的 重质烃类富集物。, 荧光质体 叶肉细胞中油或脂肪，果实中的油或脂肪，煤化 过程中的油或脂肪。 特征：呈小透镜状或粒状集合 体充填于细胞腔内或集 合成10-50um宽的薄层。 壳屑体 特征： 各种壳质组分的碎屑 体，不易与黏土矿物 区分，但具有荧光性。,3、惰质组 在结焦过程中不软化，呈惰性。 成因： 植物遗体在缺水多氧的环境中，氧化而成。 森林火灾，植物不完全燃烧 C60 泥炭表层受真菌等微生物的腐解 强烈的煤化作用 特征： 透射光：不透明 反射光：亮白色，黄色或灰白色，无荧光，正突起 高，中等，和挥发分低，热解不具

8、有粘结性 显微组分：丝质体半丝质体粗粒体微粒体 菌类体惰屑体, 丝质体 植物的根、茎、叶经丝碳化作用而成，在煤层 中呈薄层状，透镜状。 显微亚组分：火焚丝质体氧化丝质体原生丝质体 火焚丝质体 特征：细胞结构保存良好，细胞壁薄，胞间隙甚至 植物的年轮都能见到，性脆，呈星状、孤形 等碎片。 氧化丝质体 特征：细胞结构保存较好，细胞壁较厚，有时胞腔 大小不一，排列不很整齐。 原生丝质体 特征：有些植物在生长过程中，能将黑色素沉淀 在细胞膜中。, 半丝质体 丝炭作用，半透明，可见结构。 透射光：深棕色，黑棕色 反射光：灰白色，灰色 粗粒体 无定形、无结构的凝胶状惰质组分，条带状、团块状 成因： 泥炭强

9、烈氧化和干燥作用 富脂类形成煤化丝质体 火焚泥炭 微粒体 特征：1um的圆形小颗粒，微粒状、细分散，各向异性 成因： 壳质组、富氢镜质组排出液态沥青后的残渣； 泥炭阶段氧化丝质体、半丝质体碎片。, 菌类体 菌孢子：真菌的繁殖器官，形态多样。 真菌体 菌丝：真菌的营养器官，单细胞连接而成。 菌核：由菌丝组成，形态、大小相差悬殊。 特征：出现于第三纪煤中，圆形椭圆形，具蜂窝状结构。 非真菌体（似菌类体） 特征：出现于晚古生代煤中，为丝炭化的树脂体或团 块状镜质体，多呈园形、卵形或不规则状，没 有细胞结构。 部分菌类体，透射光：棕色、黑棕色；反射光：灰白、 灰白色，可归入半镜质组、镜质组中。, 惰屑

10、体 特征：丝质体，半丝质体，菌类体碎片，110um， 菱角状，不规则状外形，轮廓清晰。 成因： 泥炭化阶段形成，真菌，放射菌氧化 森林火灾，搬运沉积 挤压破碎,4、矿物质 1）来源 原生矿物：生物体中带来， Ca、K、Mg、Na、 O、 Si、S、P、e、l等化合物，i、 Cu、 Mo、Zn、Co、V等微量元素。 同生矿物：外源矿物泥炭堆积时，搬运而来。 火山碎屑、粘土矿物、石英、长石、岩屑等。 内源矿物化学或生物化学成因。 黄铁矿、菱铁矿、蛋白石、玉髓等。 后生矿物：埋藏演化中形成。 地下水活动、物理化学条件的变化形成： 方解石、石膏、黄铁矿、褐铁矿、高岭土、石英。 岩浆热液：石英、黄铁矿、

11、闪锌矿、方铅矿等。,2）种类 粘土矿物：高岭石，蒙脱石、伊利石 碳酸盐矿物：方解石、白云石、铁白云石、菱铁矿 硫化物：黄铁矿、白铁矿、闪锌矿、方铅矿 氧化物、氢氧化物：石英、蛋白质、玉髓、金红石、 赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿 盐类：氯化物、芒硝、石膏、磷灰石 重矿物：锆石、电气石、石榴子石，金红石、橄榄石等 微量元素：Ag、As、Ge、a、i、Sr、Ni、Mo,5高岭石； 6分散状粘土矿物； 7菱铁矿； 8方解石脉（正交偏光）,1充填胞腔的粘土矿物；2团块状和细分散状粘土矿物； 3结核状菱铁矿； 4后生脉状方解石,5充填胞腔的黄铁矿； 6结核状黄铁矿； 7团块状黄铁矿； 8石英,（二）煤的宏观组成

12、 1、煤岩成分 1）镜煤：乌黑，色深光强，成分均一，性脆，贝壳状断 口，轮廓清晰，粘结性好，矿物杂质少，裂隙 发育，大多由结构镜质体，均质镜质体组成。 2）丝炭：外观像木炭，颜色黑灰色或浅灰色，纤维状结 构，丝绢光泽，疏松多孔，丝质体为主，质轻 者性脆，易污手，质重者，被矿物充填。 3）亮煤：表面隐约可见微细层理，光泽较强，结构不均一 4）暗煤：含壳质组多，灰黑色，韧性好，油脂光泽，水介 质活动性强；含矿物质多，煤质差；含惰质组 多，成分结构不均一，氧化环境。,2、宏观煤岩类型 宏观煤岩类型 光泽 镜煤亮煤 光亮煤 光泽极强 75% 半亮煤 光泽较强75%-50% 半暗煤 光泽暗淡50%25

13、% 暗淡煤 光泽极暗25%,（三）煤的结构与构造 1、煤的宏观结构 宏观煤岩成分的形态、大小、厚度、生物残体所 表现出来的特征。 宽条带状结构 条带宽5mm 条带状结构 中条带状结构 条带宽3-5mm 细条带状结构 条带宽1-3mm 线理状结构：煤岩成分呈1mm的线理 透镜状结构：煤岩成分成透镜状 均一状结构：成分单一、均匀，镜煤、腐植腐泥煤, 粒状结构：大量孢子、树脂体、矿物杂质 叶片状结构：树皮或角质形成 木质状结构：植物茎干的木质纤维组织的痕迹 纤维状结构：为丝炭所特有，一向延长，保存木质 纤维组织结构，疏松多孔，细胞排列 2、煤的次生结构 构造应力下产生的宏观结构 碎裂构造 碎粒构造

14、糜棱构造,二、煤储层中的液相介质,煤储层中的液相介质包括裂隙、大孔隙中的自由水（油）及其内表面与显微裂隙、微孔隙内表面、芳香层缺陷内的“准液态”物质。 煤化学外在水分、内在水分和化合水三部分。 煤层气重力水、束缚水 平衡水在30、相对湿度为9697%条件下达到吸湿平衡时的内在水分。 最高内在水分、临界含水量,3、煤储层中的气相介质,煤储层中赋存的气相介质和由“准液态”转化为气相介质的主要有CH4、N2、CO2、C2H6等。,第二节 煤储层的孔裂隙结构系统,傅雪海等（1999）认为煤储层系由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的三元孔、裂隙介质，孔隙是煤层气的主要储集场所，宏观裂隙是煤层气运移的通道，而

15、显微裂隙则是沟通孔隙与裂隙的桥梁。,一、双孔隙与三元结构,二、割理与裂隙,煤储层中的裂隙在国外煤层气工业中常被称为割理。割理是煤中的天然裂隙，在整个煤层中连续分布的割理称为面割理（Face cleat），中止于面割理或与面割理交叉的不连续割理称为端割理（Bull cleat）。面割理与端割理通常是相互垂直的或近似直交的。,割理含义比较模糊，有时指外生裂隙，有时指内生裂隙，有时又是外生裂隙与内生裂隙的统称。,外生裂隙：以各种角度与煤层层理面相交（剪裂隙两 组、较平直，张裂隙一组，裂面凹凸不平， 呈羽毛状，波纹状）次生矿物、煤屑充填， 系构造应力的产物，裂隙间距较宽。 内生裂隙： 由内张力形成，一

16、般发育两组，近垂直于 层理面，裂面比较平坦。 节理：煤沿各组不同方向的裂隙发生破裂，并构成一 定的几何形态，如板状、柱状、立方体状、平 行六面体状、锥状、 鳞片状等。,外生裂隙,内生裂隙,节理,三、宏观裂隙,1、分级,大、中裂隙与外生裂隙或节理相当 外应力 小裂隙与内行裂隙相当 微裂隙常发育于镜煤与亮煤之中 收缩内应力,大裂隙：切穿整个煤层，甚至顶板 中裂隙：切穿几个煤的自然分层或光泽岩石类型分层，包括夹矸 小裂隙：切穿几个煤岩石类型分层 微裂隙：局限在一个煤岩类型分层内,裂隙长度:在平行于层面的断面或煤岩类型界面上的横向连续延 伸长度。 裂隙高度:垂向上裂隙的连续延伸长度。 裂隙线密度:在层

17、面或煤岩类型界面上, 与一条垂直于裂隙延伸方 向的的直线相交的裂隙条数。 裂隙面密度:在层面或煤岩类型界面上, 一定面积内的面裂隙和端 裂隙的总条数, 一般使用两边分别平行于面裂隙和端 裂隙的平行四边形来统计。 裂隙面形态:煤岩裂隙面两壁的特征。 裂隙壁距:同一条裂隙的两壁之间的距离。被充填的裂隙, 充填物的 厚度代表某一地质时期内地下状态下的裂隙壁距。,2、力学性质分类 裂隙或由内应力（煤化作用过程中，凝胶化组分收缩应力及超高孔隙流体压力）或由外应力（构造应力、重力及热应力等）或由内应力与外应力二者综合作用而形成。 张性裂隙、张性剪裂隙、压性剪裂隙,3、组合类型, 矩形网状 不规则网状 平行

18、状,四、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。显微裂隙的镜下观测必须在井下采取定向煤样，并保证一定的块度，在室内磨制成二维或三维光洁面，在其层理面上观测裂隙的方向、主次关系、长度、宽度、密度、间距等，在剖面上观测裂隙高度、垂向分布等。,扫描电镜,五、裂隙发育程度的地质控制,1、煤级,2、煤岩类型与成分,3、煤层厚度,天然裂隙发育密度常随煤岩类型条带或分层的厚度变薄而减小。,4、矿物质含量,随矿物质含量增高，煤层中裂隙密度、长度和宽度均降低。矿物质赋存状态不同对裂隙的影响也不一样。分散矿物质主要影响裂隙的密度，富集块状矿物则主要影响裂隙的连通性。,在简单结构煤层中

19、，大、中裂隙可以穿透整个煤层，垂向连通性好；在复杂结构煤层中，小裂隙和微裂隙中止于夹矸，垂向不连通。,5、煤层结构,6、古应力场,7、水文地质条件,水压力 矿化度,8、构造样式,9、 沉积作用,六、孔隙 1、成因类型,扫描电镜，1000,气孔,胞间孔,屑间孔,晶间孔隙,溶蚀孔隙,2、大小分级,3、测试方法,低温液氮 测0.75nm的孔隙 压汞法 测7.5nm的孔隙,比孔容：单位重量的孔容（孔隙体积）。,比表面积：单位重量的表面积,大小：HM：200m2/g; YM：6080150m2/g; WY：230m2/g,孔隙形态：,孔隙形态类型图 孔隙压汞滞后环与孔隙连通性 （a）半封闭孔（b）开放孔（c）细颈瓶孔（据秦勇，1994）,4、孔隙度,