煤层气开发-第2章-煤层气地质

煤层气开发概论主讲：张卫东

煤层气是指赋存于煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层气水中的烃类气体。

我国煤炭工业界一直将涌入煤矿巷道内的煤层气称之为瓦斯。事实上，煤矿瓦斯除煤层气组分外，还有采矿活动所产生的氮气、二氧化碳等空气组分以及一氧化碳、二氧化硫等气体组分。煤层气比其它流体矿产分布特点更复杂，控制高产富集的因素更多，进而深化煤层气地质研究更重要。第二章煤层气地质英文名称：Coalbedmethane(CBM)

煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷),与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，热值是通用煤的2-5倍，主要成分为甲烷。1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。在采煤之前如果先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%到85%。煤层气的开发利用具有一举多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应；有效减排温室气体，产生良好的环保效应；作为一种高效、洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益。第二章煤层气地质热值煤层气或瓦斯的热值跟甲烷(CH4)含量有关，地面抽采的煤层气甲烷(CH4)含量一般大于96.5%，当甲烷含量97.8%时，在0℃,101.325kPa下，高热值：QH=38.9311MJ/Nm3(约9299kcal/Nm3)低热值：QL=34.5964MJ/Nm3(约8263kcal/Nm3)井下抽采的煤层气（瓦斯）目前一般将甲烷(CH4)含量调整到40.8%后利用，此时瓦斯的热值为：（在0℃,101.325kPa下）低热值：14.63MJ/m3(约3494kcal/Nm3)高热值：16.24MJ/m3(约3878kcal/Nm3)第二章煤层气地质用途煤层气可以用作民用燃料、工业燃料、发电燃料、汽车燃料和重要的化工原料，用途非常广泛。每标方煤层气大约相当于9.5度电、3m水煤气、1L柴油、接近0.8kg液化石油气、1.1-1.2L汽油，另外,煤层气燃烧后几乎没有污染物，因此它是相当便宜的清洁型能源。第二章煤层气地质性质煤层气比空气轻，其密度是空气的0.55倍，稍有泄漏会向上扩散，只要保持室内空气流通，即可避免爆炸和火灾。而煤气、液化石油气密度是空气的1.5—2.0倍，泄漏后会向下沉积，所以危险性要比煤层气要大的多。煤层气爆炸范围为5—15%，水煤气爆炸范围6.2—74.4%，因此，煤层气相对于水煤气不易爆炸，煤层气不含CO，在使用过程中不会象水煤气那样发生中毒现象。第二章煤层气地质开采煤层气的开采一般有两种方式：一是地面钻井开采；二是井下瓦斯抽放系统抽出,地面钻井开采的煤层气和抽放瓦斯都是可以利用的，通过地面开采和抽放后可以大大减少风排瓦斯的数量，降低了煤矿对通风的要求，改善了矿工的安全生产条件。地面钻井开采方式，国外已经使用，我国有些煤层透气性较差，地面开采有一定困难，但若积极开发每年至少可采出50亿立方米；由于过去除了供暖外没有找到合理的利用手段，未能充分利用，所以，抽放瓦斯绝大部分仍然排入大气，花去了费用，浪费了资源，污染了环境。第二章煤层气地质市场前景十分广阔在国际能源局势趋紧的情况下，作为一种优质高效清洁能源，煤层气的大规模开发利用前景诱人。煤层气的开发利用还具有一举多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应；有效减排温室气体，产生良好的环保效应；作为一种高效、洁净能源，产生巨大的经济效益。如果把煤层气利用起来，用于发电燃料、工业燃料和居民生活燃料；还可液化成汽车燃料，也可广泛用于生产合成氨、甲醛、甲醇、炭黑等方面，成为一种热值高的洁净能源和重要原料，开发利用的市场前景十分广阔。第二章煤层气地质第二章煤层气地质第一节煤的形成与煤阶第二节聚煤盆地第三节煤层气储层第四节煤层气的赋存规律与成藏第一节煤的形成与煤阶一、成煤作用植物从死亡及其遗体堆积到转变成煤的一系列演变过程，称为成煤作用。成煤作用原始物质及递变产物成煤过程第一阶段腐泥化作用或泥炭化作用植物高等植物→泥炭→褐煤→烟煤→无烟煤低等植物→腐泥→腐泥煤第二阶段煤化作用成岩作用变质作用表1-1成煤过程第一节煤的形成与煤阶第一阶段——腐泥化阶段或泥炭化阶段，具体有以下几个方面：（1）泥炭化的生物化学变化

泥炭化过程的生物化学变化大致可分为两个阶段：一是生物化学分解阶段，植物残骸中的有机化合物经过氧化分解、水解，转化为简单的化学性质活泼的化合物；二是生物化学合成阶段，分解产物相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。图1-1泥炭的沉积第一节煤的形成与煤阶（2）凝胶化作用

凝胶化作用是指植物的主要组成部分在泥炭化过程中经过生物化学变化和物理化学变化，形成以腐植酸和沥青质为主要成分的胶体物质的过程。

凝胶化作用是在沼泽中较为停滞的、不太深的覆水条件下，弱氧化至还原环境，在厌氧细菌的参与下，植物的木质纤维组织一方面进行生物化学变化，一方面进行胶体化学变化，二者同时发生和进行，导致物质成分和物理结构两方面都发生变化。

鉴于这一总过程既有因微生物活动而引起的化学成分的变化，又有胶体化学的变化，故全称应为“生物化学凝胶化作用”。第一节煤的形成与煤阶（3）丝炭化作用

丝炭化物质和凝胶化物质一样，主要也是由植物的木质纤维组织转变而形成的，从有机组成来看主要也是植物细胞壁中的木质素和纤维素，但由于其变化条件和变化过程不同，因而形成了与凝胶化物质性质完全不同的物质，这些丝炭化物质的共同特点是碳含量高而氢含量低，由于丝炭化过程经历了较大程度的芳烃化和缩合作用，因而其反射率显著高于凝胶化物质。

丝炭化物质的形成主要是由于氧化作用和脱氢、脱水作用，它是在沼泽覆水程度起了变化，沼泽表面变得比较干燥，氧的供应较为充分的情况下发生的。第一节煤的形成与煤阶（4）残植化作用

当泥炭化过程中水介质流通较畅，在长期有新鲜氧供给的条件下，凝胶化作用和丝炭化作用的产物被充分分解破坏，并被流水带走，稳定组分大量集中的过程称为残植化作用，可以认为残植化作用是泥炭化作用中的一种特殊情况。

残植化作用的产物经过煤化作用即成为残植煤。一些稳定组分含量很高的暗煤质的煤形成也多类似上述过程。

（5）腐泥化作用

腐泥化作用是在湖泊、沼泽水深地带及潟湖、海湾和浅海等水体中进行的，低等植物藻类和浮游生物遗体在还原环境和厌氧微生物参与下，经过复杂的生物化学变化可形成富含水分的有机软泥。这个过程为腐泥形成的过程。

腐泥化作用的产物主要是腐泥。

在腐泥化过程中，形成的气态产物主要有CH4、NH3、N2O、N2、H2S和CO2。与泥炭化作用类似，腐泥化作用除了对植物物质的生物化学分解外，还有原有植物物质的转化和新生有机物质的合成。第一节煤的形成与煤阶第二阶段是煤化作用阶段

在成煤作用的第二阶段中，起主导作用的是使煤在温度、压力条件下进一步转化的物理化学作用，即煤的成岩作用和变质作用：

煤的成岩作用

泥炭形成后，由于盆地沉降，在上覆沉积物的覆盖下埋藏于地下，经压实、脱水、增碳作用，逐渐固结，经过物理化学作用转变成年轻的褐煤，称为煤的成岩作用。在成岩过程中，木质素和纤维素继续参与形成腐植酸，已形成的腐植质形成凝胶化组分。

煤的变质作用

年轻的褐煤在较高的温度、压力和较长的时间作用下，进一步发生物理化学变化，变成褐煤、烟煤、无烟煤等的过程。在这个过程中，腐植质不断发生聚合反应，稠环芳香系统的侧链减少，芳构化程度提高，分子排列更加规则。第一节煤的形成与煤阶二、煤阶的划分与煤的显微组分

用数量表示的煤化过程程度或成熟度称为煤阶，即煤的“化学”变化阶段，或是煤变质系列中的阶段。煤阶的划分与煤的微观组成有关。

煤的显微组分中主要包括镜质组、壳质组和惰质组。镜质组化学结构主要由具短脂肪链与含氧官能联结的芳香结构所组成，因主要来源于木质-纤维素组织而具有低氢、高氧的特征。高氢镜质组可能具有氢化芳香结构，比较富含烃基团。镜质组（尤其是均质镜质体）致密、均匀、块体大，有利于割理顺利延伸和发展；含量介于46.45%~93.75%之间，平均为77.30%以基质镜质体为主，结构镜质体和均质镜质体含量不高。第一节煤的形成与煤阶

研究表明，镜质组对煤的生气量及储层物性的贡献最大。镜质组发育的煤层，一般内生裂隙较发育，渗透率越高。通常用于确定煤阶的参数为“镜质体反射率”。镜质组分是煤中最常见、最重要的组分，含氧量高，碳和氢的含量居中，在中国大多数晚古生代煤中，镜质组含量在55%~80%以上。镜质体反射率指在显微镜下，于油浸及546nm波长条件下镜质组的反射光强度与垂直入射光强度的百分比，以Ro(％)表示，其值随煤阶的增高而增加。

当Ro>4.0％时为高煤阶，如无烟煤；

当Ro<0.35％时为低煤阶，如褐煤；

当0.35％<Ro<4.0％时为中煤阶，如肥煤、焦煤等。第一节煤的形成与煤阶煤级煤的工业牌号镜质体最大反射率Romax（%）褐煤0阶段褐煤≦0.49烟煤I阶段长焰煤0.5～0.64

II阶段气煤0.65～0.79III阶段肥煤0.80～1.19

IV阶段焦煤1.20～1.69

V阶段瘦煤1.70～1.89

VI阶段贫煤1.90～2.49无烟煤

VII阶段无烟煤2.50～3.99超无烟煤VIII阶段超无烟煤≧4.00表1-2煤级、煤的工业牌号与镜质体反射率对比表第一节煤的形成与煤阶

中国根据镜质体最大反射率，将煤划分为9个煤级（即1个成岩阶段和8个变质阶段）。9个煤级与煤的9个工业牌号大致相当。第二章煤层气地质第一节煤的形成与煤阶第二节聚煤盆地第三节煤层气储层第四节煤层气的赋存规律与成藏第二节聚煤盆地一、聚煤盆地的形成

在地质历史发展过程中，聚煤盆地的形成和聚煤作用的发生是古植物、古气候、古地理和古构造等条件综合作用的结果，在一定条件下上述各种因素都可能成为制约聚煤作用的决定性条件。一般情况下，古气候、古植物条件提供了聚煤作用的物质基础，通常作为含煤沉积盆地形成的区域背景考虑，而古地理和古构造则是具体古煤沉积盆地形成、演化的主要控制因素。

植物的大量生长繁殖及其遗体的不断堆积是聚煤作用发生的物质基础。例如，虽在泥盆纪已有陆生植物出现，但当时植物形体矮小，数量有限，因而未能形成有工业价值的煤层；从早石炭世开始，高大木本植物才大量生长、繁殖、堆积，形成有工业价值的煤层。第二节聚煤盆地

在古气候条件方面，温暖潮湿的气候带最适于聚煤作用的发生。在相同时间内，温暖潮湿气候带形成的泥炭层厚度最大。

在古地理条件方面，以常年积水的庄地最宜于成煤。如滨海平原、三角洲平原、泻湖海湾、潮坪、河床两侧的河漫滩地带，以及各种大小不等且形状各异的山间及内陆盆地、死火山口湖、冰蚀洼地等，都有聚煤作用的发生。

在聚煤期古构造条件方面，一般认为，现代泥炭的堆积速度每年只有0.5~2mm，那么，lm厚泥炭层的形成时间至少需400~500年。按泥炭、褐煤、烟煤的压缩比(6:3:1)计算，lm厚的泥炭层只能形成不足20cm的烟煤。一个5m厚的煤层聚煤作用，至少也需持续万年之久。由此可知，强烈的构造活动是不利于聚煤作用持续进行。但必须指出，地壳运动过于缓慢同样也不利于聚煤作用进行，因为泥炭层的保存、增厚十分困难。第二节聚煤盆地

在控制聚煤盆地形成与聚煤作用发生的诸条件中，古构造条件起着主导作用。聚煤期古构造影响古地理条件的变化，除引起局部海水进退外，隆起和坳陷的产生及其位置和方向又决定着区域内山脉、水系的分布和流向，也控制了聚煤盆地产生的位置和方向；同时，强烈的地形分化又影响到古气候的分带性，进而波及到古植物的生长、繁殖。

一般来说，煤田地质领域所称古构造是以聚煤期来划分的。发生在聚煤期以前的和聚煤期的构造，分别称为聚煤期前古构造和聚煤期古构造；发生在聚煤期以后的构造，则称为聚煤期后构造。为区别于聚煤期后构造，对于聚煤期前和聚煤期发育的宽缓开阔的褶皱，习惯上不称背斜、向斜，而称隆起、坳陷。第二节聚煤盆地

聚煤期前古构造，通常表现为聚煤盆地基底构造，即聚煤盆地发育在基底构造之上，属于坳陷范围内，且周围隆起区常成为物源区；聚煤期古构造常表现为聚煤盆地内在聚煤过程中隆起、坳陷的分化和同沉积构造的存在，它对含煤岩系的形成和聚煤作用起着重要的控制作用；聚煤期后构造是含煤岩系形成之后而活动的构造，只对煤系的赋存有影响。

聚煤期前古构造、聚煤期古构造、聚煤期后构造三者间的关系可具继承性，或不具继承性。第二节聚煤盆地二、聚煤盆地的类型

按成因可分为两大类：一类是由于侵蚀、岩溶等非构造因素形成的，称非构造成因的聚煤盆地，也泛称侵蚀聚煤盆地；另一类是地壳变形的产物，属构造成因，则称构造聚煤盆，又称聚煤坳陷。1.非构造成因聚煤盆地

主要是外动力地质作用所形成，基本与构造运动无关。根据成因，可分为四类：由河流、冰川、风的侵蚀作用，或地表灰岩因溶蚀而成的侵蚀盆地；在石灰岩、白云岩地区形成溶洞后，其上覆岩层失去支撑而塌陷所形成的岩溶陷落盆地；中、新生代埋藏在地下的膏盐矿层，由于重力不均匀或其它原因产生塑性流动而上隆，在隆起的盐丘旁侧下陷所形成的盐丘盆地；因火山喷发而留下的古火山口盆地等。

由于缺乏持续沉降的古构造背景，所形成的含煤岩系一般厚度有限，且变化大、分布零星，不具工业价值。2.构造成因的聚煤盆地

由于地壳构造运动而引起。在聚煤期内，盆地基底往往是边沉降、边接受沉积，形成的含煤岩系厚度很大，达数百米至数千米。地史上保存的具有重要工业意义的聚煤盆地，绝大多数都属于构造成因聚煤盆地。

根据聚煤期古构造特征，可将构造成因聚煤盆地分为坳陷和断陷两大基本类型，以及两者间的过渡类型-断坳型。

第二节聚煤盆地图1-5坳陷型聚煤盆地

(l)坳陷型聚煤盆地

坳陷型聚煤盆地又称为波状坳陷盆地，或简称坳陷盆地。聚煤期构造运动是以宽缓开阔的隆起、坳陷为主，含煤岩系形成于坳陷之中，而隆起区常成为陆源碎屑供应区，聚煤盆地基底呈波状起伏、断裂不发育，可以有多个沉积中心。这种类型聚煤盆地和在其内所形成的含煤岩系具有如下特征：①聚煤盆地面积大小不一。一般古生代坳陷盆地面积较大；中、新生代拗陷盆地面积较小。它们共同的特点是平面形状多为浑圆形或长圆形。②沉积区与剥蚀区的相对高差不大，且相距较远，因而沉积碎屑颗粒分选、磨圆均较好，边缘相一般是河流冲积物，缺乏巨厚的山麓相堆积。第二节聚煤盆地第二节聚煤盆地③含煤岩系古地理类型多为滨海平原型、滨海冲积平原型或内陆盆地型，且盆地基底连续性好。④含煤性与坳陷中心、沉积中心有一定的规律。面积较小的中、新生代坳陷盆地，一般坳陷中心即为沉积中心，沉积厚度最大，含煤性也较好，向坳陷边缘则沉积厚度减少，含煤性也随之变差；面积较大的古生代坳陷盆地，由于坳陷中心距陆源剥蚀区较远，碎屑物供给不足，所以坳陷中心不是沉积中心，含煤性较好的部位一般既不在坳陷边缘，也不在坳陷中心，往往发育在斜坡带部位，尤其当盆地内有次一级古构造分异时，古隆起两侧的斜坡带往往是聚煤最有利的部位。第二节聚煤盆地

沁水盆地是华北地台山西隆起区内的一个次级构造单元，地处山西隆起区的南部，夹持在隆起之间的北北东向展布、两翼倾角平均仅4°左右的宽缓复式向斜，属于中生代以来形成的构造坳陷。由周缘向坳陷内部依次出露太古界、元古界、古生界、中生界地层，坳陷中心最新地层主要为中三叠统二马营及铜川组。以上古生界分布边界线圈定坳陷范围，沁水盆地面积36000km2，呈近南北向展布。其现今构造的总体面貌以南北分区、东西分带为特征，依不同部分的具体地质、构造特征，可划分为四个构造区、15个构造带（表1-3）。第二节聚煤盆地一

级

单

元二

级

单

元编号命

名编号命

名Ⅰ北

部

端

区Ⅰ1太

原

西

山

断

块Ⅰ2寿阳

—阳泉单斜Ⅰ3晋

中

断

陷Ⅱ榆社—沁源构造区Ⅱ1来

远

背

斜

带Ⅱ2聪子峪—古阳单斜Ⅱ3漳源—沁源带状构造展布区Ⅱ4油房-南马会背斜带Ⅱ5左权

—夏店单斜Ⅱ6双头—襄垣断裂构造带Ⅲ屯留—安泽构造区Ⅲ1古县—浇底断裂构造带Ⅲ2安泽—西坪带状构造展布区Ⅲ3丰宜—晋义带状构造展布区Ⅲ4屯留—长子单斜Ⅳ南

部

端

区Ⅳ1沁

水

单

斜Ⅳ2固

县

单

斜表1-3沁水盆地构造单元划分简表(吴继龙，1991年)第二节聚煤盆地

沁水盆地的构造演化大体上经历了地槽、地台和地台活化三个发展阶段。

太古代～早元古代为地槽阶段，阜平、五台、滹沱三期重要的褶皱变质运动，使沁水盆地所在的华北地台逐步固结，太古界和下元古界成了地台的结晶基底。从基岩的展布状况分析，褶皱隆起作用和断裂对山西地区有明显的控制作用。早元古代末整个山西隆起区具有三隆夹两坳的雁列结构特征（图1-6），沁水盆地属于南部的曲阳—榆社—沁水—三门峡坳陷。几条主要的基底断裂不仅明显地控制了基岩地层的展布状态，对其后地层的沉积和构造形变也都起着一定的控制作用。

图1-6山西地区基底结构图

第二节聚煤盆地

早古生代，发育稳定的海相碳酸盐岩系，沉积上总体为近南北走向，显示出一定的继承性。中奥陶世之后，整体抬升、遭受剥蚀。但在区域上，抬升、剥蚀呈现一定的不均衡性，从而使整个山西隆起区呈现北东向隆、坳相间格局（图1-8）。

中元古代～中生代三叠纪属地台阶段。中元古代早期，沁水盆地主体部位表现为一北北东向的裂谷（图1-7）。南口期之后，裂谷封闭，转为区域隆起，遭受剥蚀；古生代，沁水盆地属于华北沉积盆地的一部分。图1-8山西省加里东期构造带图图1-7山西省南部西洋河群地层等厚图第二节聚煤盆地

煤层含气量大小受多种因素控制，不同地区各种因素的影响程度不同。该区影响煤层含气量的主要地质因素有煤质、构造、煤化程度、埋深等。在沁水盆地南部，平均含气量的高低与煤级和灰分之间的关系十分密切。随煤级增高含气量增大，灰分产率每增加10％，平均含气量约降低4m3/t左右。在含气高峰阶段，如果煤级和灰分产率相同，则3#煤层的平均含气量显著低于15#煤层。评价区煤层含气量与灰分产率之间的对应关系如图1-9所示，随灰分产率的降低，含气量呈e指数增加。图1-9樊庄区块灰分与含气量关系图第二节聚煤盆地图1-10樊庄区块埋深与含气量关系图

在埋深方面，总体上，煤层埋深越大，保存条件越好，煤层含气量越高，相应的煤层含气饱和度也越高。但15#煤层一般较3#煤层深80~100m，二层之间的含气量变化却并不完全遵循随埋深增大而含气量增高之规律。全区3#煤、15#煤16口井统计结果发现，大部分地区15#煤含气量高于或近似于3#煤，亦有局部地区15#煤含气量低于3#煤。这是因为15#煤无机矿物含量高于3#煤。当局部地区15#煤无机矿物含量较3#煤高出较多时，其煤层含气量低于3#煤，相应地其含气饱和度亦低于3#煤。如在晋试1井区，3#煤平均含气饱和度0.93，15#煤为0.74，3#煤含气饱和度较15#煤高出19%。可见，煤层含气量的影响因素是多方面的、复杂的。第二节聚煤盆地

图1-11断陷型聚煤盆地的横断面a单侧有控制性断裂b双侧有控制性断裂(2)断陷型聚煤盆地

断陷型聚煤盆地又称断裂坳陷型聚煤盆地，或简称断陷盆地。聚煤期构造运动以断裂为主，因此聚煤盆地的产生是由于断块下陷而引起。盆地的边缘(一侧或两侧)常有规模较大的断裂存在，以此作为隆起剥蚀区与下陷沉积区的分界；盆地内基底不连续，常有断裂存在。这种类型聚煤盆地和在其内所形成的含煤岩系具有如下特征：图1-12复杂类型的盆地（早期断陷，晚期转化为坳陷）第二节聚煤盆地

①单个断陷盆地多呈狭长带状，其展布方向和规模取决于断裂的方向和长度，一般长宽比差别很大，面积也有限。但这类聚煤盆地常按一定方向成群成带出现，因此同一聚煤期断陷盆地的总面积较大，煤炭储量也相当可观。

②从剖面上看，当两侧有断裂存在时，盆地常对称；当只一侧有断裂存在时，盆地则不对称。

③沉积区与剥蚀区仅以盆缘断裂相隔，且相对高差较大，因而沉积物分选、磨圆差，在接近盆缘断裂处常形成巨厚的山麓相堆积。

④含煤岩系古地理类型多为山间盆地型和山间谷地型，且盆地基底常不连续，有低级别的同沉积断裂存在，因此含煤岩系的沉积厚度、岩性、沉积相、含煤性变化均较显著，旋回结构不清楚，煤、岩层对比困难。第二节聚煤盆地

⑤含煤性好坏取决于聚煤期断裂活动的速度和幅度，以及与沉积物、植物遗体补偿之间的相互关系。沉降过速、幅度较大的盆缘山麓相带含煤性极差；沉降较缓、幅度较小的部位含煤性好，常形成巨厚煤层；两者之间为煤层分叉变薄带。(3)断坳型聚煤盆地

断坳聚煤盆地是指在聚煤期内，断裂和褶皱构造运动同时发生的聚煤盆地，因而一般兼具坳陷型及断陷型盆地的特征，属于过渡类型。

第二节聚煤盆地三、聚煤盆地的同沉积构造

聚煤盆地中伴随着含煤岩系的沉积作用而发展起来的构造称为同沉积构造，它是聚煤期古构造的一种特殊表现形式。同沉积构造包括同沉积褶皱和同沉积断裂，它们的存在直接影响着沉积盆地内基底的沉降和沉积补偿关系，引起岩性、沉积相、厚度和含煤性的变化，对聚煤作用有重要影响。

根据成因，同沉积构造可分为重力成因、构造成因两大类。前者主要是指在沉积过程中由于沉积物的不断增厚，当原始倾角超过一定程度，因重力作用引起滑塌而产生的同沉积构造，如三角洲前缘地带；或因岩性不同引起差异压缩而产生的同沉积构造，如大型河床砂体与河漫沼泽细碎屑沉积或煤层的分界线附近，常因不同岩性的差异压缩而产生同沉积断裂。但重力成因的同沉积构造，无论其规模还是它对含煤岩系形成的影响程度和范围都是相当有限的。第二节聚煤盆地1.同沉积褶皱

指沉积岩系沉积过程中形成的褶皱。其成因是由于聚煤盆地内产生构造分异时，由于水平挤压或垂直的差异沉降运动而引起的。它主要表现为沉积厚度的变化以及岩性、岩相的差别。

含煤性与同沉积褶皱的关系主要取决于同沉积的隆起或坳陷对聚煤盆地沉积环境面貌的影响，或基底沉降速度与沉积物的补偿关系。例如，在大型内陆湖盆中发育的同沉积隆起地带，常有利于沼泽化的持续进行，以致于该部位虽含煤岩系沉积厚度小，但煤层厚度大；而同沉积坳陷，则使湖盆积水更深而发育深湖相，或使地形高差增大而发育冲积相，常不利于成煤。第二节聚煤盆地2.同沉积断裂

同沉积断裂是指在含煤岩系形成过程中不断活动的断裂，又称生长断裂。它既可以发育于盆缘，也可以发育于盆地内部；既可以达及地表，也可以是基底深处呈隐伏状态。但无论同沉积断裂出现部位和表现形式如何，这类断裂的共同特征是：上升盘与下降盘同一地层厚度变化很大；断距随深度而显著增大；两盘的岩性、岩相、旋回结构特点及含煤性等，都有明显差异。四、聚煤盆地的发展和演化

在含煤岩系形成过程中，它随着地壳运动的进行而发展和演化。这种发展和演化在时间上表现为随着时间的推进，其基本类型可以转化，在空间上则表现为聚煤盆地范围的超覆扩张、退缩分化和聚煤盆地位置的侧向迁移。第二节聚煤盆地图1-13盆地类型转化示意图a-断陷盆地向坳陷盆地转化；b-坳陷盆地向断陷盆地转化1.聚煤盆地基本类型的转化

基本类型的转化主要体现出两种情况：第一，非构造成因的聚煤盆地向构造成因聚煤盆地转化。一般来说，大多数的聚煤盆地在早期阶段都经历过侵蚀盆地的阶段，即为非构造成因的盆地，由于后期地壳构造运动使盆地基底不断下沉，侵蚀盆地逐渐向构造成因的聚煤盆地转化；第二，断陷型盆地和坳陷型盆地之间的相互转化，可以是断陷盆地向坳陷盆地转化(图1-13a)，也可以是坳陷盆地向断陷盆地转化(图1-13b)

第二节聚煤盆地2.聚煤盆地的超覆扩张和退缩分化

由一个小的坳陷发展成一个大的坳陷，或是由若干个相邻的小坳陷逐渐连通成一个大的坳陷，其结果含煤岩系愈靠上部的层段分布范围愈广，这种现象称为超覆扩张(图1-14)；反之，在聚煤盆地发育的晚期，大的坳陷缩小并被新产生的隆起分隔，这种现象称为退缩分化(图1-15)。聚煤盆地的超覆扩张和退缩分化，既可以是构造因素(盆地基底沉降速度和幅度)引起，也可以是非构造因素(如因气候因素引起的海、湖面升降)引起，但以前者为主。图1-14吉林蛟河煤田下部煤层被超覆示意图

图1-15聚煤坳陷的退缩分化1、2、7、8、9-煤层编号a-早期；b-晚期第二节聚煤盆地3.聚煤盆地的侧向迁移

不同聚煤期或同一聚煤期的不同发展阶段，聚煤盆地在空间上的转移，称为侧向迁移。其中，有两种不同情况：一是随着时间的变化，仅是聚煤盆地的中心位置有偏移；另一情况是盆地的中心和展布方向均发生偏移。

侧向迁移的现象，可以是整个盆地级的隆起和坳陷，也可以是盆地内部次级的隆起和拗陷。虽然构造级别不同，但都会引起聚煤部位的迁移。第二节聚煤盆地五、富煤带及其形成条件

一般把同一含煤岩系剖面中煤层发育较好，相对富集的块段在空间上呈条带状分布，称为富煤带。在富煤带内虽然煤层累计厚度较大，但仍然存在着差异性，其中含煤厚度最大的部位，称为富煤中心。一条富煤带可以有一个或多个富煤中心。

在不同类型煤田中，富煤带的表现形式不尽相同，但归根到底有两种情况：其一，有厚到巨厚煤层存在；其二，有总厚度较大的许多单个煤层存在。第二节聚煤盆地

富煤带的形成，需要多方面条件的有利配合。富煤带的形成条件简单地归纳为两点：第一，具备最有利于泥炭沼泽发育的地貌条件；第二，具备能使这种有利的地貌条件持续存在或反复出现的有利的构造条件和其它条件。由此可知，富煤带的形成是古地理、古构造因素综合作用的结果，在这两个因素中，古构造因素起着决定性作用，它是古地理环境的主要决定因素，并通过改变古地理环境来控制聚煤作用的进行。六、煤系1.煤系的概念

煤系是指在一定地质时期连续沉积形成的一套含有煤层并具有成因联系的沉积岩系。通常，又称为含煤岩系、含煤建造、含煤地层等。煤系是具有三维空间形态的沉积实体，是特指含有煤层的一套沉积岩系，是充填于含煤盆地的具有共生关系的沉积总体。第二节聚煤盆地2.煤系的特征

煤系具有独特的岩性特征。

（1）煤系颜色主要由灰色、灰绿色及黑色的沉积岩组成，含有一定的杂色岩石；

（2）主要的岩石类型有各种粒度的砂岩、粉砂岩、泥质岩、炭质泥岩、煤、粘土岩、石灰岩，以及少量的砾岩等，有的还含有油页岩、硅质岩、火山碎屑岩等，这些岩石一般交互出现；

（3）岩性变化较大、不同地区具有明显的差异，即不同时代、不同地区的煤系，其岩性组成差异很大，这主要取决于含煤岩系沉积时的古地理和古构造；

（4）煤系中往往含有厚度不等的火山岩及火山碎屑岩；

（5）煤系中含有大量植物化石，有的含有丰富的动物化石及各种结核；

（6）煤系一般具有较好的旋回结构；

第二节聚煤盆地图1-16海陆煤系示意图3.煤系的类型

在不同的古地理环境中形成的煤系具有不同的特征。根据煤系形成时古地理环境的不同，将煤系分为近海型煤系和内陆型煤系两种类型（图1-16）。第二节聚煤盆地（1）近海型煤系

亦称海陆交替相含煤岩系。煤盆地长期处于海岸线附近的环境中形成的含煤岩系。由陆相、过渡相和浅海相沉积物组成。这类煤系形成于近海地区，地形简单、平坦、广阔，因此容易发生大范围的海侵海退。海侵时形成海相地层，海退时形成陆相地层。近海型煤系特点：1）煤系分布广；

2）岩性、岩相稳定，标志层多，煤层容易对比；

3）碎屑成分单一，分选好，圆度高，粒度细；4）煤层层数多，单层厚度小，煤系厚度不大；

5）煤层结构简单；6）含黄铁矿，硫分高。第二节聚煤盆地（2）内陆型煤系

亦称陆相含煤岩系。煤盆地在内陆环境中形成的含煤岩系。这类煤系形成于距海较远的地区，往往是在内陆的一些小盆地中发育而成的，所以煤系中没有海相地层，全为陆相地层。特点：1）煤系分布局限；

2）岩性、岩相变化大，标志层少，煤层对比困难；

3）碎屑物成分复杂，分选差，圆度低，粒度粗；4）煤层层数少，单层厚度大，煤系厚度大；5）煤层结构复杂，含夹石多。第一章煤层气地质第一节煤的形成与煤阶第二节聚煤盆地第三节煤层气储层第四节煤层气的赋存规律与成藏第三节煤层气储层一、煤层

煤层是指沉积岩系中赋存的层状煤体。煤以多层状地质体的形态赋存于地下，并与上下岩层有截然的分界面。因此，将由上下两个层面限制的煤及其间所夹的矸石层称为煤层，上、下界面分别称为煤层的顶、底板。1.煤层形态

煤层形态是指煤层赋存的空间几何形态。根据煤层在一定范围内连续成层的程度和可采情况，可将煤层形态分为层状、似层状和不规则状等三种类型。（1）层状

煤层在一个井田范围内是连续的，厚度变化不大。（2）似层状

煤层层位比较稳定，不完全连续或大致连续，煤层厚度变化较大，无一定的规律性。（3）不规则状

煤层层位不稳定，基本不连续，分叉、尖灭现象较普遍；煤层厚度变化，无规律可循；煤层可采面积小于不可采面积。第三节煤层气储层2.煤层的结构、顶底板（1）煤层的结构

煤层包含煤份层和岩石夹层，不含夹石层者称为简单结构煤层；反之，含有夹石层者则称为复杂结构煤层（图1-17）。煤层中的岩石夹层俗称夹矸。夹矸一般为粘土岩、炭质泥岩或粉砂岩，有时为石灰岩、硅质岩、油页岩、细砂岩或砾岩。图1-17煤层结构示意图第三节煤层气储层（2）煤层的顶底板

在正常地层层序情况下，直接位于煤层之下的岩层，称为煤层底板；而煤层的直接上覆岩层，称为煤层顶板。煤层顶、底板之间的垂直距离称为煤层厚度。根据顶板在煤层开采中垮落的难易程度及其与煤层的相对位置，将顶板分为伪顶、直接顶、老顶三种类型；根据底板性质及与煤层的位置关系分为直接底和老底两种类型（图1-18）。图1-18煤层顶底板结构第三节煤层气储层

煤层底板以泥岩、粘土岩最为常见，通常呈团块状，富含植物根茎化石和不规则滑面，俗称根土岩。根土岩常含有伊利石、蒙脱石、高岭石和其他粘土矿物，尤以高岭石最富集，可形成具有工业价值的耐火粘土矿层。在陆相含煤岩系中，砂岩作为煤层底板亦比较常见，但在煤层和砂岩层之间往往存在薄层粘土岩，个别情况下，煤层底板为砾岩层或石灰岩层，煤层具有异地、微异地搬运的特征。

煤层顶板的岩石类型多种多样，最常见的是泥岩、粉砂岩、砂岩和石灰岩，这主要取决于泥炭沼泽所处的沉积环境。第三节煤层气储层

煤层与顶板的接触关系呈明显接触、过渡接触和冲蚀接触三种情况。明显接触是指煤层与顶板接触界限分明，界面平整，反映了沉积环境的迅速变化，过渡接触是指顶板和煤层之间夹有薄层炭质泥岩、泥岩，或炭质泥岩与煤薄层的互层(俗称伪顶)，反映了泥炭沼泽向覆水盆地的逐渐演化；冲蚀接触通常表现为冲积相砂砾岩对下伏煤层的冲蚀，这种冲蚀作用可以发生于泥炭沼泽阶段，但更多的是发生在泥炭层被沉积物覆盖之后，冲蚀接触界限清楚，界面凸凹不平，造成煤层变薄或局部缺失。

煤层顶底板对煤层气藏的形成具有重要作用。煤层顶、底板岩性封闭性能及区域盖层条件是煤层气的主要封闭条件。第三节煤层气储层图1-19煤吸附甲烷示意图

二、煤层气的吸附与解吸1.吸附与解吸机理

煤内表面上分子的力场是不饱和的，因此它具有吸附甲烷气体的能力，这就是煤对甲烷分子的吸附作用。普遍认为甲烷气体在煤内表面的吸附主要是物理吸附，其本质是煤表面分子和甲烷气体分子之间相互吸引的结果，是煤分子和甲烷气体分子之间的作用力使甲烷气体分子在煤表面上的停留。（如图1-19所示）。

煤分子和甲烷气体分子之间的引力越大，煤对甲烷的吸附量就越大。第三节煤层气储层

煤分子和甲烷气体分子之间的作用力是范德华力，由此而形成吸引势，即吸附势阱深度Ea也称势垒。甲烷分子在吸附势的作用下，由自由状态分子转变为吸附态分子，逐渐在煤表面沉积下来。自由气体分子必须失部分所具有的能量才能停留在煤的孔隙表面，因此吸附是放热的；处于吸附状态的甲烷气体分子只有获得能量Ea才能越出吸附势阱而成为自由气体分子，因此解吸是吸热的。

甲烷气体分子的热运动越剧烈，其动能越高，吸附甲烷分子获得能量发生解吸可能性越大。当甲烷压力增大时，气体分子撞击煤体孔隙表面的几率增加，吸附速度加快，甲烷气体分子在煤孔隙表面上排列的密度增加。第三节煤层气储层2.吸附与解吸的影响因素（1）压力

当温度与其他因素相同时，煤层气吸附量随压力增加而增大，但不同的压力区间其增加的幅度是不同的。低压时，吸附量随压力几乎成线性增长；中~高压时，吸附量增长率变小，至某一极限压力吸附达到饱和状态，吸附量不再增大。（2）温度

煤的吸附量总体上是随温度增加而减少，温度区间不同和煤样不同时，吸附量减小的程度不同；煤的解吸量总体上随温度的增加而增加，甲烷在煤中的解吸属于吸热反应，随着甲烷的解吸，煤层中的温度会局部下降，从而降低解吸速率。（3）煤层埋深

一般而言，煤层气吸附量随埋深的增加而增大，解吸量则随埋深的增加而减小。（4）含水量

一般情况下，煤中含水量增大，吸附能力将降低，这是由于水分子也可以被煤吸附，占据一部分表面积，从而使甲烷的吸附量减少。但当煤层含水量达到某一极值时，含水量的增大将不再对吸附第三节煤层气储层能力产生影响，该极值称为临界含水量。同时，煤中的含水量也能明显影响煤对甲烷解吸性能，由于甲烷赋存于微孔隙中，毛细管压力高，具有很强的自吸能力，表现出水分对煤中吸附甲烷的束缚性。（5）煤阶

煤阶越高，碳含量越大，在同等温度、压力等条件下，吸附能力越强。这是由于随含碳量的增加，煤的总孔隙率增加，特别是小的孔隙。这样煤的孔隙比表面积就随之增加，煤的吸附容积增大，煤对甲烷的吸附能力增强。（6）吸附质

煤的物质组成包括有机显微组分和矿物质，对煤的吸附能力起主控作用。煤中矿物质含量越高，其吸附能力越低。所有显微组分中，镜质组的吸附能力最强，稳定组分和惰性组分较低。第三节煤层气储层（7）气体成分

煤对不同气体的吸附量是不同的，不同气体在煤表面的吸附热不同。物理吸附的力主要是范德华力，所以越容易液化的气体，越容易被煤微孔隙表面吸附。当多元气体吸附时，每种气体不是独立吸附的，之间存在着吸附位的竞争，煤层气体主要组分的吸附能力由大到小依次为CO2、CH4、N2。多元气体的解吸研究发现，大多情况下CH4优先解吸，但因煤级差异，也有CO2优先解吸的现象。总的来说，多元气体的吸附是通过吸附位的竞争来进行的，吸附竞争力的强弱与吸附质分子的极性有明显的关系，吸附和解吸是可逆的，但由于煤样中水分的作用，可能出现不可逆的现象。第三节煤层气储层3.煤层气的吸附特征（1）吸附及其形态

所谓吸附，是指气体以凝聚态或类液态被多孔介质所吸纳的一种过程。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，气体和固体之间结合较微弱；且物理吸附是快速和可逆的。化学吸附是共价键引起的，气体和固体之间的结合力很强；化学吸附是缓慢、不可逆的。大量研究表明，煤中气体的吸附属于物理吸附过程。

在一个封闭的系统里，固体颗粒表面同时进行着吸附和解吸两种相反的过程，即一部分气体由于吸引力而被吸附在表面成吸附气相；被吸附住的气体分子，在热运动和振动的作用下，其动能增加到足以克服吸引力的束缚时，就会离开表面重新进入游离气相。第三节煤层气储层

当这两种作用的速度相等时，颗粒表面的气体分子数量就维持在某一定量，这时就称为吸附平衡。在平衡状态时，吸附量随温度和压力而变化，显然，这是一种动态平衡。吸附量(V)是温度（t）和压力（p）的函数，可以表示为：

V=f(t，p)（1-1）

在上述函数关系式中，当温度一定时，称吸附等温线；当压力一定时，称吸附等压线。最常用的是吸附等温线，即在某一固定温度下，当达到吸附平衡时，吸附量（V）与游离气相压力（p）之间的关系曲线。在煤层气地质及勘探开发中，某一温度下煤的吸附等温线对评价煤层的最大储气能力、预测煤层气含量、确定临界解吸压力和计算煤层气理论采收率等具有重要意义。第三节煤层气储层图1-20物理吸附的5种类型吸附等温线

吸附等温线可以由实验室测试而获得。实际上实验测得的吸附等温线形状很多，大致可归纳为5种类型（图1-20）。第三节煤层气储层

等温线上的差异，反映了吸附剂与吸附质之间相互作用的差别。为了描述这些等温吸附线，人们提出了不同的吸附模型，主要有单分子层吸附理论—Langmuir

方程、多分子层吸附理论-BET方程、吸附势理论、统计势动力学理论、多相吸附模型等，目前公认的适合描述煤层气的是单分子层吸附理论-Langmuir

方程。

Langmuir（1916）从动力学的观点出发，其基本假设是：①吸附平衡是动态的；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：

（1-2）

式中：V为吸附量(m3/t)；p为平衡气体压力（MPa）；a为吸附常数，反映吸附剂（如煤）的最大吸附能力，与温度、压力无关，取决于吸附剂和吸附质的性质（m3/t)；b为压力常数，取决于温度和吸附剂的性质（MPa-1）。

第三节煤层气储层

Langmuir方程的另一种表达形式是：

(1-3)

式中：VL为Langmuir体积(m3/t)，其物理意义与a值相同，即VL=a；PL为Langmuir压力（MPa），代表吸附量达到Langmuir体积的一半时所对应的平衡气体压力，与压力常数b的关系是PL=1/b；其他符号意义同上。

第三节煤层气储层

在平衡压力较低时，Langmuir方程分母中的bp项相对1而言，可以忽略不计；此时，吸附量与压力成正比。即：V=a﹒b﹒p(1-4)

该公式称为（Henry）公式，它只有当吸附剂的内表面积最多只有10%被气体分子覆盖时，即在平衡气体压力很低时才成立。

在气体平衡压力很高时，Langmuir方程式分子中的1相对于bp项来说可以忽略不计，即V=a，这就是饱和吸附，反映了a值的物理意义。单分子层吸附理论是目前广泛应用于煤的吸附性的状态方程。第三节煤层气储层（2）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，这是煤层气与常规储层储气机理不同的物质基础。

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，因此，可以用物理吸附模型来探讨煤吸附气体的机理。

煤储层的温度大都在10～50°C范围内，这一温度远远高于甲烷的临界温度（-82.57°C），煤的等温吸附试验一般也是在这一温度范围内进行的，因而不易发生多层吸附；煤是一种孔隙结构比较复杂、孔径分布不集中的多孔介质，只在特定的孔径的微孔结构中发生吸附是不可能的，即吸附不是以微孔充填为主的过程。大量煤样的吸附等温线属I类；只有少数属于II类，而且只有在压力较高时才会出现。因此可以认为，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；第三节煤层气储层3.煤层气的解吸特征（1）煤层气解吸量与解吸率

解吸是指煤中吸附气由于自由气体压力减小而转变成为游离气体，造成煤储层吸附量减少。煤储层解吸特性可用解吸量和解吸速率予以衡量。

解吸总量由阶段解吸量组成，解吸速率往往采用吸附时间定量表示，它们直接影响煤储层的含气性，并受吸附性、渗透性等诸多地质因素的制约。煤层气解吸量由四部分组成，即逸散量、现场两小时解吸量、真空加热脱气量和粉碎脱气量。逸散气量、解吸气量之和与总气体量之比，称为解吸率。我国煤的解吸特性变化较大，煤层气解吸率一般为21.9%-58.1%。

解吸率的高低主要受煤储层原位含气性的影响，在其他条件不变的情况下，原位含气量越高，说明同等体积煤中吸附气体越多，即含气饱和度越高，所以气体也就越容易解吸，解吸率越高。同时，解吸率的高低还受煤级和灰分等的影响。第三节煤层气储层

煤中无机物质含量越高，吸附气量越少，即含气量越低。充填在煤孔隙中的无机物质（如粘土矿物等）占据气体运移通道，使气体不易扩散运移出来，所以随着灰份含量增高，气体解吸率变低。（2）临界解吸压力与理论采收率

煤层气临界解吸压力是估算煤层气采收率的重要参数。临界解吸压力与煤储层压力之比(简称为临储压力比)往往决定煤层气开采之中排水降压的难易程度，因此在煤层气地质选区中应当予以重点考虑。临界解吸压力计算公式:

(1-5)式中，pcd

一临界解吸压力，MPa；

Vme

一实际含气量，m3/ta、b一等温吸附常数。

第三节煤层气储层

煤层气的采收率，不仅取决于煤层的含气性，煤的吸附一解吸性和煤层气储层煤层所处的原始压力系统，而且在相当程度上受控于煤层气的钻井、完井和开采工艺，即煤层被打开以后储层压力所能降低的程度和压降大小。煤层气的理论最大采收率的计算公式为:或(1-6)

式中：Pad一枯竭压力，MPa；

Pcd一临界解吸压力，MPa；

Vme一实际含气量，m3/t；

一理论最大采收率。第三节煤层气储层三、煤储层特征参数1.煤储层的组分

煤的化学组成很复杂，但归纳起来可分为有机质和无机质两大类，以有机质为主体。

煤中的有机质主要由碳、氢、氧、氮和有机硫等五种元素组成。其中，碳、氢、氧占有机质的95%以上。此外，还有极少量的磷和其他元素。煤中有机质的元素组成，随煤化程度的变化而有规律地变化。一般来讲，煤化程度越深，碳的含量越高，氢和氧的含量越低，氮的含量也稍有降低。唯硫的含量则与煤的成因类型有关。

煤中的无机质主要是水分和矿物质，它们的存在降低了煤的质量和利用价值，其中绝大多数是煤中的有害成分。

另外，还有一些稀有、分散和放射性元素，例如，锗、镓、铟、钍、钒、钛、铀等，它们分别以有机或无机化合物的形态存在于煤中。第三节煤层气储层

通过元素分析可以了解煤的化学组成及其含量，通过工业分析可以初步了解煤的性质，大致判断煤的种类和用途。煤的工业分析包括对水分、灰分、挥发分的测定和固定碳的计算四项内容。（1）水分

水分是指单位重量的煤中水的含量。煤中的水分有外在水分、内在水分和结晶水三种存在状态。一般以煤的内在水分作为评定煤质的指标。煤化程度越低，煤的内部表面积越大，水分含量越高。（2）灰分

灰分是指煤在规定条件下完全燃烧后剩下的固体残渣。它是煤中的矿物质经过氧化、分解而来。可将煤层灰分含量分为高灰份（＞40％）、较高灰分（40～25％）、中灰分（25～15％）、低灰分（＜15％）。第三节煤层气储层（3）挥发分

挥发分是指煤中的有机物质受热分解产生的可燃性气体。它是对煤进行分类的主要指标。煤的挥发分产率与煤化程度有密切关系，煤化程度越低，挥发分越高，随着煤化程度加深，挥发分逐渐降低。（4）固定碳

测定煤的挥发分时，剩下的不挥发物称为焦渣。焦渣减去灰分称为固定碳。它是煤中不挥发的固体可燃物，可以用计算方法算出。

灰分越高，热效率越低；燃烧时，熔化的灰分还会在炉内结成炉渣，影响煤的气化和燃烧，同时造成排渣困难；炼焦时，全部转入焦炭，降低了焦炭的强度，严重影响焦炭质量。煤灰成分十分复杂，成分不同直接影响到灰分的熔点。灰熔点低的煤，燃烧和气化时，会给生产操作带来许多困难。第三节煤层气储层2.煤储层的孔隙

煤是一种复杂的多孔介质，煤中孔隙是指煤体未被固体物（有机质和矿物质）充填的空间，是煤的结构要素之一。煤的孔径结构是研究煤层气赋存状态、气、水介质与煤基质块间物理、化学作用以及煤层气解吸、扩散和渗流的基础。

煤层是一种双重孔隙结构，属于裂隙孔隙型储层。图1-21是煤储层孔隙结构的理想模型，割理将煤分成若干基质块，基质块中包含大量的微小孔隙，是气体储存的主要空间，其渗透率很低；割理是煤中的次要孔隙系统，但却是煤层中流体渗流的主要通道。孔隙和割理都是煤储层研究的重要内容。图1-21煤的双重孔隙系统煤的孔隙类型三类主要划分系统：（1）煤孔隙的成因分类。张慧（2001）提出原生孔、变质孔、外生孔和矿物质孔4种基本类型（表1-4），分类的基础是煤的成岩作用、变质作用和光学、扫描显微境下的特征观察；观察到的原生孔、外生孔、矿物质孔及变质孔中的气孔一般孔径在1000nm以上，这些孔的发育特征对煤中游离气的储集和运移很重要；但对变质孔中孔径多小于100nm的键间孔（相当于Gan

的分子间孔，1972）难于直接观察，而键间孔特征是认识煤中吸附气储集和运移的关键所在。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气孔煤化作用过程中由生气和聚气作用而形成的孔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区在长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔晶间孔矿物晶粒之间的孔表1-4煤的孔隙类型及其成因第三节煤层气储层（2）煤孔隙的孔径结构分类。B.B.霍多特对煤层孔隙进行了十进制划分方案，划分出大孔（大于1000nm）、中孔（介于100～1000nm）、过渡孔（介于10～100nm）和微孔（小于10nm）。分类的基础主要是固体孔径（孔的平均宽度）范围与固气分子作用效应，及压汞法和液氮吸附法的测试结果。一般认为，大孔发生气体强烈层流和紊流渗透，中孔发生气体缓慢层流渗透，过渡孔可发生气体毛细管凝聚、物理吸附及扩散，微孔是发生气体吸附的主要场所。而根据孔隙割理一般研究的物理测试结果，则通常将煤中孔隙（包含割理）的空间尺度划分为：<0.01µm为微孔，0.01～0.1µm为小孔，0.1～1µm为中孔，>1µm为大孔。限于实验方法、认识水平等因素，不同方案间的孔径分级、同一级别孔的孔径大小多不一致。第三节煤层气储层（3）煤孔隙的形态分类。郝琦等（1987）在国内率先开展了对煤孔隙形态类型的研究，分类的依据是压汞实验的退汞曲线或液氮吸附曲线的形态特征。据陈萍等（2001）的研究结果，煤孔隙划分为Ⅰ类孔（两端开口圆筒形孔及四边开放的平行板状孔）、Ⅱ类孔（一端封闭的圆筒形孔、平行板状孔、楔形孔和锥形孔）、Ⅲ类孔（细颈瓶形孔）。煤孔隙形态特征对低压吸附影响较为明显，对高压吸附影响可能较小。第三节煤层气储层第三节煤层气储层图1-22煤层割理系统3.煤储层的割理系统（1）割理系统煤层中存在的割理属于裂缝系统，对煤层的机械性能和渗透率有很大影响。通常，分为下列几种类型(见图1-22)：1)面割理或面理(主要)；2)端割理或端理(次要)；3)第三级割理；4)第四级割理；5)接缝。第三节煤层气储层图1-23煤割理系统示意图

前两种割理形式是煤层中的基本裂缝形式，二者大致垂直。其中面割理为连续的裂缝，延伸长度大、发育，且先于端割理形成，割理系统的三维几何形状见图1-23。煤层气将通过这两种割理形式运移到井中，因此煤层的渗透率也主要取决于这两种割理。第三、四级割理比前两种形成晚，且中止于面理和端理。接缝通常与面理平行，形成时间较晚，而且远离割理；接缝可能垂直穿过煤层、无机夹层以及围岩界面，因此接缝的存在可以提高垂向渗透率，对于高产井非常重要。第三节煤层气储层

割理的长度在层面上可测量到，发育的面割理呈等距分布，其长度变化范围很大，不发育的面割理在层面上以短裂纹的形式出现，宏观下从几毫米到几厘米。面割理的高度受煤岩类型分层和煤岩成分厚度控制，总体上煤的光泽越亮、镜煤和亮煤越多、厚度越大，割理越发育、割理高度越大，割理高度小到几微米，大到几十厘米。

端割理一般与面割理是相互连通的。端割理的长度受面割理间距的控制，面割理间距越大，端割理越长。端割理与面割理的受控因素相同，主要与煤岩类型和煤岩组分有关。

割理的宽度与其规模有关。割理规模越大，宽度亦越大，变化范围为1µm至几厘米。

割理的形态也是多种多样的，在层面上主要有：①网状，这种割理连通性好，极发育；②一组大致平行的面割理极发育，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，这种割理连通性较差，较发育。第三节煤层气储层

剖面上，割理主要呈垂直于层理或微斜交层理平行排列。除此之外，按形态和成因，煤中裂隙还可分为三类：1、内生裂隙(割理)：煤中有两组大致相互垂直的内生裂隙，名为主内生裂隙(面割理)和次内生裂隙(端割理)。主内生裂隙延伸较远(可达数米)；次内生裂隙仅发育在两条相邻的内生裂隙之间。两组内生裂隙与煤层层面垂直或陡角相交，从而把煤体切割成一系列的斜方形基质块。图1-23裂隙分类第三节煤层气储层

煤中内生裂隙与煤岩组分和煤化程度密切相关。一般只发育在镜煤和亮煤分层中，不切穿上下分层，裂隙面平坦，无擦痕。不同变质阶段、不同煤岩组成的煤，具不同的力学性质，内生裂隙的发育程度自然不同。

内生裂隙的形成不仅是由煤的力学性质这一内在因素决定的，而且受凝胶化物质体积收缩产生的内张力作用和构造应力作用，但这种构造应力要比形成外生裂隙的应力弱得多。2、外生裂隙：指煤层在较强的构造应力下产生的裂隙。按成因可分为3种：剪性外生裂隙、张性外生裂隙和劈理。

①剪性外生裂隙与煤层面以各种角度相交可出现在煤层任何部分，裂隙凹凸不平，且有滑动痕迹，多呈羽毛状、波状，裂隙间距较宽，常两组或多组并存。第三节煤层气储层

②张性外生裂隙与岩石的张节理一样，规模较小，雁行排列，煤中少见。

③劈理是指煤层存在层间滑动时，形成的一系列波状的相互平行的裂隙。外生裂隙的成因与岩石节理的成因相近，剪性和张性外生裂隙是煤脆性形变阶段的产物。从煤中以剪性外生裂隙为主、张性外生裂隙少见这一现象分析知，它可能与煤的力学性质有关。因煤体的强度远远低于岩石，且脆性强，在外部应力作用下，以剪性外生裂隙的形成、使煤体遭到破坏来消减构造应力，很难形成对应的张应力。劈理是岩石塑性形变阶段的产物。煤中的劈理与岩石一样，是塑性滑动的结果，常与煤层小褶皱伴生。

煤层以其特有的力学性质，在含煤岩系中最易成为滑动面，煤中可同时出现多个滑动面，滑动面之间可出现劈理。第三节煤层气储层3、继承性裂隙：兼其内生裂隙和外生裂隙的双重性质，属过渡类型。如果内生裂隙形成前后的构造应力场方向不变，早先的内生裂隙就会进一步强化，表现为部分内生裂隙由其发育的煤分层向相邻分层延伸扩展，但方向保持不变，这部分裂隙就称为继承性裂隙。

以下四种作用是煤层割理系统的主要成因：第一，煤化过程中的脱水作用；第二，煤化过程中的脱挥发分作用；第三，构造作用；第四，压实作用。

在不同的煤层中，割理出现率可能有很大差别，主要取决于煤岩和煤质类型、煤层与无机夹层厚度、煤级和煤层埋深等因素。割理出现率大，煤层渗透性也相应高。第三节煤层气储层割理类型主要特征巨型割理可切穿若干个煤岩类型或整个煤层，长度大于数米，高大于1m

，裂口宽度毫米级，一般属外生割理，与层理斜交。大型割理可切穿一个以上煤岩类型分层，煤层长度大于几十厘米至1m

，高几厘米至1m

，裂口宽度微米级至毫米级，以外生割理多见，与层理斜交，割理较少，垂直层理或以高角度与层理斜交中型割理限于一个煤层类型分层，长几厘米至1m

，高几厘米至几十厘米，裂口宽度微米级，割理、外生割理以不同角度与层理斜交小型割理仅发育在单一煤岩成分中，在镜煤中最发育，长几毫米至1cm，高至几厘米，裂口微米级，割理多见，垂直于层理或以高角度与层理斜交微型只有借助于显微镜才可见的割理，长0.1至1mm，高小于1mm，裂口宽度微米级，割理多见，垂直于层理或以高角度与层理斜交，遇到丝质体、壳质体和矿物时，出现顺层方向裂开超微型借助高放大倍数，在扫描电镜下可见，长度1µm至mm，高0.1至10µm，裂口宽度微米级，割理多见（2）割理的规模类型

不同规模的割理在煤层的发育程度差异很大，对气体的渗流起着不同的作用。下面按照割理的规模以及割理与煤层、煤岩类型及煤岩成因的关系对其进行分类（表1-5）表1-5割理的规模类型及特征简述第三节煤层气储层（3）割理的评价方法及标准1）割理密度：表示一定距离内割理数量的多少，反映割理发育的程度。根据我国煤中割理的特征，根据尺度不同，将割理的密度划分为3个级别（表1-6）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1-6割理密度级别划分方案第三节煤层气储层2）割理的连通性：连通性包括同一割理类型之间的连通以及不同割理类型之间的连通状况。根据割理之间的连通状况、对渗透性的贡献以及几何形态特征，将连通性划分为三个级别（表1-7）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1-7割理的连通性等级划分方案第三节煤层气储层3）割理发育程度：包括割理的密度、长度、高度、裂口宽度及连通性，在整体上反映割理的发育状况及其对煤储层渗透性的影响。主要采用密度和连通性两个指标对割理发育程度进行划分（表1-8）。表1-8割理发育程度划分方案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第二章煤层气地质第一节煤的形成与煤阶第二节聚煤盆地第三节煤层气储层第四节煤层气的赋存规律与成藏第四节煤层气的赋存规律与成藏

一般来说，煤层气以三种状态存在于煤层之中：①吸附在煤孔隙的内表面上；②以游离态分布于煤的孔隙中，其中大部分存在于各类裂隙中；③溶解于煤层的地下水中。在煤化作用过程中生成的气体，首先满足吸附，然后是溶解和游离析出。在一定的温度和压力条件下，三种状态的气体处于同一的动态平衡体系中。

保存条件主要指盖层的封盖能力、水动力条件和构造运动等因素。在地质历史中，地质作用主要是通过改变地层的温压条件而改变吸附与解吸和吸附与溶解之间的平衡，控制地层中的煤层气赋存形式，从而影响煤层气的保存。

煤层气藏与常规天然气藏不同：煤既是气源岩，又是储集岩。第四节煤层气的赋存规律与成藏一、煤层气赋存规律（一）煤层气的形成1.煤层气形成的地质背景

煤田勘探和煤层气勘探的实践已证明，煤层气及其储层特性变化多样。因此，在确定研究区煤层气勘探、开发前景时，首先要对这一地区的区域地质背景资料进行分析，了解含煤地层的沉积特点及纵、横向分布规律和构造发育基本情况，研究煤的生气、储气能力、热演化特点、煤层气的分布规律及保存条件。第四节煤层气的赋存规律与成藏2.煤热演化生气作用

煤是一种以腐殖型为主的可燃有机岩，其基本结构单元为带侧链官能团并含杂原子的缩合芳香核体系。煤层气是煤在热演化变质作用中生成的。在煤热演化作用过程中，随着煤变质作用的加深，煤由低煤阶向高煤阶转化，主要是侧链官能团因断裂、分解而减少，芳核环数则不断增加，并伴随有大量烃类(主要是甲烷)的生成。煤由低煤阶向高煤阶转化过程如下：

4C16H18O5(泥炭)→C57H56O10(褐煤)+4CO2+3CH4+2H2O

C57H56O10(褐煤)→C54H42O5(烟煤)+CO2+2CH4+3H2O

C54H42O5(烟煤)→C15H14O(半无烟煤)+CO2+CH4+H2O

C15H14O(半无烟煤)→C13H4(无烟煤)+2CH4+H2O第四节煤层气的赋存规律与成藏引起煤热演化变质生气过程可划分为五种类型：(1)区域岩浆热变质作用

煤岩热演化主要受区域岩浆热变质作用影响，其煤储层割理发育，物性好，生气量大，含气量高，是煤层气勘探主要类型，如沁水盆地南部晋城地区和鄂尔多斯盆地南部大宁一吉县地区。(2)局部热动力变质作用

富含有机质煤层受局部热动力作用产生高热异常值层，增强了生气作用。围岩封盖条件好，气态烃扩散量少，可保存高含气量的原始气藏，如鄂尔多斯盆地晋西挠褶带中部三交地区；如果围岩封盖条件差，局部热动力使烃类扩散严重，含气量低，如晋西挠褶带北部兴县一府谷地区。(3)深层水交替热变质作用

深部高温地层水沿断裂带、剥蚀面进入浅部煤层，可促进煤层的变质作用，同时由于深、浅部地层水交替，煤层气亦可被水带走，形成甲烷风化带，如河北大城地区。第四节煤层气的赋存规律与成藏(4)区域压实变质作用

煤岩热演化主要受沉积压实作用影响，当埋深较大、压实作用较强时，煤储层物性差，残余气多，可解吸量相对较小，对煤层气勘探不利。(5)构造应力变质作用

构造应力变质作用一般多产生粉煤，后期气态烃散失严重，对煤层气富集不利，如河南安阳地区和辽宁红阳地区。第四节煤层气的赋存规律与成藏3.煤层气成因类型

上述煤的热演化生气与煤层气藏，非在煤层局部就地、同期、一次形成，而是在含煤层系中既受煤化作用不断生烃，又受沉积、断裂构造和水动力作用不断改造后形成的。同一构造单元或区带，受沉积压实、构