煤層氣開(kāi)發(fā)-第2章-煤層氣地質(zhì)

煤層氣開(kāi)發(fā)概論主講：張衛(wèi)東

煤層氣是指賦存于煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主并部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層氣水中的烴類氣體。

我國(guó)煤炭工業(yè)界一直將涌入煤礦巷道內(nèi)的煤層氣稱之為瓦斯。事實(shí)上，煤礦瓦斯除煤層氣組分外，還有采礦活動(dòng)所產(chǎn)生的氮?dú)?、二氧化碳等空氣組分以及一氧化碳、二氧化硫等氣體組分。煤層氣比其它流體礦產(chǎn)分布特點(diǎn)更復(fù)雜，控制高產(chǎn)富集的因素更多，進(jìn)而深化煤層氣地質(zhì)研究更重要。第二章煤層氣地質(zhì)英文名稱：Coalbedmethane(CBM)

煤層氣俗稱“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷),與煤炭伴生、以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存于煤層內(nèi)的非常規(guī)天然氣，熱值是通用煤的2-5倍，主要成分為甲烷。1立方米純煤層氣的熱值相當(dāng)于1.13kg汽油、1.21kg標(biāo)準(zhǔn)煤，其熱值與天然氣相當(dāng)，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后很潔凈，幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，是上好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料。煤層氣空氣濃度達(dá)到5%-16%時(shí)，遇明火就會(huì)爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。煤層氣直接排放到大氣中，其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞性極強(qiáng)。在采煤之前如果先開(kāi)采煤層氣，煤礦瓦斯爆炸率將降低70%到85%。煤層氣的開(kāi)發(fā)利用具有一舉多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效應(yīng)；有效減排溫室氣體，產(chǎn)生良好的環(huán)保效應(yīng)；作為一種高效、潔凈能源，商業(yè)化能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。第二章煤層氣地質(zhì)熱值煤層氣或瓦斯的熱值跟甲烷(CH4)含量有關(guān)，地面抽采的煤層氣甲烷(CH4)含量一般大于96.5%，當(dāng)甲烷含量97.8%時(shí)，在0℃,101.325kPa下，高熱值：QH=38.9311MJ/Nm3(約9299kcal/Nm3)低熱值：QL=34.5964MJ/Nm3(約8263kcal/Nm3)井下抽采的煤層氣（瓦斯）目前一般將甲烷(CH4)含量調(diào)整到40.8%后利用，此時(shí)瓦斯的熱值為：（在0℃,101.325kPa下）低熱值：14.63MJ/m3(約3494kcal/Nm3)高熱值：16.24MJ/m3(約3878kcal/Nm3)第二章煤層氣地質(zhì)用途煤層氣可以用作民用燃料、工業(yè)燃料、發(fā)電燃料、汽車燃料和重要的化工原料，用途非常廣泛。每標(biāo)方煤層氣大約相當(dāng)于9.5度電、3m水煤氣、1L柴油、接近0.8kg液化石油氣、1.1-1.2L汽油，另外,煤層氣燃燒后幾乎沒(méi)有污染物，因此它是相當(dāng)便宜的清潔型能源。第二章煤層氣地質(zhì)性質(zhì)煤層氣比空氣輕，其密度是空氣的0.55倍，稍有泄漏會(huì)向上擴(kuò)散，只要保持室內(nèi)空氣流通，即可避免爆炸和火災(zāi)。而煤氣、液化石油氣密度是空氣的1.5—2.0倍，泄漏后會(huì)向下沉積，所以危險(xiǎn)性要比煤層氣要大的多。煤層氣爆炸范圍為5—15%，水煤氣爆炸范圍6.2—74.4%，因此，煤層氣相對(duì)于水煤氣不易爆炸，煤層氣不含CO，在使用過(guò)程中不會(huì)象水煤氣那樣發(fā)生中毒現(xiàn)象。第二章煤層氣地質(zhì)開(kāi)采煤層氣的開(kāi)采一般有兩種方式：一是地面鉆井開(kāi)采；二是井下瓦斯抽放系統(tǒng)抽出,地面鉆井開(kāi)采的煤層氣和抽放瓦斯都是可以利用的，通過(guò)地面開(kāi)采和抽放后可以大大減少風(fēng)排瓦斯的數(shù)量，降低了煤礦對(duì)通風(fēng)的要求，改善了礦工的安全生產(chǎn)條件。地面鉆井開(kāi)采方式，國(guó)外已經(jīng)使用，我國(guó)有些煤層透氣性較差，地面開(kāi)采有一定困難，但若積極開(kāi)發(fā)每年至少可采出50億立方米；由于過(guò)去除了供暖外沒(méi)有找到合理的利用手段，未能充分利用，所以，抽放瓦斯絕大部分仍然排入大氣，花去了費(fèi)用，浪費(fèi)了資源，污染了環(huán)境。第二章煤層氣地質(zhì)市場(chǎng)前景十分廣闊在國(guó)際能源局勢(shì)趨緊的情況下，作為一種優(yōu)質(zhì)高效清潔能源，煤層氣的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用前景誘人。煤層氣的開(kāi)發(fā)利用還具有一舉多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效應(yīng)；有效減排溫室氣體，產(chǎn)生良好的環(huán)保效應(yīng)；作為一種高效、潔凈能源，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。如果把煤層氣利用起來(lái)，用于發(fā)電燃料、工業(yè)燃料和居民生活燃料；還可液化成汽車燃料，也可廣泛用于生產(chǎn)合成氨、甲醛、甲醇、炭黑等方面，成為一種熱值高的潔凈能源和重要原料，開(kāi)發(fā)利用的市場(chǎng)前景十分廣闊。第二章煤層氣地質(zhì)第二章煤層氣地質(zhì)第一節(jié)煤的形成與煤階第二節(jié)聚煤盆地第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層第四節(jié)煤層氣的賦存規(guī)律與成藏第一節(jié)煤的形成與煤階一、成煤作用植物從死亡及其遺體堆積到轉(zhuǎn)變成煤的一系列演變過(guò)程，稱為成煤作用。成煤作用原始物質(zhì)及遞變產(chǎn)物成煤過(guò)程第一階段腐泥化作用或泥炭化作用植物高等植物→泥炭→褐煤→煙煤→無(wú)煙煤低等植物→腐泥→腐泥煤第二階段煤化作用成巖作用變質(zhì)作用表1-1成煤過(guò)程第一節(jié)煤的形成與煤階第一階段——腐泥化階段或泥炭化階段，具體有以下幾個(gè)方面：（1）泥炭化的生物化學(xué)變化

泥炭化過(guò)程的生物化學(xué)變化大致可分為兩個(gè)階段：一是生物化學(xué)分解階段，植物殘骸中的有機(jī)化合物經(jīng)過(guò)氧化分解、水解，轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的化學(xué)性質(zhì)活潑的化合物；二是生物化學(xué)合成階段，分解產(chǎn)物相互作用，進(jìn)一步合成新的較穩(wěn)定的有機(jī)化合物，如腐植酸、瀝青質(zhì)等。圖1-1泥炭的沉積第一節(jié)煤的形成與煤階（2）凝膠化作用

凝膠化作用是指植物的主要組成部分在泥炭化過(guò)程中經(jīng)過(guò)生物化學(xué)變化和物理化學(xué)變化，形成以腐植酸和瀝青質(zhì)為主要成分的膠體物質(zhì)的過(guò)程。

凝膠化作用是在沼澤中較為停滯的、不太深的覆水條件下，弱氧化至還原環(huán)境，在厭氧細(xì)菌的參與下，植物的木質(zhì)纖維組織一方面進(jìn)行生物化學(xué)變化，一方面進(jìn)行膠體化學(xué)變化，二者同時(shí)發(fā)生和進(jìn)行，導(dǎo)致物質(zhì)成分和物理結(jié)構(gòu)兩方面都發(fā)生變化。

鑒于這一總過(guò)程既有因微生物活動(dòng)而引起的化學(xué)成分的變化，又有膠體化學(xué)的變化，故全稱應(yīng)為“生物化學(xué)凝膠化作用”。第一節(jié)煤的形成與煤階（3）絲炭化作用

絲炭化物質(zhì)和凝膠化物質(zhì)一樣，主要也是由植物的木質(zhì)纖維組織轉(zhuǎn)變而形成的，從有機(jī)組成來(lái)看主要也是植物細(xì)胞壁中的木質(zhì)素和纖維素，但由于其變化條件和變化過(guò)程不同，因而形成了與凝膠化物質(zhì)性質(zhì)完全不同的物質(zhì)，這些絲炭化物質(zhì)的共同特點(diǎn)是碳含量高而氫含量低，由于絲炭化過(guò)程經(jīng)歷了較大程度的芳烴化和縮合作用，因而其反射率顯著高于凝膠化物質(zhì)。

絲炭化物質(zhì)的形成主要是由于氧化作用和脫氫、脫水作用，它是在沼澤覆水程度起了變化，沼澤表面變得比較干燥，氧的供應(yīng)較為充分的情況下發(fā)生的。第一節(jié)煤的形成與煤階（4）殘植化作用

當(dāng)泥炭化過(guò)程中水介質(zhì)流通較暢，在長(zhǎng)期有新鮮氧供給的條件下，凝膠化作用和絲炭化作用的產(chǎn)物被充分分解破壞，并被流水帶走，穩(wěn)定組分大量集中的過(guò)程稱為殘植化作用，可以認(rèn)為殘植化作用是泥炭化作用中的一種特殊情況。

殘植化作用的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)煤化作用即成為殘植煤。一些穩(wěn)定組分含量很高的暗煤質(zhì)的煤形成也多類似上述過(guò)程。

（5）腐泥化作用

腐泥化作用是在湖泊、沼澤水深地帶及潟湖、海灣和淺海等水體中進(jìn)行的，低等植物藻類和浮游生物遺體在還原環(huán)境和厭氧微生物參與下，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生物化學(xué)變化可形成富含水分的有機(jī)軟泥。這個(gè)過(guò)程為腐泥形成的過(guò)程。

腐泥化作用的產(chǎn)物主要是腐泥。

在腐泥化過(guò)程中，形成的氣態(tài)產(chǎn)物主要有CH4、NH3、N2O、N2、H2S和CO2。與泥炭化作用類似，腐泥化作用除了對(duì)植物物質(zhì)的生物化學(xué)分解外，還有原有植物物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和新生有機(jī)物質(zhì)的合成。第一節(jié)煤的形成與煤階第二階段是煤化作用階段

在成煤作用的第二階段中，起主導(dǎo)作用的是使煤在溫度、壓力條件下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的物理化學(xué)作用，即煤的成巖作用和變質(zhì)作用：

煤的成巖作用

泥炭形成后，由于盆地沉降，在上覆沉積物的覆蓋下埋藏于地下，經(jīng)壓實(shí)、脫水、增碳作用，逐漸固結(jié)，經(jīng)過(guò)物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變成年輕的褐煤，稱為煤的成巖作用。在成巖過(guò)程中，木質(zhì)素和纖維素繼續(xù)參與形成腐植酸，已形成的腐植質(zhì)形成凝膠化組分。

煤的變質(zhì)作用

年輕的褐煤在較高的溫度、壓力和較長(zhǎng)的時(shí)間作用下，進(jìn)一步發(fā)生物理化學(xué)變化，變成褐煤、煙煤、無(wú)煙煤等的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，腐植質(zhì)不斷發(fā)生聚合反應(yīng)，稠環(huán)芳香系統(tǒng)的側(cè)鏈減少，芳構(gòu)化程度提高，分子排列更加規(guī)則。第一節(jié)煤的形成與煤階二、煤階的劃分與煤的顯微組分

用數(shù)量表示的煤化過(guò)程程度或成熟度稱為煤階，即煤的“化學(xué)”變化階段，或是煤變質(zhì)系列中的階段。煤階的劃分與煤的微觀組成有關(guān)。

煤的顯微組分中主要包括鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組。鏡質(zhì)組化學(xué)結(jié)構(gòu)主要由具短脂肪鏈與含氧官能聯(lián)結(jié)的芳香結(jié)構(gòu)所組成，因主要來(lái)源于木質(zhì)-纖維素組織而具有低氫、高氧的特征。高氫鏡質(zhì)組可能具有氫化芳香結(jié)構(gòu)，比較富含烴基團(tuán)。鏡質(zhì)組（尤其是均質(zhì)鏡質(zhì)體）致密、均勻、塊體大，有利于割理順利延伸和發(fā)展；含量介于46.45%~93.75%之間，平均為77.30%以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體含量不高。第一節(jié)煤的形成與煤階

研究表明，鏡質(zhì)組對(duì)煤的生氣量及儲(chǔ)層物性的貢獻(xiàn)最大。鏡質(zhì)組發(fā)育的煤層，一般內(nèi)生裂隙較發(fā)育，滲透率越高。通常用于確定煤階的參數(shù)為“鏡質(zhì)體反射率”。鏡質(zhì)組分是煤中最常見(jiàn)、最重要的組分，含氧量高，碳和氫的含量居中，在中國(guó)大多數(shù)晚古生代煤中，鏡質(zhì)組含量在55%~80%以上。鏡質(zhì)體反射率指在顯微鏡下，于油浸及546nm波長(zhǎng)條件下鏡質(zhì)組的反射光強(qiáng)度與垂直入射光強(qiáng)度的百分比，以Ro(％)表示，其值隨煤階的增高而增加。

當(dāng)Ro>4.0％時(shí)為高煤階，如無(wú)煙煤；

當(dāng)Ro<0.35％時(shí)為低煤階，如褐煤；

當(dāng)0.35％<Ro<4.0％時(shí)為中煤階，如肥煤、焦煤等。第一節(jié)煤的形成與煤階煤級(jí)煤的工業(yè)牌號(hào)鏡質(zhì)體最大反射率Romax（%）褐煤0階段褐煤≦0.49煙煤I階段長(zhǎng)焰煤0.5～0.64

II階段氣煤0.65～0.79III階段肥煤0.80～1.19

IV階段焦煤1.20～1.69

V階段瘦煤1.70～1.89

VI階段貧煤1.90～2.49無(wú)煙煤

VII階段無(wú)煙煤2.50～3.99超無(wú)煙煤VIII階段超無(wú)煙煤≧4.00表1-2煤級(jí)、煤的工業(yè)牌號(hào)與鏡質(zhì)體反射率對(duì)比表第一節(jié)煤的形成與煤階

中國(guó)根據(jù)鏡質(zhì)體最大反射率，將煤劃分為9個(gè)煤級(jí)（即1個(gè)成巖階段和8個(gè)變質(zhì)階段）。9個(gè)煤級(jí)與煤的9個(gè)工業(yè)牌號(hào)大致相當(dāng)。第二章煤層氣地質(zhì)第一節(jié)煤的形成與煤階第二節(jié)聚煤盆地第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層第四節(jié)煤層氣的賦存規(guī)律與成藏第二節(jié)聚煤盆地一、聚煤盆地的形成

在地質(zhì)歷史發(fā)展過(guò)程中，聚煤盆地的形成和聚煤作用的發(fā)生是古植物、古氣候、古地理和古構(gòu)造等條件綜合作用的結(jié)果，在一定條件下上述各種因素都可能成為制約聚煤作用的決定性條件。一般情況下，古氣候、古植物條件提供了聚煤作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，通常作為含煤沉積盆地形成的區(qū)域背景考慮，而古地理和古構(gòu)造則是具體古煤沉積盆地形成、演化的主要控制因素。

植物的大量生長(zhǎng)繁殖及其遺體的不斷堆積是聚煤作用發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。例如，雖在泥盆紀(jì)已有陸生植物出現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)植物形體矮小，數(shù)量有限，因而未能形成有工業(yè)價(jià)值的煤層；從早石炭世開(kāi)始，高大木本植物才大量生長(zhǎng)、繁殖、堆積，形成有工業(yè)價(jià)值的煤層。第二節(jié)聚煤盆地

在古氣候條件方面，溫暖潮濕的氣候帶最適于聚煤作用的發(fā)生。在相同時(shí)間內(nèi)，溫暖潮濕氣候帶形成的泥炭層厚度最大。

在古地理?xiàng)l件方面，以常年積水的莊地最宜于成煤。如濱海平原、三角洲平原、瀉湖海灣、潮坪、河床兩側(cè)的河漫灘地帶，以及各種大小不等且形狀各異的山間及內(nèi)陸盆地、死火山口湖、冰蝕洼地等，都有聚煤作用的發(fā)生。

在聚煤期古構(gòu)造條件方面，一般認(rèn)為，現(xiàn)代泥炭的堆積速度每年只有0.5~2mm，那么，lm厚泥炭層的形成時(shí)間至少需400~500年。按泥炭、褐煤、煙煤的壓縮比(6:3:1)計(jì)算，lm厚的泥炭層只能形成不足20cm的煙煤。一個(gè)5m厚的煤層聚煤作用，至少也需持續(xù)萬(wàn)年之久。由此可知，強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)是不利于聚煤作用持續(xù)進(jìn)行。但必須指出，地殼運(yùn)動(dòng)過(guò)于緩慢同樣也不利于聚煤作用進(jìn)行，因?yàn)槟嗵繉拥谋４?、增厚十分困難。第二節(jié)聚煤盆地

在控制聚煤盆地形成與聚煤作用發(fā)生的諸條件中，古構(gòu)造條件起著主導(dǎo)作用。聚煤期古構(gòu)造影響古地理?xiàng)l件的變化，除引起局部海水進(jìn)退外，隆起和坳陷的產(chǎn)生及其位置和方向又決定著區(qū)域內(nèi)山脈、水系的分布和流向，也控制了聚煤盆地產(chǎn)生的位置和方向；同時(shí)，強(qiáng)烈的地形分化又影響到古氣候的分帶性，進(jìn)而波及到古植物的生長(zhǎng)、繁殖。

一般來(lái)說(shuō)，煤田地質(zhì)領(lǐng)域所稱古構(gòu)造是以聚煤期來(lái)劃分的。發(fā)生在聚煤期以前的和聚煤期的構(gòu)造，分別稱為聚煤期前古構(gòu)造和聚煤期古構(gòu)造；發(fā)生在聚煤期以后的構(gòu)造，則稱為聚煤期后構(gòu)造。為區(qū)別于聚煤期后構(gòu)造，對(duì)于聚煤期前和聚煤期發(fā)育的寬緩開(kāi)闊的褶皺，習(xí)慣上不稱背斜、向斜，而稱隆起、坳陷。第二節(jié)聚煤盆地

聚煤期前古構(gòu)造，通常表現(xiàn)為聚煤盆地基底構(gòu)造，即聚煤盆地發(fā)育在基底構(gòu)造之上，屬于坳陷范圍內(nèi)，且周圍隆起區(qū)常成為物源區(qū)；聚煤期古構(gòu)造常表現(xiàn)為聚煤盆地內(nèi)在聚煤過(guò)程中隆起、坳陷的分化和同沉積構(gòu)造的存在，它對(duì)含煤巖系的形成和聚煤作用起著重要的控制作用；聚煤期后構(gòu)造是含煤巖系形成之后而活動(dòng)的構(gòu)造，只對(duì)煤系的賦存有影響。

聚煤期前古構(gòu)造、聚煤期古構(gòu)造、聚煤期后構(gòu)造三者間的關(guān)系可具繼承性，或不具繼承性。第二節(jié)聚煤盆地二、聚煤盆地的類型

按成因可分為兩大類：一類是由于侵蝕、巖溶等非構(gòu)造因素形成的，稱非構(gòu)造成因的聚煤盆地，也泛稱侵蝕聚煤盆地；另一類是地殼變形的產(chǎn)物，屬構(gòu)造成因，則稱構(gòu)造聚煤盆，又稱聚煤坳陷。1.非構(gòu)造成因聚煤盆地

主要是外動(dòng)力地質(zhì)作用所形成，基本與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。根據(jù)成因，可分為四類：由河流、冰川、風(fēng)的侵蝕作用，或地表灰?guī)r因溶蝕而成的侵蝕盆地；在石灰?guī)r、白云巖地區(qū)形成溶洞后，其上覆巖層失去支撐而塌陷所形成的巖溶陷落盆地；中、新生代埋藏在地下的膏鹽礦層，由于重力不均勻或其它原因產(chǎn)生塑性流動(dòng)而上隆，在隆起的鹽丘旁側(cè)下陷所形成的鹽丘盆地；因火山噴發(fā)而留下的古火山口盆地等。

由于缺乏持續(xù)沉降的古構(gòu)造背景，所形成的含煤巖系一般厚度有限，且變化大、分布零星，不具工業(yè)價(jià)值。2.構(gòu)造成因的聚煤盆地

由于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而引起。在聚煤期內(nèi)，盆地基底往往是邊沉降、邊接受沉積，形成的含煤巖系厚度很大，達(dá)數(shù)百米至數(shù)千米。地史上保存的具有重要工業(yè)意義的聚煤盆地，絕大多數(shù)都屬于構(gòu)造成因聚煤盆地。

根據(jù)聚煤期古構(gòu)造特征，可將構(gòu)造成因聚煤盆地分為坳陷和斷陷兩大基本類型，以及兩者間的過(guò)渡類型-斷坳型。

第二節(jié)聚煤盆地圖1-5坳陷型聚煤盆地

(l)坳陷型聚煤盆地

坳陷型聚煤盆地又稱為波狀坳陷盆地，或簡(jiǎn)稱坳陷盆地。聚煤期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是以寬緩開(kāi)闊的隆起、坳陷為主，含煤巖系形成于坳陷之中，而隆起區(qū)常成為陸源碎屑供應(yīng)區(qū)，聚煤盆地基底呈波狀起伏、斷裂不發(fā)育，可以有多個(gè)沉積中心。這種類型聚煤盆地和在其內(nèi)所形成的含煤巖系具有如下特征：①聚煤盆地面積大小不一。一般古生代坳陷盆地面積較大；中、新生代拗陷盆地面積較小。它們共同的特點(diǎn)是平面形狀多為渾圓形或長(zhǎng)圓形。②沉積區(qū)與剝蝕區(qū)的相對(duì)高差不大，且相距較遠(yuǎn)，因而沉積碎屑顆粒分選、磨圓均較好，邊緣相一般是河流沖積物，缺乏巨厚的山麓相堆積。第二節(jié)聚煤盆地第二節(jié)聚煤盆地③含煤巖系古地理類型多為濱海平原型、濱海沖積平原型或內(nèi)陸盆地型，且盆地基底連續(xù)性好。④含煤性與坳陷中心、沉積中心有一定的規(guī)律。面積較小的中、新生代坳陷盆地，一般坳陷中心即為沉積中心，沉積厚度最大，含煤性也較好，向坳陷邊緣則沉積厚度減少，含煤性也隨之變差；面積較大的古生代坳陷盆地，由于坳陷中心距陸源剝蝕區(qū)較遠(yuǎn)，碎屑物供給不足，所以坳陷中心不是沉積中心，含煤性較好的部位一般既不在坳陷邊緣，也不在坳陷中心，往往發(fā)育在斜坡帶部位，尤其當(dāng)盆地內(nèi)有次一級(jí)古構(gòu)造分異時(shí)，古隆起兩側(cè)的斜坡帶往往是聚煤最有利的部位。第二節(jié)聚煤盆地

沁水盆地是華北地臺(tái)山西隆起區(qū)內(nèi)的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，地處山西隆起區(qū)的南部，夾持在隆起之間的北北東向展布、兩翼傾角平均僅4°左右的寬緩復(fù)式向斜，屬于中生代以來(lái)形成的構(gòu)造坳陷。由周緣向坳陷內(nèi)部依次出露太古界、元古界、古生界、中生界地層，坳陷中心最新地層主要為中三疊統(tǒng)二馬營(yíng)及銅川組。以上古生界分布邊界線圈定坳陷范圍，沁水盆地面積36000km2，呈近南北向展布。其現(xiàn)今構(gòu)造的總體面貌以南北分區(qū)、東西分帶為特征，依不同部分的具體地質(zhì)、構(gòu)造特征，可劃分為四個(gè)構(gòu)造區(qū)、15個(gè)構(gòu)造帶（表1-3）。第二節(jié)聚煤盆地一

級(jí)

單

元二

級(jí)

單

元編號(hào)命

名編號(hào)命

名Ⅰ北

部

端

區(qū)Ⅰ1太

原

西

山

斷

塊Ⅰ2壽陽(yáng)

—陽(yáng)泉單斜Ⅰ3晉

中

斷

陷Ⅱ榆社—沁源構(gòu)造區(qū)Ⅱ1來(lái)

遠(yuǎn)

背

斜

帶Ⅱ2聰子峪—古陽(yáng)單斜Ⅱ3漳源—沁源帶狀構(gòu)造展布區(qū)Ⅱ4油房-南馬會(huì)背斜帶Ⅱ5左權(quán)

—夏店單斜Ⅱ6雙頭—襄垣斷裂構(gòu)造帶Ⅲ屯留—安澤構(gòu)造區(qū)Ⅲ1古縣—澆底斷裂構(gòu)造帶Ⅲ2安澤—西坪帶狀構(gòu)造展布區(qū)Ⅲ3豐宜—晉義帶狀構(gòu)造展布區(qū)Ⅲ4屯留—長(zhǎng)子單斜Ⅳ南

部

端

區(qū)Ⅳ1沁

水

單

斜Ⅳ2固

縣

單

斜表1-3沁水盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐趾?jiǎn)表(吳繼龍，1991年)第二節(jié)聚煤盆地

沁水盆地的構(gòu)造演化大體上經(jīng)歷了地槽、地臺(tái)和地臺(tái)活化三個(gè)發(fā)展階段。

太古代～早元古代為地槽階段，阜平、五臺(tái)、滹沱三期重要的褶皺變質(zhì)運(yùn)動(dòng)，使沁水盆地所在的華北地臺(tái)逐步固結(jié)，太古界和下元古界成了地臺(tái)的結(jié)晶基底。從基巖的展布狀況分析，褶皺隆起作用和斷裂對(duì)山西地區(qū)有明顯的控制作用。早元古代末整個(gè)山西隆起區(qū)具有三隆夾兩坳的雁列結(jié)構(gòu)特征（圖1-6），沁水盆地屬于南部的曲陽(yáng)—榆社—沁水—三門峽坳陷。幾條主要的基底斷裂不僅明顯地控制了基巖地層的展布狀態(tài)，對(duì)其后地層的沉積和構(gòu)造形變也都起著一定的控制作用。

圖1-6山西地區(qū)基底結(jié)構(gòu)圖

第二節(jié)聚煤盆地

早古生代，發(fā)育穩(wěn)定的海相碳酸鹽巖系，沉積上總體為近南北走向，顯示出一定的繼承性。中奧陶世之后，整體抬升、遭受剝蝕。但在區(qū)域上，抬升、剝蝕呈現(xiàn)一定的不均衡性，從而使整個(gè)山西隆起區(qū)呈現(xiàn)北東向隆、坳相間格局（圖1-8）。

中元古代～中生代三疊紀(jì)屬地臺(tái)階段。中元古代早期，沁水盆地主體部位表現(xiàn)為一北北東向的裂谷（圖1-7）。南口期之后，裂谷封閉，轉(zhuǎn)為區(qū)域隆起，遭受剝蝕；古生代，沁水盆地屬于華北沉積盆地的一部分。圖1-8山西省加里東期構(gòu)造帶圖圖1-7山西省南部西洋河群地層等厚圖第二節(jié)聚煤盆地

煤層含氣量大小受多種因素控制，不同地區(qū)各種因素的影響程度不同。該區(qū)影響煤層含氣量的主要地質(zhì)因素有煤質(zhì)、構(gòu)造、煤化程度、埋深等。在沁水盆地南部，平均含氣量的高低與煤級(jí)和灰分之間的關(guān)系十分密切。隨煤級(jí)增高含氣量增大，灰分產(chǎn)率每增加10％，平均含氣量約降低4m3/t左右。在含氣高峰階段，如果煤級(jí)和灰分產(chǎn)率相同，則3#煤層的平均含氣量顯著低于15#煤層。評(píng)價(jià)區(qū)煤層含氣量與灰分產(chǎn)率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1-9所示，隨灰分產(chǎn)率的降低，含氣量呈e指數(shù)增加。圖1-9樊莊區(qū)塊灰分與含氣量關(guān)系圖第二節(jié)聚煤盆地圖1-10樊莊區(qū)塊埋深與含氣量關(guān)系圖

在埋深方面，總體上，煤層埋深越大，保存條件越好，煤層含氣量越高，相應(yīng)的煤層含氣飽和度也越高。但15#煤層一般較3#煤層深80~100m，二層之間的含氣量變化卻并不完全遵循隨埋深增大而含氣量增高之規(guī)律。全區(qū)3#煤、15#煤16口井統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大部分地區(qū)15#煤含氣量高于或近似于3#煤，亦有局部地區(qū)15#煤含氣量低于3#煤。這是因?yàn)?5#煤無(wú)機(jī)礦物含量高于3#煤。當(dāng)局部地區(qū)15#煤無(wú)機(jī)礦物含量較3#煤高出較多時(shí)，其煤層含氣量低于3#煤，相應(yīng)地其含氣飽和度亦低于3#煤。如在晉試1井區(qū)，3#煤平均含氣飽和度0.93，15#煤為0.74，3#煤含氣飽和度較15#煤高出19%。可見(jiàn)，煤層含氣量的影響因素是多方面的、復(fù)雜的。第二節(jié)聚煤盆地

圖1-11斷陷型聚煤盆地的橫斷面a單側(cè)有控制性斷裂b雙側(cè)有控制性斷裂(2)斷陷型聚煤盆地

斷陷型聚煤盆地又稱斷裂坳陷型聚煤盆地，或簡(jiǎn)稱斷陷盆地。聚煤期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以斷裂為主，因此聚煤盆地的產(chǎn)生是由于斷塊下陷而引起。盆地的邊緣(一側(cè)或兩側(cè))常有規(guī)模較大的斷裂存在，以此作為隆起剝蝕區(qū)與下陷沉積區(qū)的分界；盆地內(nèi)基底不連續(xù)，常有斷裂存在。這種類型聚煤盆地和在其內(nèi)所形成的含煤巖系具有如下特征：圖1-12復(fù)雜類型的盆地（早期斷陷，晚期轉(zhuǎn)化為坳陷）第二節(jié)聚煤盆地

①單個(gè)斷陷盆地多呈狹長(zhǎng)帶狀，其展布方向和規(guī)模取決于斷裂的方向和長(zhǎng)度，一般長(zhǎng)寬比差別很大，面積也有限。但這類聚煤盆地常按一定方向成群成帶出現(xiàn)，因此同一聚煤期斷陷盆地的總面積較大，煤炭?jī)?chǔ)量也相當(dāng)可觀。

②從剖面上看，當(dāng)兩側(cè)有斷裂存在時(shí)，盆地常對(duì)稱；當(dāng)只一側(cè)有斷裂存在時(shí)，盆地則不對(duì)稱。

③沉積區(qū)與剝蝕區(qū)僅以盆緣斷裂相隔，且相對(duì)高差較大，因而沉積物分選、磨圓差，在接近盆緣斷裂處常形成巨厚的山麓相堆積。

④含煤巖系古地理類型多為山間盆地型和山間谷地型，且盆地基底常不連續(xù)，有低級(jí)別的同沉積斷裂存在，因此含煤巖系的沉積厚度、巖性、沉積相、含煤性變化均較顯著，旋回結(jié)構(gòu)不清楚，煤、巖層對(duì)比困難。第二節(jié)聚煤盆地

⑤含煤性好壞取決于聚煤期斷裂活動(dòng)的速度和幅度，以及與沉積物、植物遺體補(bǔ)償之間的相互關(guān)系。沉降過(guò)速、幅度較大的盆緣山麓相帶含煤性極差；沉降較緩、幅度較小的部位含煤性好，常形成巨厚煤層；兩者之間為煤層分叉變薄帶。(3)斷坳型聚煤盆地

斷坳聚煤盆地是指在聚煤期內(nèi)，斷裂和褶皺構(gòu)造運(yùn)動(dòng)同時(shí)發(fā)生的聚煤盆地，因而一般兼具坳陷型及斷陷型盆地的特征，屬于過(guò)渡類型。

第二節(jié)聚煤盆地三、聚煤盆地的同沉積構(gòu)造

聚煤盆地中伴隨著含煤巖系的沉積作用而發(fā)展起來(lái)的構(gòu)造稱為同沉積構(gòu)造，它是聚煤期古構(gòu)造的一種特殊表現(xiàn)形式。同沉積構(gòu)造包括同沉積褶皺和同沉積斷裂，它們的存在直接影響著沉積盆地內(nèi)基底的沉降和沉積補(bǔ)償關(guān)系，引起巖性、沉積相、厚度和含煤性的變化，對(duì)聚煤作用有重要影響。

根據(jù)成因，同沉積構(gòu)造可分為重力成因、構(gòu)造成因兩大類。前者主要是指在沉積過(guò)程中由于沉積物的不斷增厚，當(dāng)原始傾角超過(guò)一定程度，因重力作用引起滑塌而產(chǎn)生的同沉積構(gòu)造，如三角洲前緣地帶；或因巖性不同引起差異壓縮而產(chǎn)生的同沉積構(gòu)造，如大型河床砂體與河漫沼澤細(xì)碎屑沉積或煤層的分界線附近，常因不同巖性的差異壓縮而產(chǎn)生同沉積斷裂。但重力成因的同沉積構(gòu)造，無(wú)論其規(guī)模還是它對(duì)含煤巖系形成的影響程度和范圍都是相當(dāng)有限的。第二節(jié)聚煤盆地1.同沉積褶皺

指沉積巖系沉積過(guò)程中形成的褶皺。其成因是由于聚煤盆地內(nèi)產(chǎn)生構(gòu)造分異時(shí)，由于水平擠壓或垂直的差異沉降運(yùn)動(dòng)而引起的。它主要表現(xiàn)為沉積厚度的變化以及巖性、巖相的差別。

含煤性與同沉積褶皺的關(guān)系主要取決于同沉積的隆起或坳陷對(duì)聚煤盆地沉積環(huán)境面貌的影響，或基底沉降速度與沉積物的補(bǔ)償關(guān)系。例如，在大型內(nèi)陸湖盆中發(fā)育的同沉積隆起地帶，常有利于沼澤化的持續(xù)進(jìn)行，以致于該部位雖含煤巖系沉積厚度小，但煤層厚度大；而同沉積坳陷，則使湖盆積水更深而發(fā)育深湖相，或使地形高差增大而發(fā)育沖積相，常不利于成煤。第二節(jié)聚煤盆地2.同沉積斷裂

同沉積斷裂是指在含煤巖系形成過(guò)程中不斷活動(dòng)的斷裂，又稱生長(zhǎng)斷裂。它既可以發(fā)育于盆緣，也可以發(fā)育于盆地內(nèi)部；既可以達(dá)及地表，也可以是基底深處呈隱伏狀態(tài)。但無(wú)論同沉積斷裂出現(xiàn)部位和表現(xiàn)形式如何，這類斷裂的共同特征是：上升盤與下降盤同一地層厚度變化很大；斷距隨深度而顯著增大；兩盤的巖性、巖相、旋回結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及含煤性等，都有明顯差異。四、聚煤盆地的發(fā)展和演化

在含煤巖系形成過(guò)程中，它隨著地殼運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行而發(fā)展和演化。這種發(fā)展和演化在時(shí)間上表現(xiàn)為隨著時(shí)間的推進(jìn)，其基本類型可以轉(zhuǎn)化，在空間上則表現(xiàn)為聚煤盆地范圍的超覆擴(kuò)張、退縮分化和聚煤盆地位置的側(cè)向遷移。第二節(jié)聚煤盆地圖1-13盆地類型轉(zhuǎn)化示意圖a-斷陷盆地向坳陷盆地轉(zhuǎn)化；b-坳陷盆地向斷陷盆地轉(zhuǎn)化1.聚煤盆地基本類型的轉(zhuǎn)化

基本類型的轉(zhuǎn)化主要體現(xiàn)出兩種情況：第一，非構(gòu)造成因的聚煤盆地向構(gòu)造成因聚煤盆地轉(zhuǎn)化。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)的聚煤盆地在早期階段都經(jīng)歷過(guò)侵蝕盆地的階段，即為非構(gòu)造成因的盆地，由于后期地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使盆地基底不斷下沉，侵蝕盆地逐漸向構(gòu)造成因的聚煤盆地轉(zhuǎn)化；第二，斷陷型盆地和坳陷型盆地之間的相互轉(zhuǎn)化，可以是斷陷盆地向坳陷盆地轉(zhuǎn)化(圖1-13a)，也可以是坳陷盆地向斷陷盆地轉(zhuǎn)化(圖1-13b)

第二節(jié)聚煤盆地2.聚煤盆地的超覆擴(kuò)張和退縮分化

由一個(gè)小的坳陷發(fā)展成一個(gè)大的坳陷，或是由若干個(gè)相鄰的小坳陷逐漸連通成一個(gè)大的坳陷，其結(jié)果含煤巖系愈靠上部的層段分布范圍愈廣，這種現(xiàn)象稱為超覆擴(kuò)張(圖1-14)；反之，在聚煤盆地發(fā)育的晚期，大的坳陷縮小并被新產(chǎn)生的隆起分隔，這種現(xiàn)象稱為退縮分化(圖1-15)。聚煤盆地的超覆擴(kuò)張和退縮分化，既可以是構(gòu)造因素(盆地基底沉降速度和幅度)引起，也可以是非構(gòu)造因素(如因氣候因素引起的海、湖面升降)引起，但以前者為主。圖1-14吉林蛟河煤田下部煤層被超覆示意圖

圖1-15聚煤坳陷的退縮分化1、2、7、8、9-煤層編號(hào)a-早期；b-晚期第二節(jié)聚煤盆地3.聚煤盆地的側(cè)向遷移

不同聚煤期或同一聚煤期的不同發(fā)展階段，聚煤盆地在空間上的轉(zhuǎn)移，稱為側(cè)向遷移。其中，有兩種不同情況：一是隨著時(shí)間的變化，僅是聚煤盆地的中心位置有偏移；另一情況是盆地的中心和展布方向均發(fā)生偏移。

側(cè)向遷移的現(xiàn)象，可以是整個(gè)盆地級(jí)的隆起和坳陷，也可以是盆地內(nèi)部次級(jí)的隆起和拗陷。雖然構(gòu)造級(jí)別不同，但都會(huì)引起聚煤部位的遷移。第二節(jié)聚煤盆地五、富煤帶及其形成條件

一般把同一含煤巖系剖面中煤層發(fā)育較好，相對(duì)富集的塊段在空間上呈條帶狀分布，稱為富煤帶。在富煤帶內(nèi)雖然煤層累計(jì)厚度較大，但仍然存在著差異性，其中含煤厚度最大的部位，稱為富煤中心。一條富煤帶可以有一個(gè)或多個(gè)富煤中心。

在不同類型煤田中，富煤帶的表現(xiàn)形式不盡相同，但歸根到底有兩種情況：其一，有厚到巨厚煤層存在；其二，有總厚度較大的許多單個(gè)煤層存在。第二節(jié)聚煤盆地

富煤帶的形成，需要多方面條件的有利配合。富煤帶的形成條件簡(jiǎn)單地歸納為兩點(diǎn)：第一，具備最有利于泥炭沼澤發(fā)育的地貌條件；第二，具備能使這種有利的地貌條件持續(xù)存在或反復(fù)出現(xiàn)的有利的構(gòu)造條件和其它條件。由此可知，富煤帶的形成是古地理、古構(gòu)造因素綜合作用的結(jié)果，在這兩個(gè)因素中，古構(gòu)造因素起著決定性作用，它是古地理環(huán)境的主要決定因素，并通過(guò)改變古地理環(huán)境來(lái)控制聚煤作用的進(jìn)行。六、煤系1.煤系的概念

煤系是指在一定地質(zhì)時(shí)期連續(xù)沉積形成的一套含有煤層并具有成因聯(lián)系的沉積巖系。通常，又稱為含煤巖系、含煤建造、含煤地層等。煤系是具有三維空間形態(tài)的沉積實(shí)體，是特指含有煤層的一套沉積巖系，是充填于含煤盆地的具有共生關(guān)系的沉積總體。第二節(jié)聚煤盆地2.煤系的特征

煤系具有獨(dú)特的巖性特征。

（1）煤系顏色主要由灰色、灰綠色及黑色的沉積巖組成，含有一定的雜色巖石；

（2）主要的巖石類型有各種粒度的砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)巖、炭質(zhì)泥巖、煤、粘土巖、石灰?guī)r，以及少量的礫巖等，有的還含有油頁(yè)巖、硅質(zhì)巖、火山碎屑巖等，這些巖石一般交互出現(xiàn)；

（3）巖性變化較大、不同地區(qū)具有明顯的差異，即不同時(shí)代、不同地區(qū)的煤系，其巖性組成差異很大，這主要取決于含煤巖系沉積時(shí)的古地理和古構(gòu)造；

（4）煤系中往往含有厚度不等的火山巖及火山碎屑巖；

（5）煤系中含有大量植物化石，有的含有豐富的動(dòng)物化石及各種結(jié)核；

（6）煤系一般具有較好的旋回結(jié)構(gòu)；

第二節(jié)聚煤盆地圖1-16海陸煤系示意圖3.煤系的類型

在不同的古地理環(huán)境中形成的煤系具有不同的特征。根據(jù)煤系形成時(shí)古地理環(huán)境的不同，將煤系分為近海型煤系和內(nèi)陸型煤系兩種類型（圖1-16）。第二節(jié)聚煤盆地（1）近海型煤系

亦稱海陸交替相含煤巖系。煤盆地長(zhǎng)期處于海岸線附近的環(huán)境中形成的含煤巖系。由陸相、過(guò)渡相和淺海相沉積物組成。這類煤系形成于近海地區(qū)，地形簡(jiǎn)單、平坦、廣闊，因此容易發(fā)生大范圍的海侵海退。海侵時(shí)形成海相地層，海退時(shí)形成陸相地層。近海型煤系特點(diǎn)：1）煤系分布廣；

2）巖性、巖相穩(wěn)定，標(biāo)志層多，煤層容易對(duì)比；

3）碎屑成分單一，分選好，圓度高，粒度細(xì)；4）煤層層數(shù)多，單層厚度小，煤系厚度不大；

5）煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；6）含黃鐵礦，硫分高。第二節(jié)聚煤盆地（2）內(nèi)陸型煤系

亦稱陸相含煤巖系。煤盆地在內(nèi)陸環(huán)境中形成的含煤巖系。這類煤系形成于距海較遠(yuǎn)的地區(qū)，往往是在內(nèi)陸的一些小盆地中發(fā)育而成的，所以煤系中沒(méi)有海相地層，全為陸相地層。特點(diǎn)：1）煤系分布局限；

2）巖性、巖相變化大，標(biāo)志層少，煤層對(duì)比困難；

3）碎屑物成分復(fù)雜，分選差，圓度低，粒度粗；4）煤層層數(shù)少，單層厚度大，煤系厚度大；5）煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾石多。第一章煤層氣地質(zhì)第一節(jié)煤的形成與煤階第二節(jié)聚煤盆地第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層第四節(jié)煤層氣的賦存規(guī)律與成藏第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層一、煤層

煤層是指沉積巖系中賦存的層狀煤體。煤以多層狀地質(zhì)體的形態(tài)賦存于地下，并與上下巖層有截然的分界面。因此，將由上下兩個(gè)層面限制的煤及其間所夾的矸石層稱為煤層，上、下界面分別稱為煤層的頂、底板。1.煤層形態(tài)

煤層形態(tài)是指煤層賦存的空間幾何形態(tài)。根據(jù)煤層在一定范圍內(nèi)連續(xù)成層的程度和可采情況，可將煤層形態(tài)分為層狀、似層狀和不規(guī)則狀等三種類型。（1）層狀

煤層在一個(gè)井田范圍內(nèi)是連續(xù)的，厚度變化不大。（2）似層狀

煤層層位比較穩(wěn)定，不完全連續(xù)或大致連續(xù)，煤層厚度變化較大，無(wú)一定的規(guī)律性。（3）不規(guī)則狀

煤層層位不穩(wěn)定，基本不連續(xù)，分叉、尖滅現(xiàn)象較普遍；煤層厚度變化，無(wú)規(guī)律可循；煤層可采面積小于不可采面積。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層2.煤層的結(jié)構(gòu)、頂?shù)装澹?）煤層的結(jié)構(gòu)

煤層包含煤份層和巖石夾層，不含夾石層者稱為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層；反之，含有夾石層者則稱為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層（圖1-17）。煤層中的巖石夾層俗稱夾矸。夾矸一般為粘土巖、炭質(zhì)泥巖或粉砂巖，有時(shí)為石灰?guī)r、硅質(zhì)巖、油頁(yè)巖、細(xì)砂巖或礫巖。圖1-17煤層結(jié)構(gòu)示意圖第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層（2）煤層的頂?shù)装?/p>

在正常地層層序情況下，直接位于煤層之下的巖層，稱為煤層底板；而煤層的直接上覆巖層，稱為煤層頂板。煤層頂、底板之間的垂直距離稱為煤層厚度。根據(jù)頂板在煤層開(kāi)采中垮落的難易程度及其與煤層的相對(duì)位置，將頂板分為偽頂、直接頂、老頂三種類型；根據(jù)底板性質(zhì)及與煤層的位置關(guān)系分為直接底和老底兩種類型（圖1-18）。圖1-18煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

煤層底板以泥巖、粘土巖最為常見(jiàn)，通常呈團(tuán)塊狀，富含植物根莖化石和不規(guī)則滑面，俗稱根土巖。根土巖常含有伊利石、蒙脫石、高嶺石和其他粘土礦物，尤以高嶺石最富集，可形成具有工業(yè)價(jià)值的耐火粘土礦層。在陸相含煤巖系中，砂巖作為煤層底板亦比較常見(jiàn)，但在煤層和砂巖層之間往往存在薄層粘土巖，個(gè)別情況下，煤層底板為礫巖層或石灰?guī)r層，煤層具有異地、微異地搬運(yùn)的特征。

煤層頂板的巖石類型多種多樣，最常見(jiàn)的是泥巖、粉砂巖、砂巖和石灰?guī)r，這主要取決于泥炭沼澤所處的沉積環(huán)境。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

煤層與頂板的接觸關(guān)系呈明顯接觸、過(guò)渡接觸和沖蝕接觸三種情況。明顯接觸是指煤層與頂板接觸界限分明，界面平整，反映了沉積環(huán)境的迅速變化，過(guò)渡接觸是指頂板和煤層之間夾有薄層炭質(zhì)泥巖、泥巖，或炭質(zhì)泥巖與煤薄層的互層(俗稱偽頂)，反映了泥炭沼澤向覆水盆地的逐漸演化；沖蝕接觸通常表現(xiàn)為沖積相砂礫巖對(duì)下伏煤層的沖蝕，這種沖蝕作用可以發(fā)生于泥炭沼澤階段，但更多的是發(fā)生在泥炭層被沉積物覆蓋之后，沖蝕接觸界限清楚，界面凸凹不平，造成煤層變薄或局部缺失。

煤層頂?shù)装鍖?duì)煤層氣藏的形成具有重要作用。煤層頂、底板巖性封閉性能及區(qū)域蓋層條件是煤層氣的主要封閉條件。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層圖1-19煤吸附甲烷示意圖

二、煤層氣的吸附與解吸1.吸附與解吸機(jī)理

煤內(nèi)表面上分子的力場(chǎng)是不飽和的，因此它具有吸附甲烷氣體的能力，這就是煤對(duì)甲烷分子的吸附作用。普遍認(rèn)為甲烷氣體在煤內(nèi)表面的吸附主要是物理吸附，其本質(zhì)是煤表面分子和甲烷氣體分子之間相互吸引的結(jié)果，是煤分子和甲烷氣體分子之間的作用力使甲烷氣體分子在煤表面上的停留。（如圖1-19所示）。

煤分子和甲烷氣體分子之間的引力越大，煤對(duì)甲烷的吸附量就越大。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

煤分子和甲烷氣體分子之間的作用力是范德華力，由此而形成吸引勢(shì)，即吸附勢(shì)阱深度Ea也稱勢(shì)壘。甲烷分子在吸附勢(shì)的作用下，由自由狀態(tài)分子轉(zhuǎn)變?yōu)槲綉B(tài)分子，逐漸在煤表面沉積下來(lái)。自由氣體分子必須失部分所具有的能量才能停留在煤的孔隙表面，因此吸附是放熱的；處于吸附狀態(tài)的甲烷氣體分子只有獲得能量Ea才能越出吸附勢(shì)阱而成為自由氣體分子，因此解吸是吸熱的。

甲烷氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，其動(dòng)能越高，吸附甲烷分子獲得能量發(fā)生解吸可能性越大。當(dāng)甲烷壓力增大時(shí)，氣體分子撞擊煤體孔隙表面的幾率增加，吸附速度加快，甲烷氣體分子在煤孔隙表面上排列的密度增加。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層2.吸附與解吸的影響因素（1）壓力

當(dāng)溫度與其他因素相同時(shí)，煤層氣吸附量隨壓力增加而增大，但不同的壓力區(qū)間其增加的幅度是不同的。低壓時(shí)，吸附量隨壓力幾乎成線性增長(zhǎng)；中~高壓時(shí)，吸附量增長(zhǎng)率變小，至某一極限壓力吸附達(dá)到飽和狀態(tài)，吸附量不再增大。（2）溫度

煤的吸附量總體上是隨溫度增加而減少，溫度區(qū)間不同和煤樣不同時(shí)，吸附量減小的程度不同；煤的解吸量總體上隨溫度的增加而增加，甲烷在煤中的解吸屬于吸熱反應(yīng)，隨著甲烷的解吸，煤層中的溫度會(huì)局部下降，從而降低解吸速率。（3）煤層埋深

一般而言，煤層氣吸附量隨埋深的增加而增大，解吸量則隨埋深的增加而減小。（4）含水量

一般情況下，煤中含水量增大，吸附能力將降低，這是由于水分子也可以被煤吸附，占據(jù)一部分表面積，從而使甲烷的吸附量減少。但當(dāng)煤層含水量達(dá)到某一極值時(shí)，含水量的增大將不再對(duì)吸附第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層能力產(chǎn)生影響，該極值稱為臨界含水量。同時(shí)，煤中的含水量也能明顯影響煤對(duì)甲烷解吸性能，由于甲烷賦存于微孔隙中，毛細(xì)管壓力高，具有很強(qiáng)的自吸能力，表現(xiàn)出水分對(duì)煤中吸附甲烷的束縛性。（5）煤階

煤階越高，碳含量越大，在同等溫度、壓力等條件下，吸附能力越強(qiáng)。這是由于隨含碳量的增加，煤的總孔隙率增加，特別是小的孔隙。這樣煤的孔隙比表面積就隨之增加，煤的吸附容積增大，煤對(duì)甲烷的吸附能力增強(qiáng)。（6）吸附質(zhì)

煤的物質(zhì)組成包括有機(jī)顯微組分和礦物質(zhì)，對(duì)煤的吸附能力起主控作用。煤中礦物質(zhì)含量越高，其吸附能力越低。所有顯微組分中，鏡質(zhì)組的吸附能力最強(qiáng)，穩(wěn)定組分和惰性組分較低。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層（7）氣體成分

煤對(duì)不同氣體的吸附量是不同的，不同氣體在煤表面的吸附熱不同。物理吸附的力主要是范德華力，所以越容易液化的氣體，越容易被煤微孔隙表面吸附。當(dāng)多元?dú)怏w吸附時(shí)，每種氣體不是獨(dú)立吸附的，之間存在著吸附位的競(jìng)爭(zhēng)，煤層氣體主要組分的吸附能力由大到小依次為CO2、CH4、N2。多元?dú)怏w的解吸研究發(fā)現(xiàn)，大多情況下CH4優(yōu)先解吸，但因煤級(jí)差異，也有CO2優(yōu)先解吸的現(xiàn)象?？偟膩?lái)說(shuō)，多元?dú)怏w的吸附是通過(guò)吸附位的競(jìng)爭(zhēng)來(lái)進(jìn)行的，吸附競(jìng)爭(zhēng)力的強(qiáng)弱與吸附質(zhì)分子的極性有明顯的關(guān)系，吸附和解吸是可逆的，但由于煤樣中水分的作用，可能出現(xiàn)不可逆的現(xiàn)象。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層3.煤層氣的吸附特征（1）吸附及其形態(tài)

所謂吸附，是指氣體以凝聚態(tài)或類液態(tài)被多孔介質(zhì)所吸納的一種過(guò)程。吸附過(guò)程可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種類型。物理吸附是由范德華力和靜電力引起的，氣體和固體之間結(jié)合較微弱；且物理吸附是快速和可逆的?；瘜W(xué)吸附是共價(jià)鍵引起的，氣體和固體之間的結(jié)合力很強(qiáng)；化學(xué)吸附是緩慢、不可逆的。大量研究表明，煤中氣體的吸附屬于物理吸附過(guò)程。

在一個(gè)封閉的系統(tǒng)里，固體顆粒表面同時(shí)進(jìn)行著吸附和解吸兩種相反的過(guò)程，即一部分氣體由于吸引力而被吸附在表面成吸附氣相；被吸附住的氣體分子，在熱運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)的作用下，其動(dòng)能增加到足以克服吸引力的束縛時(shí)，就會(huì)離開(kāi)表面重新進(jìn)入游離氣相。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

當(dāng)這兩種作用的速度相等時(shí)，顆粒表面的氣體分子數(shù)量就維持在某一定量，這時(shí)就稱為吸附平衡。在平衡狀態(tài)時(shí)，吸附量隨溫度和壓力而變化，顯然，這是一種動(dòng)態(tài)平衡。吸附量(V)是溫度（t）和壓力（p）的函數(shù)，可以表示為：

V=f(t，p)（1-1）

在上述函數(shù)關(guān)系式中，當(dāng)溫度一定時(shí)，稱吸附等溫線；當(dāng)壓力一定時(shí)，稱吸附等壓線。最常用的是吸附等溫線，即在某一固定溫度下，當(dāng)達(dá)到吸附平衡時(shí)，吸附量（V）與游離氣相壓力（p）之間的關(guān)系曲線。在煤層氣地質(zhì)及勘探開(kāi)發(fā)中，某一溫度下煤的吸附等溫線對(duì)評(píng)價(jià)煤層的最大儲(chǔ)氣能力、預(yù)測(cè)煤層氣含量、確定臨界解吸壓力和計(jì)算煤層氣理論采收率等具有重要意義。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層圖1-20物理吸附的5種類型吸附等溫線

吸附等溫線可以由實(shí)驗(yàn)室測(cè)試而獲得。實(shí)際上實(shí)驗(yàn)測(cè)得的吸附等溫線形狀很多，大致可歸納為5種類型（圖1-20）。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

等溫線上的差異，反映了吸附劑與吸附質(zhì)之間相互作用的差別。為了描述這些等溫吸附線，人們提出了不同的吸附模型，主要有單分子層吸附理論—Langmuir

方程、多分子層吸附理論-BET方程、吸附勢(shì)理論、統(tǒng)計(jì)勢(shì)動(dòng)力學(xué)理論、多相吸附模型等，目前公認(rèn)的適合描述煤層氣的是單分子層吸附理論-Langmuir

方程。

Langmuir（1916）從動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，其基本假設(shè)是：①吸附平衡是動(dòng)態(tài)的；②固體表面是均勻的；③被吸附分子間無(wú)相互作用力；④吸附作用僅形成單分子層。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（1-2）

式中：V為吸附量(m3/t)；p為平衡氣體壓力（MPa）；a為吸附常數(shù)，反映吸附劑（如煤）的最大吸附能力，與溫度、壓力無(wú)關(guān)，取決于吸附劑和吸附質(zhì)的性質(zhì)（m3/t)；b為壓力常數(shù)，取決于溫度和吸附劑的性質(zhì)（MPa-1）。

第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

Langmuir方程的另一種表達(dá)形式是：

(1-3)

式中：VL為L(zhǎng)angmuir體積(m3/t)，其物理意義與a值相同，即VL=a；PL為L(zhǎng)angmuir壓力（MPa），代表吸附量達(dá)到Langmuir體積的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的平衡氣體壓力，與壓力常數(shù)b的關(guān)系是PL=1/b；其他符號(hào)意義同上。

第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

在平衡壓力較低時(shí)，Langmuir方程分母中的bp項(xiàng)相對(duì)1而言，可以忽略不計(jì)；此時(shí)，吸附量與壓力成正比。即：V=a﹒b﹒p(1-4)

該公式稱為（Henry）公式，它只有當(dāng)吸附劑的內(nèi)表面積最多只有10%被氣體分子覆蓋時(shí)，即在平衡氣體壓力很低時(shí)才成立。

在氣體平衡壓力很高時(shí)，Langmuir方程式分子中的1相對(duì)于bp項(xiàng)來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，即V=a，這就是飽和吸附，反映了a值的物理意義。單分子層吸附理論是目前廣泛應(yīng)用于煤的吸附性的狀態(tài)方程。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層（2）煤對(duì)甲烷的吸附能力

煤是一種優(yōu)良的天然吸附劑，對(duì)各種氣體具有很強(qiáng)的吸附能力，這是煤層氣與常規(guī)儲(chǔ)層儲(chǔ)氣機(jī)理不同的物質(zhì)基礎(chǔ)。

大量的吸附試驗(yàn)證明，煤對(duì)甲烷等氣體的吸附是快速和可逆的，因此，可以用物理吸附模型來(lái)探討煤吸附氣體的機(jī)理。

煤儲(chǔ)層的溫度大都在10～50°C范圍內(nèi)，這一溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于甲烷的臨界溫度（-82.57°C），煤的等溫吸附試驗(yàn)一般也是在這一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，因而不易發(fā)生多層吸附；煤是一種孔隙結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、孔徑分布不集中的多孔介質(zhì)，只在特定的孔徑的微孔結(jié)構(gòu)中發(fā)生吸附是不可能的，即吸附不是以微孔充填為主的過(guò)程。大量煤樣的吸附等溫線屬I類；只有少數(shù)屬于II類，而且只有在壓力較高時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。因此可以認(rèn)為，煤吸附氣體屬單分子層吸附，用Langmuir方程可以較好地描述絕大部分煤的吸附等溫線；第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層3.煤層氣的解吸特征（1）煤層氣解吸量與解吸率

解吸是指煤中吸附氣由于自由氣體壓力減小而轉(zhuǎn)變成為游離氣體，造成煤儲(chǔ)層吸附量減少。煤儲(chǔ)層解吸特性可用解吸量和解吸速率予以衡量。

解吸總量由階段解吸量組成，解吸速率往往采用吸附時(shí)間定量表示，它們直接影響煤儲(chǔ)層的含氣性，并受吸附性、滲透性等諸多地質(zhì)因素的制約。煤層氣解吸量由四部分組成，即逸散量、現(xiàn)場(chǎng)兩小時(shí)解吸量、真空加熱脫氣量和粉碎脫氣量。逸散氣量、解吸氣量之和與總氣體量之比，稱為解吸率。我國(guó)煤的解吸特性變化較大，煤層氣解吸率一般為21.9%-58.1%。

解吸率的高低主要受煤儲(chǔ)層原位含氣性的影響，在其他條件不變的情況下，原位含氣量越高，說(shuō)明同等體積煤中吸附氣體越多，即含氣飽和度越高，所以氣體也就越容易解吸，解吸率越高。同時(shí)，解吸率的高低還受煤級(jí)和灰分等的影響。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

煤中無(wú)機(jī)物質(zhì)含量越高，吸附氣量越少，即含氣量越低。充填在煤孔隙中的無(wú)機(jī)物質(zhì)（如粘土礦物等）占據(jù)氣體運(yùn)移通道，使氣體不易擴(kuò)散運(yùn)移出來(lái)，所以隨著灰份含量增高，氣體解吸率變低。（2）臨界解吸壓力與理論采收率

煤層氣臨界解吸壓力是估算煤層氣采收率的重要參數(shù)。臨界解吸壓力與煤儲(chǔ)層壓力之比(簡(jiǎn)稱為臨儲(chǔ)壓力比)往往決定煤層氣開(kāi)采之中排水降壓的難易程度，因此在煤層氣地質(zhì)選區(qū)中應(yīng)當(dāng)予以重點(diǎn)考慮。臨界解吸壓力計(jì)算公式:

(1-5)式中，pcd

一臨界解吸壓力，MPa；

Vme

一實(shí)際含氣量，m3/ta、b一等溫吸附常數(shù)。

第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

煤層氣的采收率，不僅取決于煤層的含氣性，煤的吸附一解吸性和煤層氣儲(chǔ)層煤層所處的原始?jí)毫ο到y(tǒng)，而且在相當(dāng)程度上受控于煤層氣的鉆井、完井和開(kāi)采工藝，即煤層被打開(kāi)以后儲(chǔ)層壓力所能降低的程度和壓降大小。煤層氣的理論最大采收率的計(jì)算公式為:或(1-6)

式中：Pad一枯竭壓力，MPa；

Pcd一臨界解吸壓力，MPa；

Vme一實(shí)際含氣量，m3/t；

一理論最大采收率。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層三、煤儲(chǔ)層特征參數(shù)1.煤儲(chǔ)層的組分

煤的化學(xué)組成很復(fù)雜，但歸納起來(lái)可分為有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)兩大類，以有機(jī)質(zhì)為主體。

煤中的有機(jī)質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮和有機(jī)硫等五種元素組成。其中，碳、氫、氧占有機(jī)質(zhì)的95%以上。此外，還有極少量的磷和其他元素。煤中有機(jī)質(zhì)的元素組成，隨煤化程度的變化而有規(guī)律地變化。一般來(lái)講，煤化程度越深，碳的含量越高，氫和氧的含量越低，氮的含量也稍有降低。唯硫的含量則與煤的成因類型有關(guān)。

煤中的無(wú)機(jī)質(zhì)主要是水分和礦物質(zhì)，它們的存在降低了煤的質(zhì)量和利用價(jià)值，其中絕大多數(shù)是煤中的有害成分。

另外，還有一些稀有、分散和放射性元素，例如，鍺、鎵、銦、釷、釩、鈦、鈾等，它們分別以有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物的形態(tài)存在于煤中。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

通過(guò)元素分析可以了解煤的化學(xué)組成及其含量，通過(guò)工業(yè)分析可以初步了解煤的性質(zhì)，大致判斷煤的種類和用途。煤的工業(yè)分析包括對(duì)水分、灰分、揮發(fā)分的測(cè)定和固定碳的計(jì)算四項(xiàng)內(nèi)容。（1）水分

水分是指單位重量的煤中水的含量。煤中的水分有外在水分、內(nèi)在水分和結(jié)晶水三種存在狀態(tài)。一般以煤的內(nèi)在水分作為評(píng)定煤質(zhì)的指標(biāo)。煤化程度越低，煤的內(nèi)部表面積越大，水分含量越高。（2）灰分

灰分是指煤在規(guī)定條件下完全燃燒后剩下的固體殘?jiān)?。它是煤中的礦物質(zhì)經(jīng)過(guò)氧化、分解而來(lái)?？蓪⒚簩踊曳趾糠譃楦呋曳荩ǎ?0％）、較高灰分（40～25％）、中灰分（25～15％）、低灰分（＜15％）。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層（3）揮發(fā)分

揮發(fā)分是指煤中的有機(jī)物質(zhì)受熱分解產(chǎn)生的可燃性氣體。它是對(duì)煤進(jìn)行分類的主要指標(biāo)。煤的揮發(fā)分產(chǎn)率與煤化程度有密切關(guān)系，煤化程度越低，揮發(fā)分越高，隨著煤化程度加深，揮發(fā)分逐漸降低。（4）固定碳

測(cè)定煤的揮發(fā)分時(shí)，剩下的不揮發(fā)物稱為焦渣。焦渣減去灰分稱為固定碳。它是煤中不揮發(fā)的固體可燃物，可以用計(jì)算方法算出。

灰分越高，熱效率越低；燃燒時(shí)，熔化的灰分還會(huì)在爐內(nèi)結(jié)成爐渣，影響煤的氣化和燃燒，同時(shí)造成排渣困難；煉焦時(shí)，全部轉(zhuǎn)入焦炭，降低了焦炭的強(qiáng)度，嚴(yán)重影響焦炭質(zhì)量。煤灰成分十分復(fù)雜，成分不同直接影響到灰分的熔點(diǎn)?；胰埸c(diǎn)低的煤，燃燒和氣化時(shí)，會(huì)給生產(chǎn)操作帶來(lái)許多困難。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層2.煤儲(chǔ)層的孔隙

煤是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，煤中孔隙是指煤體未被固體物（有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)）充填的空間，是煤的結(jié)構(gòu)要素之一。煤的孔徑結(jié)構(gòu)是研究煤層氣賦存狀態(tài)、氣、水介質(zhì)與煤基質(zhì)塊間物理、化學(xué)作用以及煤層氣解吸、擴(kuò)散和滲流的基礎(chǔ)。

煤層是一種雙重孔隙結(jié)構(gòu)，屬于裂隙孔隙型儲(chǔ)層。圖1-21是煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的理想模型，割理將煤分成若干基質(zhì)塊，基質(zhì)塊中包含大量的微小孔隙，是氣體儲(chǔ)存的主要空間，其滲透率很低；割理是煤中的次要孔隙系統(tǒng)，但卻是煤層中流體滲流的主要通道。孔隙和割理都是煤儲(chǔ)層研究的重要內(nèi)容。圖1-21煤的雙重孔隙系統(tǒng)煤的孔隙類型三類主要?jiǎng)澐窒到y(tǒng)：（1）煤孔隙的成因分類。張慧（2001）提出原生孔、變質(zhì)孔、外生孔和礦物質(zhì)孔4種基本類型（表1-4），分類的基礎(chǔ)是煤的成巖作用、變質(zhì)作用和光學(xué)、掃描顯微境下的特征觀察；觀察到的原生孔、外生孔、礦物質(zhì)孔及變質(zhì)孔中的氣孔一般孔徑在1000nm以上，這些孔的發(fā)育特征對(duì)煤中游離氣的儲(chǔ)集和運(yùn)移很重要；但對(duì)變質(zhì)孔中孔徑多小于100nm的鍵間孔（相當(dāng)于Gan

的分子間孔，1972）難于直接觀察，而鍵間孔特征是認(rèn)識(shí)煤中吸附氣儲(chǔ)集和運(yùn)移的關(guān)鍵所在。類型成因簡(jiǎn)述原生孔結(jié)構(gòu)孔成煤植物本身具有各種組織結(jié)構(gòu)孔屑間孔鏡屑體、惰屑體等內(nèi)部碎屑之間的孔氣孔煤化作用過(guò)程中由生氣和聚氣作用而形成的孔外生孔角礫孔煤受構(gòu)造應(yīng)力破壞而形成的角礫之間的孔碎?？酌菏軜?gòu)造應(yīng)力破壞而形成的碎粒之間的孔摩擦孔壓應(yīng)力作用下面與面之間摩擦而形成的孔礦物質(zhì)孔鑄模孔煤中礦物質(zhì)在有機(jī)質(zhì)中因硬度差異而鑄成的印坑溶蝕孔可溶性礦區(qū)在長(zhǎng)期氣、水作用下受溶蝕而形成的孔晶間孔礦物晶粒之間的孔表1-4煤的孔隙類型及其成因第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層（2）煤孔隙的孔徑結(jié)構(gòu)分類。B.B.霍多特對(duì)煤層孔隙進(jìn)行了十進(jìn)制劃分方案，劃分出大孔（大于1000nm）、中孔（介于100～1000nm）、過(guò)渡孔（介于10～100nm）和微孔（小于10nm）。分類的基礎(chǔ)主要是固體孔徑（孔的平均寬度）范圍與固氣分子作用效應(yīng)，及壓汞法和液氮吸附法的測(cè)試結(jié)果。一般認(rèn)為，大孔發(fā)生氣體強(qiáng)烈層流和紊流滲透，中孔發(fā)生氣體緩慢層流滲透，過(guò)渡孔可發(fā)生氣體毛細(xì)管凝聚、物理吸附及擴(kuò)散，微孔是發(fā)生氣體吸附的主要場(chǎng)所。而根據(jù)孔隙割理一般研究的物理測(cè)試結(jié)果，則通常將煤中孔隙（包含割理）的空間尺度劃分為：<0.01μm為微孔，0.01～0.1μm為小孔，0.1～1μm為中孔，>1μm為大孔。限于實(shí)驗(yàn)方法、認(rèn)識(shí)水平等因素，不同方案間的孔徑分級(jí)、同一級(jí)別孔的孔徑大小多不一致。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層（3）煤孔隙的形態(tài)分類。郝琦等（1987）在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了對(duì)煤孔隙形態(tài)類型的研究，分類的依據(jù)是壓汞實(shí)驗(yàn)的退汞曲線或液氮吸附曲線的形態(tài)特征。據(jù)陳萍等（2001）的研究結(jié)果，煤孔隙劃分為Ⅰ類孔（兩端開(kāi)口圓筒形孔及四邊開(kāi)放的平行板狀孔）、Ⅱ類孔（一端封閉的圓筒形孔、平行板狀孔、楔形孔和錐形孔）、Ⅲ類孔（細(xì)頸瓶形孔）。煤孔隙形態(tài)特征對(duì)低壓吸附影響較為明顯，對(duì)高壓吸附影響可能較小。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層圖1-22煤層割理系統(tǒng)3.煤儲(chǔ)層的割理系統(tǒng)（1）割理系統(tǒng)煤層中存在的割理屬于裂縫系統(tǒng)，對(duì)煤層的機(jī)械性能和滲透率有很大影響。通常，分為下列幾種類型(見(jiàn)圖1-22)：1)面割理或面理(主要)；2)端割理或端理(次要)；3)第三級(jí)割理；4)第四級(jí)割理；5)接縫。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層圖1-23煤割理系統(tǒng)示意圖

前兩種割理形式是煤層中的基本裂縫形式，二者大致垂直。其中面割理為連續(xù)的裂縫，延伸長(zhǎng)度大、發(fā)育，且先于端割理形成，割理系統(tǒng)的三維幾何形狀見(jiàn)圖1-23。煤層氣將通過(guò)這兩種割理形式運(yùn)移到井中，因此煤層的滲透率也主要取決于這兩種割理。第三、四級(jí)割理比前兩種形成晚，且中止于面理和端理。接縫通常與面理平行，形成時(shí)間較晚，而且遠(yuǎn)離割理；接縫可能垂直穿過(guò)煤層、無(wú)機(jī)夾層以及圍巖界面，因此接縫的存在可以提高垂向滲透率，對(duì)于高產(chǎn)井非常重要。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

割理的長(zhǎng)度在層面上可測(cè)量到，發(fā)育的面割理呈等距分布，其長(zhǎng)度變化范圍很大，不發(fā)育的面割理在層面上以短裂紋的形式出現(xiàn)，宏觀下從幾毫米到幾厘米。面割理的高度受煤巖類型分層和煤巖成分厚度控制，總體上煤的光澤越亮、鏡煤和亮煤越多、厚度越大，割理越發(fā)育、割理高度越大，割理高度小到幾微米，大到幾十厘米。

端割理一般與面割理是相互連通的。端割理的長(zhǎng)度受面割理間距的控制，面割理間距越大，端割理越長(zhǎng)。端割理與面割理的受控因素相同，主要與煤巖類型和煤巖組分有關(guān)。

割理的寬度與其規(guī)模有關(guān)。割理規(guī)模越大，寬度亦越大，變化范圍為1μm至幾厘米。

割理的形態(tài)也是多種多樣的，在層面上主要有：①網(wǎng)狀，這種割理連通性好，極發(fā)育；②一組大致平行的面割理極發(fā)育，而端割理極少，這種割理發(fā)育，連通性較好；③面割理呈短裂紋狀或斷續(xù)狀，端割理少見(jiàn)，這種割理連通性較差，較發(fā)育。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

剖面上，割理主要呈垂直于層理或微斜交層理平行排列。除此之外，按形態(tài)和成因，煤中裂隙還可分為三類：1、內(nèi)生裂隙(割理)：煤中有兩組大致相互垂直的內(nèi)生裂隙，名為主內(nèi)生裂隙(面割理)和次內(nèi)生裂隙(端割理)。主內(nèi)生裂隙延伸較遠(yuǎn)(可達(dá)數(shù)米)；次內(nèi)生裂隙僅發(fā)育在兩條相鄰的內(nèi)生裂隙之間。兩組內(nèi)生裂隙與煤層層面垂直或陡角相交，從而把煤體切割成一系列的斜方形基質(zhì)塊。圖1-23裂隙分類第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

煤中內(nèi)生裂隙與煤巖組分和煤化程度密切相關(guān)。一般只發(fā)育在鏡煤和亮煤分層中，不切穿上下分層，裂隙面平坦，無(wú)擦痕。不同變質(zhì)階段、不同煤巖組成的煤，具不同的力學(xué)性質(zhì)，內(nèi)生裂隙的發(fā)育程度自然不同。

內(nèi)生裂隙的形成不僅是由煤的力學(xué)性質(zhì)這一內(nèi)在因素決定的，而且受凝膠化物質(zhì)體積收縮產(chǎn)生的內(nèi)張力作用和構(gòu)造應(yīng)力作用，但這種構(gòu)造應(yīng)力要比形成外生裂隙的應(yīng)力弱得多。2、外生裂隙：指煤層在較強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力下產(chǎn)生的裂隙。按成因可分為3種：剪性外生裂隙、張性外生裂隙和劈理。

①剪性外生裂隙與煤層面以各種角度相交可出現(xiàn)在煤層任何部分，裂隙凹凸不平，且有滑動(dòng)痕跡，多呈羽毛狀、波狀，裂隙間距較寬，常兩組或多組并存。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層

②張性外生裂隙與巖石的張節(jié)理一樣，規(guī)模較小，雁行排列，煤中少見(jiàn)。

③劈理是指煤層存在層間滑動(dòng)時(shí)，形成的一系列波狀的相互平行的裂隙。外生裂隙的成因與巖石節(jié)理的成因相近，剪性和張性外生裂隙是煤脆性形變階段的產(chǎn)物。從煤中以剪性外生裂隙為主、張性外生裂隙少見(jiàn)這一現(xiàn)象分析知，它可能與煤的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。因煤體的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巖石，且脆性強(qiáng)，在外部應(yīng)力作用下，以剪性外生裂隙的形成、使煤體遭到破壞來(lái)消減構(gòu)造應(yīng)力，很難形成對(duì)應(yīng)的張應(yīng)力。劈理是巖石塑性形變階段的產(chǎn)物。煤中的劈理與巖石一樣，是塑性滑動(dòng)的結(jié)果，常與煤層小褶皺伴生。

煤層以其特有的力學(xué)性質(zhì)，在含煤巖系中最易成為滑動(dòng)面，煤中可同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)滑動(dòng)面，滑動(dòng)面之間可出現(xiàn)劈理。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層3、繼承性裂隙：兼其內(nèi)生裂隙和外生裂隙的雙重性質(zhì)，屬過(guò)渡類型。如果內(nèi)生裂隙形成前后的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向不變，早先的內(nèi)生裂隙就會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化，表現(xiàn)為部分內(nèi)生裂隙由其發(fā)育的煤分層向相鄰分層延伸擴(kuò)展，但方向保持不變，這部分裂隙就稱為繼承性裂隙。

以下四種作用是煤層割理系統(tǒng)的主要成因：第一，煤化過(guò)程中的脫水作用；第二，煤化過(guò)程中的脫揮發(fā)分作用；第三，構(gòu)造作用；第四，壓實(shí)作用。

在不同的煤層中，割理出現(xiàn)率可能有很大差別，主要取決于煤巖和煤質(zhì)類型、煤層與無(wú)機(jī)夾層厚度、煤級(jí)和煤層埋深等因素。割理出現(xiàn)率大，煤層滲透性也相應(yīng)高。第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層割理類型主要特征巨型割理可切穿若干個(gè)煤巖類型或整個(gè)煤層，長(zhǎng)度大于數(shù)米，高大于1m

，裂口寬度毫米級(jí)，一般屬外生割理，與層理斜交。大型割理可切穿一個(gè)以上煤巖類型分層，煤層長(zhǎng)度大于幾十厘米至1m

，高幾厘米至1m

，裂口寬度微米級(jí)至毫米級(jí)，以外生割理多見(jiàn)，與層理斜交，割理較少，垂直層理或以高角度與層理斜交中型割理限于一個(gè)煤層類型分層，長(zhǎng)幾厘米至1m

，高幾厘米至幾十厘米，裂口寬度微米級(jí)，割理、外生割理以不同角度與層理斜交小型割理僅發(fā)育在單一煤巖成分中，在鏡煤中最發(fā)育，長(zhǎng)幾毫米至1cm，高至幾厘米，裂口微米級(jí)，割理多見(jiàn)，垂直于層理或以高角度與層理斜交微型只有借助于顯微鏡才可見(jiàn)的割理，長(zhǎng)0.1至1mm，高小于1mm，裂口寬度微米級(jí)，割理多見(jiàn)，垂直于層理或以高角度與層理斜交，遇到絲質(zhì)體、殼質(zhì)體和礦物時(shí)，出現(xiàn)順層方向裂開(kāi)超微型借助高放大倍數(shù)，在掃描電鏡下可見(jiàn)，長(zhǎng)度1μm至mm，高0.1至10μm，裂口寬度微米級(jí)，割理多見(jiàn)（2）割理的規(guī)模類型

不同規(guī)模的割理在煤層的發(fā)育程度差異很大，對(duì)氣體的滲流起著不同的作用。下面按照割理的規(guī)模以及割理與煤層、煤巖類型及煤巖成因的關(guān)系對(duì)其進(jìn)行分類（表1-5）表1-5割理的規(guī)模類型及特征簡(jiǎn)述第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層（3）割理的評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)1）割理密度：表示一定距離內(nèi)割理數(shù)量的多少，反映割理發(fā)育的程度。根據(jù)我國(guó)煤中割理的特征，根據(jù)尺度不同，將割理的密度劃分為3個(gè)級(jí)別（表1-6）統(tǒng)計(jì)方法割理密度級(jí)別一級(jí)二級(jí)三級(jí)肉眼/(條/10cm)>1010～3<3光學(xué)顯微鏡/(條/10cm)>100100～30<30掃描電鏡/(條/cm2)>10001000～300<300表1-6割理密度級(jí)別劃分方案第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層2）割理的連通性：連通性包括同一割理類型之間的連通以及不同割理類型之間的連通狀況。根據(jù)割理之間的連通狀況、對(duì)滲透性的貢獻(xiàn)以及幾何形態(tài)特征，將連通性劃分為三個(gè)級(jí)別（表1-7）評(píng)價(jià)項(xiàng)目連通性評(píng)價(jià)等級(jí)好較好差割理形態(tài)網(wǎng)狀一組平行面割理為主，端割理少見(jiàn)，階梯狀短裂紋狀，單個(gè)分散充填狀態(tài)無(wú)部分多數(shù)表1-7割理的連通性等級(jí)劃分方案第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層3）割理發(fā)育程度：包括割理的密度、長(zhǎng)度、高度、裂口寬度及連通性，在整體上反映割理的發(fā)育狀況及其對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性的影響。主要采用密度和連通性兩個(gè)指標(biāo)對(duì)割理發(fā)育程度進(jìn)行劃分（表1-8）。表1-8割理發(fā)育程度劃分方案評(píng)價(jià)項(xiàng)目割理發(fā)育程度發(fā)育較發(fā)育不發(fā)育割理密度級(jí)別一級(jí)二級(jí)三級(jí)割理連通性好較好差第二章煤層氣地質(zhì)第一節(jié)煤的形成與煤階第二節(jié)聚煤盆地第三節(jié)煤層氣儲(chǔ)層第四節(jié)煤層氣的賦存規(guī)律與成藏第四節(jié)煤層氣的賦存規(guī)律與成藏

一般來(lái)說(shuō)，煤層氣以三種狀態(tài)存在于煤層之中：①吸附在煤孔隙的內(nèi)表面上；②以游離態(tài)分布于煤的孔隙中，其中大部分存在于各類裂隙中；③溶解于煤層的地下水中。在煤化作用過(guò)程中生成的氣體，首先滿足吸附，然后是溶解和游離析出。在一定的溫度和壓力條件下，三種狀態(tài)的氣體處于同一的動(dòng)態(tài)平衡體系中。

保存條件主要指蓋層的封蓋能力、水動(dòng)力條件和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素。在地質(zhì)歷史中，地質(zhì)作用主要是通過(guò)改變地層的溫壓條件而改變吸附與解吸和吸附與溶解之間的平衡，控制地層中的煤層氣賦存形式，從而影響煤層氣的保存。

煤層氣藏與常規(guī)天然氣藏不同：煤既是氣源巖，又是儲(chǔ)集巖。第四節(jié)煤層氣的賦存規(guī)律與成藏一、煤層氣賦存規(guī)律（一）煤層氣的形成1.煤層氣形成的地質(zhì)背景

煤田勘探和煤層氣勘探的實(shí)踐已證明，煤層氣及其儲(chǔ)層特性變化多樣。因此，在確定研究區(qū)煤層氣勘探、開(kāi)發(fā)前景時(shí)，首先要對(duì)這一地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)背景資料進(jìn)行分析，了解含煤地層的沉積特點(diǎn)及縱、橫向分布規(guī)律和構(gòu)造發(fā)育基本情況，研究煤的生氣、儲(chǔ)氣能力、熱演化特點(diǎn)、煤層氣的分布規(guī)律及保存條件。第四節(jié)煤層氣的賦存規(guī)律與成藏2.煤熱演化生氣作用

煤是一種以腐殖型為主的可燃有機(jī)巖，其基本結(jié)構(gòu)單元為帶側(cè)鏈官能團(tuán)并含雜原子的縮合芳香核體系。煤層氣是煤在熱演化變質(zhì)作用中生成的。在煤熱演化作用過(guò)程中，隨著煤變質(zhì)作用的加深，煤由低煤階向高煤階轉(zhuǎn)化，主要是側(cè)鏈官能團(tuán)因斷裂、分解而減少，芳核環(huán)數(shù)則不斷增加，并伴隨有大量烴類(主要是甲烷)的生成。煤由低煤階向高煤階轉(zhuǎn)化過(guò)程如下：

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

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

C54H42O5(煙煤)→C15H14O(半無(wú)煙煤)+CO2+CH4+H2O

C15H14O(半無(wú)煙煤)→C13H4(無(wú)煙煤)+2CH4+H2O第四節(jié)煤層氣的賦存規(guī)律與成藏引起煤熱演化變質(zhì)生氣過(guò)程可劃分為五種類型：(1)區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用

煤巖熱演化主要受區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用影響，其煤儲(chǔ)層割理發(fā)育，物性好，生氣量大，含氣量高，是煤層氣勘探主要類型，如沁水盆地南部晉城地區(qū)和鄂爾多斯盆地南部大寧一吉縣地區(qū)。(2)局部熱動(dòng)力變質(zhì)作用

富含有機(jī)質(zhì)煤層受局部熱動(dòng)力作用產(chǎn)生高熱異常值層，增強(qiáng)了生氣作用。圍巖封蓋條件好，氣態(tài)烴擴(kuò)散量少，可保存高含氣量的原始?xì)獠?，如鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶中部三交地區(qū)；如果圍巖封蓋條件差，局部熱動(dòng)力使烴類擴(kuò)散嚴(yán)重，含氣量低，如晉西撓褶帶北部興縣一府谷地區(qū)。(3)深層水交替熱變質(zhì)作用

深部高溫地層水沿?cái)嗔褞А兾g面進(jìn)入淺部煤層，可促進(jìn)煤層的變質(zhì)作用，同時(shí)由于深、淺部地層水交替，煤層氣亦可被水帶走，形成甲烷風(fēng)化帶，如河北大城地區(qū)。第四節(jié)煤層氣的賦存規(guī)律與成藏(4)區(qū)域壓實(shí)變質(zhì)作用

煤巖熱演化主要受沉積壓實(shí)作用影響，當(dāng)埋深較大、壓實(shí)作用較強(qiáng)時(shí)，煤儲(chǔ)層物性差，殘余氣多，可解吸量相對(duì)較小，對(duì)煤層氣勘探不利。(5)構(gòu)造應(yīng)力變質(zhì)作用

構(gòu)造應(yīng)力變質(zhì)作用一般多產(chǎn)生粉煤，后期氣態(tài)烴散失嚴(yán)重，對(duì)煤層氣富集不利，如河南安陽(yáng)地區(qū)和遼寧紅陽(yáng)地區(qū)。第四節(jié)煤層氣的賦存規(guī)律與成藏3.煤層氣成因類型

上述煤的熱演化生氣與煤層氣藏，非在煤層局部就地、同期、一次形成，而是在含煤層系中既受煤化作用不斷生烴，又受沉積、斷裂構(gòu)造和水動(dòng)力作用不斷改造后形成的。同一構(gòu)造單元或區(qū)帶，受沉積壓實(shí)、構(gòu)