《煤层气储集层》PPT课件.ppt

《《煤层气储集层》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《煤层气储集层》PPT课件.ppt（70页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第三章第三章 煤层气储集层煤层气储集层1 1 煤层既是煤层气的源岩，又是煤层气煤层既是煤层气的源岩，又是煤层气赖以储存的载体。作为一种有机储层，必赖以储存的载体。作为一种有机储层，必须具备一定的孔隙和足够大的比表面积，须具备一定的孔隙和足够大的比表面积，才能有效储存煤层气；同时又必须具备一才能有效储存煤层气；同时又必须具备一定的、相互连通的裂隙，才能使煤层气有定的、相互连通的裂隙，才能使煤层气有效产出。煤层气储层以其特殊的性质和与效产出。煤层气储层以其特殊的性质和与煤层气特殊的结合方式有别于常规油气储煤层气特殊的结合方式有别于常规油气储层。层。2 2第一节第一节 储集层的孔隙与裂隙特征储集层的

2、孔隙与裂隙特征n n煤中自然形成的裂缝称为裂隙，往往呈多组出现，组成多个裂隙体系，裂隙对煤层气的运移和产出起决定作用。这些裂隙把煤体切割成一系列形态各异的基质单元，称基质块，基质块中所含的微孔隙称基质孔隙 3 3一、基质孔隙一、基质孔隙 基质孔隙为基质孔隙为煤的基质块体单元中未被固态物质充填的空间煤的基质块体单元中未被固态物质充填的空间，由由孔隙和通道孔隙和通道组成。一般将较大空间称为孔隙，其间连通的狭窄组成。一般将较大空间称为孔隙，其间连通的狭窄部分称为通道。部分称为通道。1.基质孔隙的分类基质孔隙的分类(1)成因分类成因分类 气孔气孔残留植物组织孔残留植物组织孔 次生孔隙次生孔隙 晶间孔晶

3、间孔 原生粒间孔原生粒间孔（2）孔径分类）孔径分类 4 4气孔气孔 气孔是指煤化作用过程中气体的生成与逸出留下的痕迹，是煤体在较高的温度、压力气孔是指煤化作用过程中气体的生成与逸出留下的痕迹，是煤体在较高的温度、压力条件下，处于近塑性状态，由其自身形成的气体作用的结果条件下，处于近塑性状态，由其自身形成的气体作用的结果 拉长的热变气孔，反映割拉长的热变气孔，反映割理的流体压力成因，汝箕理的流体压力成因，汝箕沟大峰露天矿侏罗系延安沟大峰露天矿侏罗系延安组二号煤组二号煤 拉长气孔，有些已经连通，反映割理的流体压力成拉长气孔，有些已经连通，反映割理的流体压力成因，济源克井山西组二因，济源克井山西组二

4、1煤煤 5 5沁水盆地煤变质气孔超微特征沁水盆地煤变质气孔超微特征左左：变变质质气气孔孔，盆盆地地北北部部阳阳泉泉一一矿矿15#15#煤煤，yqyk15-3yqyk15-3样样，Ro=2.96%Ro=2.96%，1200012000；中中：气气孔孔与与微微裂裂隙隙贯贯通通，盆盆地地中中部部沁沁源源沁沁新新矿矿2#2#煤煤，qyqx2-3qyqx2-3样样，Ro=1.66%Ro=1.66%，1000010000；右右：爆爆裂裂气气孔孔，盆盆地地南南部部晋晋城城寺寺河河矿矿，jcsh3-1jcsh3-1样样，Ro=3.14%Ro=3.14%，45004500。孔隙成因类型孔隙成因类型6 6n n一

5、般单个出现，热变作用的煤中可密集成一般单个出现，热变作用的煤中可密集成一般单个出现，热变作用的煤中可密集成一般单个出现，热变作用的煤中可密集成群。群。群。群。n n其大小不一、排列无序。其大小不一、排列无序。其大小不一、排列无序。其大小不一、排列无序。n n外形多为浑圆状，也有呈管状。外形多为浑圆状，也有呈管状。外形多为浑圆状，也有呈管状。外形多为浑圆状，也有呈管状。n n直径多在直径多在直径多在直径多在1 1 1 1101010103 3 3 3 nm nm nm nm左右。左右。左右。左右。n n一般不被次生矿物充填。一般不被次生矿物充填。一般不被次生矿物充填。一般不被次生矿物充填。热变气

6、孔，济源克井山西组二热变气孔，济源克井山西组二1煤煤 热变气孔，焦作古汉山山西组二热变气孔，焦作古汉山山西组二1煤煤 特点：特点：7 7残留植物组织孔残留植物组织孔残留植物组织孔残留植物组织孔 是植物本身组织结构的继承。植物遗体在煤化学作用过程中部分细胞组织能被保留是植物本身组织结构的继承。植物遗体在煤化学作用过程中部分细胞组织能被保留下来，如丝质体、结构镜质体的胞腔。下来，如丝质体、结构镜质体的胞腔。残留植物组织孔，丝质残留植物组织孔，丝质体胞腔孔隙，平顶山下体胞腔孔隙，平顶山下石盒子组戊组煤，反光石盒子组戊组煤，反光照片，照片，100残留植物组织孔，菌类残留植物组织孔，菌类体内的孔隙，宁夏

7、汝箕体内的孔隙，宁夏汝箕沟延安组，沟延安组，SEM。其大小均一、其大小均一、排列有序，直排列有序，直径多径多为为1102 nm 104 nm，这类孔隙可，这类孔隙可被矿物质部分被矿物质部分充填充填 8 8 煤中矿物质，如黄铁矿、碳酸盐矿物和粘土矿物等，在地下水循环过程中可被溶蚀煤中矿物质，如黄铁矿、碳酸盐矿物和粘土矿物等，在地下水循环过程中可被溶蚀形成次生孔隙。形成次生孔隙。次生孔隙次生孔隙指原生矿物或次生矿物晶粒间的孔隙指原生矿物或次生矿物晶粒间的孔隙。晶间孔晶间孔割理内充填的方解石晶体内发育的晶间孔，晋城山西组割理内充填的方解石晶体内发育的晶间孔，晋城山西组3号煤，号煤，SEM。9 9原生

8、粒间孔原生粒间孔 指各种成煤物质颗粒间的孔隙。是成岩作用过程中煤物质颗粒经压实、指各种成煤物质颗粒间的孔隙。是成岩作用过程中煤物质颗粒经压实、脱水后仍保留下来的孔隙。脱水后仍保留下来的孔隙。颗粒间的填隙物颗粒间的填隙物及填隙物内的原及填隙物内的原始粒间孔，灵武始粒间孔，灵武灵新煤矿侏罗系灵新煤矿侏罗系延安组延安组2号煤。号煤。煤的原始粒间、粒内孔隙，灵武灵新矿侏罗系延安组煤的原始粒间、粒内孔隙，灵武灵新矿侏罗系延安组3号煤号煤1010(2)孔径分类1111(3)基质孔隙的结构基质孔隙的结构基质孔隙的结构主要指其形态基质孔隙的结构主要指其形态 1212煤中基质孔隙的类型及特征煤中基质孔隙的类型及

9、特征(吴俊）吴俊）13132.基质孔隙度基质孔隙度 煤的基质孔隙可用三个参数定量描述煤的基质孔隙可用三个参数定量描述煤的基质孔隙可用三个参数定量描述煤的基质孔隙可用三个参数定量描述总孔容总孔容：单位重量煤中孔隙的总体积（：单位重量煤中孔隙的总体积（cm3/g）；）；孔面积孔面积：单位重量煤中孔隙的表面积（：单位重量煤中孔隙的表面积（cm2/g）；）；孔隙度孔隙度：单位体积煤中孔隙所占的体积（：单位体积煤中孔隙所占的体积（%）指岩石中互相联通的、在一般情况下可允许流体在其中流动的指岩石中互相联通的、在一般情况下可允许流体在其中流动的孔隙总体积（孔隙总体积（Ve）与该岩样总体积（）与该岩样总体积（

10、Vb）之比）之比（常规油气储层）（常规油气储层）14143 基质孔隙度的影响因素基质孔隙度的影响因素(1)煤化程度煤化程度 1 1、R Ro,max1.3%o,max2.5%Ro,max2.5%，各类孔，各类孔隙的孔容和比表面积均呈隙的孔容和比表面积均呈现下降趋势。这是由于此现下降趋势。这是由于此阶段煤的生烃能力显著下阶段煤的生烃能力显著下降，新的气孔的生成微弱，降，新的气孔的生成微弱，而高温高压作用下进而高温高压作用下进一步的煤化作用引起的大一步的煤化作用引起的大规模缩聚作用导致各类孔规模缩聚作用导致各类孔隙的减少。隙的减少。1616 煤的基质孔隙决定煤的吸附能力，这种孔隙孔容和比表面积随煤

11、阶的变化煤的基质孔隙决定煤的吸附能力，这种孔隙孔容和比表面积随煤阶的变化趋势造成了煤吸附甲烷能力具有类似变化趋势。趋势造成了煤吸附甲烷能力具有类似变化趋势。1717(2)显微组分的影响显微组分的影响 不同的显微组分含不同类型和级别的孔隙，如镜不同的显微组分含不同类型和级别的孔隙，如镜质组中的基质镜质体，多含一些小孔或微孔。对残留质组中的基质镜质体，多含一些小孔或微孔。对残留植物组织孔而言多属中、大孔，如丝质体胞腔。植物组织孔而言多属中、大孔，如丝质体胞腔。(3)矿物含量的影响矿物含量的影响 矿物质对煤的孔隙产生两方面的影响：矿物质对煤的孔隙产生两方面的影响：它充填它充填了一部分大、中孔隙，使孔

12、隙总孔容下降；了一部分大、中孔隙，使孔隙总孔容下降；矿物矿物本身可能存在一些孔隙，如晶间孔，对煤的孔隙度有本身可能存在一些孔隙，如晶间孔，对煤的孔隙度有微弱贡献。微弱贡献。1818(4)煤体结构的影响煤体结构的分类煤体结构的分类 1919糜棱煤与原生结构煤不同孔径孔的孔容也存在差异糜棱煤与原生结构煤不同孔径孔的孔容也存在差异 在构造应力或其它力（如重力）的作用下煤体将发生变形，煤体原生结在构造应力或其它力（如重力）的作用下煤体将发生变形，煤体原生结构将遭到破坏，同时也改变了煤的孔隙特征。总体上破坏程度越深，煤的孔构将遭到破坏，同时也改变了煤的孔隙特征。总体上破坏程度越深，煤的孔隙度和比表面积增

13、加越大。隙度和比表面积增加越大。2020(5)断裂的影响采采采采样样样样点点点点断断断断层层层层性性性性质质质质距断距断距断距断层层层层距离距离距离距离(m)(m)总总总总孔容孔容孔容孔容(cm(cm3 3/g)/g)孔面孔面孔面孔面积积积积(m(m2 2/g)/g)孔孔孔孔 隙隙隙隙 体体体体 积积积积(cm(cm3 3/g)/g)排排排排驱压驱压驱压驱压力力力力(10(105 5 Pa)Pa)微孔微孔微孔微孔小孔小孔小孔小孔中孔中孔中孔中孔大孔大孔大孔大孔丰丰丰丰城城城城正正正正断断断断层层层层上上上上盘盘盘盘101020200.0530.0530.0470.04713.8713.8717

14、.2817.280.02090.02090.02720.02720.00800.00800.00950.00950.00770.00770.00450.00450.01640.01640.00580.00581.21.2172.2172.2下下下下盘盘盘盘303030300.0490.0490.0420.04216.4416.4416.8416.840.02550.02550.02550.02550.00900.00900.00880.00880.00410.00410.00370.00370.01040.01040.00390.003997.397.3247.6247.6 断裂作用对煤的孔隙

15、特征的影响断裂作用对煤的孔隙特征的影响 断裂可使煤的孔隙度增加。距断裂越近，大中孔隙体积和总孔容越大，断裂可使煤的孔隙度增加。距断裂越近，大中孔隙体积和总孔容越大，而小孔和微孔体积变化不大。另外张性断层使煤的大中孔隙增多，压性断而小孔和微孔体积变化不大。另外张性断层使煤的大中孔隙增多，压性断层使煤的中孔增加。层使煤的中孔增加。21214.基质孔隙的研究方法(1)形貌观测光学显微镜、电子显微镜下（光学显微镜、电子显微镜下（TEM和和SEM）和原子力显微镜下）和原子力显微镜下 这种观测不仅能确定孔隙形态、大小和连通性，更重要的是确定其这种观测不仅能确定孔隙形态、大小和连通性，更重要的是确定其成因类

16、型以及它们与裂隙的关系。成因类型以及它们与裂隙的关系。2222：又称汞孔隙率法。是测定部分中孔和大孔孔径分布的方法。又称汞孔隙率法。是测定部分中孔和大孔孔径分布的方法。基本原理：基本原理：汞对一般固体不润湿，欲使汞进入孔需施加外汞对一般固体不润湿，欲使汞进入孔需施加外压，外压越大，汞能进入的孔半径越小。因此，测量不同外压压，外压越大，汞能进入的孔半径越小。因此，测量不同外压下进入孔中汞的量即可知相应孔大小的孔体积。下进入孔中汞的量即可知相应孔大小的孔体积。目前所用压汞仪使用压力最大约目前所用压汞仪使用压力最大约200MPa200MPa，可测孔半径范，可测孔半径范围为围为3.753.75750n

17、m750nm。（2）压汞法研究孔隙结构2323排驱压力排驱压力(Pd)：又称门槛压力，入口压力，进入压力。指压汞又称门槛压力，入口压力，进入压力。指压汞实验中汞开始大量注入岩样的压力，表示非润湿相开始注入岩实验中汞开始大量注入岩样的压力，表示非润湿相开始注入岩样中最大连通喉道的毛细管压力。样中最大连通喉道的毛细管压力。其物理意义：其物理意义：润湿相流体被非润湿相流体排替所需要的最小润湿相流体被非润湿相流体排替所需要的最小压力。压力。在毛管压力曲线上在毛管压力曲线上,就是沿着曲线的平坦部分作切线与纵轴就是沿着曲线的平坦部分作切线与纵轴相交的压力值。也可用曲线的初始拐点相交的压力值。也可用曲线的初

18、始拐点(或突变点或突变点)的水平位置的水平位置定为排驱压力。定为排驱压力。与排驱压力值相对应的就是最大连通与排驱压力值相对应的就是最大连通孔隙喉道半径孔隙喉道半径(rd)。歪度：歪度：指孔隙大小分布偏于粗孔径还是细孔径的状况。偏于粗指孔隙大小分布偏于粗孔径还是细孔径的状况。偏于粗 孔径称为孔径称为粗歪度粗歪度，偏于细孔径称为，偏于细孔径称为细歪度细歪度.毛管压力曲线形态的偏斜度。毛管压力曲线形态的偏斜度。2424各级别孔径的孔隙含量各级别孔径的孔隙含量 饱和度中值压力（饱和度中值压力（p pc50c50）:是指毛细管压力曲线上饱是指毛细管压力曲线上饱和度为和度为50%所对应的毛细管压力。所对应

19、的毛细管压力。饱和度中值半径（饱和度中值半径（r50r50）:与与pc50c50对应的孔隙半径称对应的孔隙半径称饱和度中值半径（饱和度中值半径（r50）pc50愈低，愈低，r50 愈高，物性愈好。愈高，物性愈好。束缚孔隙束缚孔隙:在极高压力下，汞仍不能进入的那部分在极高压力下，汞仍不能进入的那部分孔隙称束缚孔隙。孔隙称束缚孔隙。2525最小非饱和的孔隙体系最小非饱和的孔隙体系百分数百分数Smin%排驱压力排驱压力排驱压力排驱压力Pd孔隙等效半径孔隙等效半径r饱和度中值压力饱和度中值压力Pc50Pc50孔径大小与毛细管压力的关系，可以用孔径大小与毛细管压力的关系，可以用Laplace方程表示：方

20、程表示：r=-2cos/Pccos/Pc式中：式中：水银与煤样的接触角，取水银与煤样的接触角，取140140；水银表面张力，常取水银表面张力，常取48010480105 5N/cmN/cm2626毛细管压力曲线与孔毛细管压力曲线与孔隙吼道分布直方图隙吼道分布直方图 按一定范围计算按一定范围计算r r百分含量，并作孔喉等效半径分布图。百分含量，并作孔喉等效半径分布图。r r越集中越大，孔隙结构越好。越集中越大，孔隙结构越好。2727 不同毛不同毛细管曲管曲线形形态反反映不同孔隙大小和分布。映不同孔隙大小和分布。1-未分选；2-分选好；3-分选好，粗歪度；4-分选好，细歪度；5-分选不好，略细歪度

21、；6-分选不好，略粗歪度。不同分选和歪度条件下的毛细管压力曲线不同分选和歪度条件下的毛细管压力曲线2828古汉山煤样压汞古汉山煤样压汞-退汞曲线对比图退汞曲线对比图 2929（3）低温氮吸附法）低温氮吸附法 氮吸附法就是将定量的煤样置于液氮温度下的氮氮吸附法就是将定量的煤样置于液氮温度下的氮气流中，待煤样吸附的氮气达到平衡后，测定其吸气流中，待煤样吸附的氮气达到平衡后，测定其吸附量，计算出煤样的比表面积附量，计算出煤样的比表面积。3030二、煤的裂隙特征二、煤的裂隙特征 1.煤中裂隙的分类煤中裂隙的分类 根据成因将煤中裂隙区分出3类；根据成因和形态细分为8个组；最后根据形态与组合关系区分为17

22、 型。3131（1 1）割理）割理 割理一般呈相互垂直的两组出现，且与煤层层面垂直或高角度割理一般呈相互垂直的两组出现，且与煤层层面垂直或高角度相交。相交。割理中的一组连续性较强、延伸较远的称割理中的一组连续性较强、延伸较远的称面割理面割理；另一组仅局限于相邻两条面割理之间的、断续分布的称另一组仅局限于相邻两条面割理之间的、断续分布的称端割理端割理 割理内充填的自割理内充填的自生石英，汝箕沟生石英，汝箕沟大峰露天矿侏罗大峰露天矿侏罗系延安组二号煤系延安组二号煤面割理和断割理均被褐面割理和断割理均被褐铁矿充填，属次生淋滤铁矿充填，属次生淋滤矿物，平顶山十矿山西矿物，平顶山十矿山西组戊组戊9-10

23、煤煤割理被次生显微组分充填，割理被次生显微组分充填，因后期应力的作用沿一侧因后期应力的作用沿一侧被裂开，焦作古汉山山西被裂开，焦作古汉山山西组二组二1煤煤3232割理内充填的次生割理内充填的次生显微组分形成的次显微组分形成的次生裂隙，焦作古汉生裂隙，焦作古汉山山西组二山山西组二1煤。煤。经有机溶剂刻蚀后显示经有机溶剂刻蚀后显示出割理被次生显微组分出割理被次生显微组分充填的特征，充填的割充填的特征，充填的割理与现存的方向、大小理与现存的方向、大小基本一致，焦作古汉山基本一致，焦作古汉山山西组二山西组二1煤煤几乎完全充填几乎完全充填3333割理内充填的方割理内充填的方解石晶体内发育解石晶体内发育的

24、晶间孔，晋城的晶间孔，晋城山西组山西组3号煤，号煤，SEM 不规则网状割理，不规则网状割理，无法区分面割理与无法区分面割理与端割理，济源下冶端割理，济源下冶太原组二太原组二4煤煤 规则网状割理，面割理和规则网状割理，面割理和端割理将煤体切割成立方端割理将煤体切割成立方体基质块，平顶山六矿下体基质块，平顶山六矿下石盒子组戊石盒子组戊8煤煤规则发育的面割理和规则发育的面割理和端割理，灵武灵新煤端割理，灵武灵新煤矿侏罗系延安组矿侏罗系延安组3号煤号煤3434S型展布的割理被方解石充填，具有张性特征，上为沿层面方向，下为垂直层面方向，晋城寺河煤矿下二叠统3号煤 剪切作用形成的一组S型割理，焦作古汉山山

25、西组二1煤 面割理和限于面割理之间的端割理，平顶山一矿下石盒子组戊9煤 3535 直线型连续延伸的一组割直线型连续延伸的一组割理，平顶山一矿下石盒子理，平顶山一矿下石盒子组戊组戊9煤煤 多期构造应力叠多期构造应力叠加形成的割理，加形成的割理，焦作古汉山山西焦作古汉山山西组二组二1煤煤 割理终止于丝质体，平顶山下石盒子组戊割理终止于丝质体，平顶山下石盒子组戊8煤煤 割理以及割理以及与之沟通与之沟通的基质孔的基质孔隙，平顶隙，平顶山五矿山山五矿山西组己西组己16-17煤。煤。3636（2）外生裂隙）外生裂隙 外生裂隙是构造应力作用的产物。外生裂隙是构造应力作用的产物。由于外生裂隙可以以任何角度与煤

26、层层面相交，因此可以由于外生裂隙可以以任何角度与煤层层面相交，因此可以根据外生裂隙与层面的关系将其分成三类：根据外生裂隙与层面的关系将其分成三类：水平裂隙水平裂隙：与层面平行的裂隙，包括原生沉积的层面裂隙：与层面平行的裂隙，包括原生沉积的层面裂隙（或称成岩裂隙）及构造作用产生的层间裂隙。（或称成岩裂隙）及构造作用产生的层间裂隙。垂直裂隙垂直裂隙：与层面垂直的裂隙。：与层面垂直的裂隙。斜交裂隙斜交裂隙：与层面有一定角度的裂隙。：与层面有一定角度的裂隙。37371、2.一期构造应力场形成一期构造应力场形成的两组外生裂隙，汝箕沟大的两组外生裂隙，汝箕沟大峰露天矿侏罗系延安组二号峰露天矿侏罗系延安组二

27、号煤煤。3.两组共轭的剪性外两组共轭的剪性外生裂隙将煤体切割成菱形基生裂隙将煤体切割成菱形基质块，平顶山一矿山西组己质块，平顶山一矿山西组己1515。4.两期构造应力场形两期构造应力场形成的成的3 3组剪性外生裂隙，焦组剪性外生裂隙，焦作古汉山山西组二作古汉山山西组二1 1煤。煤。5.一组密集排列的剪性外生裂一组密集排列的剪性外生裂隙和由之派生出的限于相邻隙和由之派生出的限于相邻两条裂隙之间的张性裂隙，两条裂隙之间的张性裂隙，平顶山一矿山西组己平顶山一矿山西组己1515煤。煤。6.剪切作用形成的桥构造，剪切作用形成的桥构造，反光，反光，100100，焦作古汉山，焦作古汉山山西组二山西组二1 1

28、煤煤。7.逆冲外生逆冲外生裂隙，平顶山八矿下石盒子裂隙，平顶山八矿下石盒子组戊组戊9-109-10煤煤。8.第二期应力第二期应力场形成的两条平行的剪性外场形成的两条平行的剪性外生裂隙，切割了先期形成的生裂隙，切割了先期形成的裂隙同时派生出来的张性裂裂隙同时派生出来的张性裂隙，晋城寺河矿山西组隙，晋城寺河矿山西组3 3号号煤。煤。38381.1.张剪性外生裂隙，反光，张剪性外生裂隙，反光，150150，平顶山十矿下下石盒，平顶山十矿下下石盒子组戊子组戊9-109-10煤煤。2.2.剪性外生裂隙以及由之派生剪性外生裂隙以及由之派生的张性裂隙，反光，的张性裂隙，反光，170170，平顶山十矿下下石盒

29、子组戊平顶山十矿下下石盒子组戊9-109-10煤。煤。3.3.剪性外生裂隙和由之派生的剪性外生裂隙和由之派生的张性裂隙，反光，张性裂隙，反光，150150，平，平顶山十矿下下石盒子组戊顶山十矿下下石盒子组戊9-109-10煤煤。4.4.张性外生裂隙，裂隙内充填张性外生裂隙，裂隙内充填的方解石呈背生式生长，平的方解石呈背生式生长，平顶山五矿山西组己顶山五矿山西组己1515煤。煤。5.5.追踪式裂隙，裂隙内充填碎追踪式裂隙，裂隙内充填碎煤粒，晋城寺河矿山西组煤粒，晋城寺河矿山西组3 3号号煤。煤。6.6.剪性外生裂隙和与之共生的剪性外生裂隙和与之共生的张性裂隙，平顶山八矿山西张性裂隙，平顶山八矿山

30、西组己组己1515煤。煤。7.7.与褶皱伴生的张裂隙，平顶与褶皱伴生的张裂隙，平顶山五矿山西组己山五矿山西组己1515煤。煤。3939 割理和外生裂隙的区别割理和外生裂隙的区别 割割割割 理理理理外生裂隙外生裂隙外生裂隙外生裂隙1 1割理的力学性割理的力学性割理的力学性割理的力学性质质质质以以以以张张张张性性性性为为为为主主主主外生裂隙可以是外生裂隙可以是外生裂隙可以是外生裂隙可以是张张张张性、剪性及性、剪性及性、剪性及性、剪性及张张张张剪性等。剪性等。剪性等。剪性等。2 2割理在割理在割理在割理在纵纵纵纵向上或横向上都不穿向上或横向上都不穿向上或横向上都不穿向上或横向上都不穿过过过过不不不不

31、同的煤岩同的煤岩同的煤岩同的煤岩类类类类型或界型或界型或界型或界线线线线，一般，一般，一般，一般发发发发育育育育在在在在镜镜镜镜煤和亮煤条煤和亮煤条煤和亮煤条煤和亮煤条带带带带中，遇暗煤条中，遇暗煤条中，遇暗煤条中，遇暗煤条带带带带或或或或丝质终丝质终丝质终丝质终止。止。止。止。外生裂隙不受煤岩外生裂隙不受煤岩外生裂隙不受煤岩外生裂隙不受煤岩类类类类型的限制。型的限制。型的限制。型的限制。3 3割理面垂直或近似垂直于割理面垂直或近似垂直于割理面垂直或近似垂直于割理面垂直或近似垂直于层层层层理面。理面。理面。理面。外生裂隙面可以与外生裂隙面可以与外生裂隙面可以与外生裂隙面可以与层层层层理面以任何

32、理面以任何理面以任何理面以任何角度相交。角度相交。角度相交。角度相交。4 4割理面上无擦痕，一般比割理面上无擦痕，一般比割理面上无擦痕，一般比割理面上无擦痕，一般比较较较较平整。平整。平整。平整。裂隙面上有擦痕、裂隙面上有擦痕、裂隙面上有擦痕、裂隙面上有擦痕、阶阶阶阶步、反步、反步、反步、反阶阶阶阶步。步。步。步。5 5割理中充填方解石、褐割理中充填方解石、褐割理中充填方解石、褐割理中充填方解石、褐铁矿铁矿铁矿铁矿及粘土，及粘土，及粘土，及粘土，极少有碎煤粒。极少有碎煤粒。极少有碎煤粒。极少有碎煤粒。外生裂隙中除了方解石、褐外生裂隙中除了方解石、褐外生裂隙中除了方解石、褐外生裂隙中除了方解石、

33、褐铁矿铁矿铁矿铁矿、粘土外，粘土外，粘土外，粘土外，还还还还有碎煤粒。有碎煤粒。有碎煤粒。有碎煤粒。4040（3）继承性裂隙 继承性裂隙实际上是先期形成割理的再改造，按继承性裂隙实际上是先期形成割理的再改造，按其性质可分为其性质可分为内生继承和外生继承内生继承和外生继承两种。两种。内生继承内生继承是指晚期形成的割理与早期割理的方向是指晚期形成的割理与早期割理的方向一致，沿早期的面割理或端割理发育，但仍局限在光一致，沿早期的面割理或端割理发育，但仍局限在光亮煤分层内，属割理范畴。亮煤分层内，属割理范畴。外生继承外生继承是指割理形成后，如果构造应力场的方是指割理形成后，如果构造应力场的方向不变，割

34、理受逐渐增强的构造应力场的作用，沿原向不变，割理受逐渐增强的构造应力场的作用，沿原来的产状扩展、延伸，并穿过丝质体或暗煤分层，过来的产状扩展、延伸，并穿过丝质体或暗煤分层，过渡为外生裂隙渡为外生裂隙 。4141割理发育在镜煤条带内或扩展到割理发育在镜煤条带内或扩展到丝质体内成为继承性裂隙，平顶丝质体内成为继承性裂隙，平顶山六矿下石盒子组戊山六矿下石盒子组戊8煤煤 继承性裂隙内继承性裂隙内充填的碎煤粒充填的碎煤粒（左侧）和方解（左侧）和方解石（右侧），平石（右侧），平顶山八矿下石盒顶山八矿下石盒子组戊子组戊10煤煤 亮煤和镜煤条带中割理发育，亮煤和镜煤条带中割理发育，终止于丝炭条带，被方解石终止

35、于丝炭条带，被方解石充填。可以明显看出最下部充填。可以明显看出最下部亮煤分层中的割理受后期构亮煤分层中的割理受后期构造应力改造的痕迹，为继承造应力改造的痕迹，为继承性裂隙。平顶山十矿下二叠性裂隙。平顶山十矿下二叠统戊统戊9-10煤煤42422.割理的成因割理的成因（1 1）割理密度与煤阶、煤岩组分的关系）割理密度与煤阶、煤岩组分的关系 割理密度与煤阶的第一种关系割理密度与煤阶的第一种关系 与与Ammosov和和Eremin的相同，随煤阶增高呈偏正态分布，可用下式定量表达：的相同，随煤阶增高呈偏正态分布，可用下式定量表达：4343割理密度与煤阶的第二种关系割理密度与煤阶的第二种关系 与与Laub

36、ach等人的相同，割理密度随煤阶增高在等人的相同，割理密度随煤阶增高在Ro,max=1.3%时达到极大值，之后保持时达到极大值，之后保持稳定，用下式定量表达：稳定，用下式定量表达：4444 割理密度与煤阶的第三种关系割理密度与煤阶的第三种关系 这一关系可用下式定量表达：这一关系可用下式定量表达：4545 割理密度与光亮型组分厚度的关系割理密度与光亮型组分厚度的关系 4646（2 2）割理密度与岩浆侵入的关系）割理密度与岩浆侵入的关系阜新盆地王营矿区岩墙造成节理发育变化阜新盆地王营矿区岩墙造成节理发育变化 4747（2）割理的矿化作用）割理的矿化作用 割理的矿化是指煤化作用，甚至后生作用过程中，

37、割理的矿化是指煤化作用，甚至后生作用过程中，割理被矿物质充填形成脉体。割理被矿物质充填形成脉体。脉是不同的多晶矿物的集合体。脉是不同的多晶矿物的集合体。主要从主要从宏观形态、微观形态、生长形态宏观形态、微观形态、生长形态的描述和的描述和生长机理生长机理四四个方面对裂隙脉进行研究个方面对裂隙脉进行研究 裂隙脉，按裂隙脉，按宏观特征分为两类宏观特征分为两类：其形成与刚性物体有关的压力：其形成与刚性物体有关的压力晕（影）和形成与晕（影）和形成与刚性物体无关的一般意义上的脉刚性物体无关的一般意义上的脉。4848 裂隙脉的裂隙脉的微观形态微观形态是指是指组成脉的矿物的结构、形状和组成脉的矿物的结构、形状

38、和排列组合形式排列组合形式。n n块状脉块状脉块状脉块状脉：块状脉的矿物颗粒近似等大，随机：块状脉的矿物颗粒近似等大，随机：块状脉的矿物颗粒近似等大，随机：块状脉的矿物颗粒近似等大，随机分布。分布。分布。分布。n n拉长块状脉：拉长块状脉：拉长块状脉：拉长块状脉：与块状相比，拉长块状脉的矿与块状相比，拉长块状脉的矿与块状相比，拉长块状脉的矿与块状相比，拉长块状脉的矿物颗粒生长具有竞争性，表现为优势生长方物颗粒生长具有竞争性，表现为优势生长方物颗粒生长具有竞争性，表现为优势生长方物颗粒生长具有竞争性，表现为优势生长方向拉长向拉长向拉长向拉长 。n n纤维状脉纤维状脉纤维状脉纤维状脉：纤维状的矿物

39、颗粒不表现出竞争：纤维状的矿物颗粒不表现出竞争：纤维状的矿物颗粒不表现出竞争：纤维状的矿物颗粒不表现出竞争生长，颗粒长轴呈直线排列。生长，颗粒长轴呈直线排列。生长，颗粒长轴呈直线排列。生长，颗粒长轴呈直线排列。n n扩展状脉扩展状脉扩展状脉扩展状脉：是由后期的脉物质沉积在先期的：是由后期的脉物质沉积在先期的：是由后期的脉物质沉积在先期的：是由后期的脉物质沉积在先期的颗粒表面而形成的一种复合结构。颗粒表面而形成的一种复合结构。颗粒表面而形成的一种复合结构。颗粒表面而形成的一种复合结构。4949岩石裂隙脉生长机理岩石裂隙脉生长机理裂隙脉的生长机理包括裂隙脉的生长机理包括生长方式和形成机理生长方式和

40、形成机理两个方面。两个方面。裂隙脉的生长方式主要有裂隙脉的生长方式主要有对生式、背生式或二者的组合对生式、背生式或二者的组合 对生式对生式：该方式对应脉物质颗粒的生长方向是：该方式对应脉物质颗粒的生长方向是从两侧向中央从两侧向中央（脉的（脉的中间面），中间面），裂隙脉的生长面即为脉的中间面裂隙脉的生长面即为脉的中间面 对生式基本特征示意图对生式基本特征示意图 5050背生式背生式：其对应脉物质颗粒的生长方向是其对应脉物质颗粒的生长方向是从脉体的中部向两侧从脉体的中部向两侧；该方式生长的裂隙脉具有该方式生长的裂隙脉具有两个生长面，位于脉与围岩之间两个生长面，位于脉与围岩之间。背生式基本特征示意图

41、背生式基本特征示意图组合方式组合方式：当脉体由：当脉体由两种矿物两种矿物组成时，可能出现其中的组成时，可能出现其中的一种一种以对生式生长以对生式生长，另一种以背生式生长另一种以背生式生长，于是整条裂隙脉就呈，于是整条裂隙脉就呈现出组合生长方式。这种方式下的现出组合生长方式。这种方式下的生长面也为两个生长面也为两个。5151裂隙脉的形成机理包括裂隙脉的形成机理包括脉物质的运移和沉积脉物质的运移和沉积。运移机理运移机理：脉物质的运移主要通过：脉物质的运移主要通过在流体中扩散流动、随流体流在流体中扩散流动、随流体流动动两种方式实现。两种方式实现。扩散流动，扩散流动，流体不一定流动，甚至可处于完全静止

42、状态流体不一定流动，甚至可处于完全静止状态，脉物质脉物质因自身的因自身的浓度梯度浓度梯度而在流体中扩散，即而在流体中扩散，即流体是一种静态的载体流体是一种静态的载体。随流体流动随流体流动，脉物质溶解于流体脉物质溶解于流体中，随流体运移。可以进一步中，随流体运移。可以进一步划分为两类：划分为两类：第一类，第一类，流体经由通道（裂隙）或渗透介质运移流体经由通道（裂隙）或渗透介质运移。第二类，第二类，流体压裂裂隙运移。流体成为裂隙的一部分，与裂隙流体压裂裂隙运移。流体成为裂隙的一部分，与裂隙同步运动。同构造脉。同步运动。同构造脉。沉积机理沉积机理。脉物质可能经历一期沉积，也可能经历多期沉积。脉物质可

43、能经历一期沉积，也可能经历多期沉积。5252煤中裂隙脉的生长方式煤中裂隙脉的生长方式面割理被方解石充面割理被方解石充填，焦作古汉山山填，焦作古汉山山西组二西组二1煤。后者是煤。后者是前者的放大，方解前者的放大，方解石纤维脉呈对生式石纤维脉呈对生式生长，基本与割理生长，基本与割理壁垂直，反映割理壁垂直，反映割理的张性成因。的张性成因。割理内充填的方解石纤维割理内充填的方解石纤维脉呈对生式生长，反映割脉呈对生式生长，反映割理的张剪性成因，济源克理的张剪性成因，济源克井下二叠统二井下二叠统二1煤。煤。5353 割理内充填的方解石纤维割理内充填的方解石纤维脉呈拉张式生长，垂直于割脉呈拉张式生长，垂直于

44、割理壁，说明割理的张性成因，理壁，说明割理的张性成因，平顶山八矿下石盒子组戊平顶山八矿下石盒子组戊9-10煤煤 继承性裂隙内充继承性裂隙内充填的碎煤粒（左侧）填的碎煤粒（左侧）和方解石（右侧），和方解石（右侧），平顶山八矿下石盒平顶山八矿下石盒子组戊子组戊10煤煤 多期次生裂隙脉，焦作多期次生裂隙脉，焦作下二叠统二下二叠统二1煤煤 剪性外生裂隙以及由之剪性外生裂隙以及由之派生的张性裂隙，反光，派生的张性裂隙，反光，170，平顶山十矿下下，平顶山十矿下下石盒子组戊石盒子组戊9-10煤煤 5454流体压力致裂的机理流体压力致裂的机理 煤中流体（包括气体和液体）的来源有两个：煤中流体（包括气体和液体

45、）的来源有两个：煤化作用煤化作用过程中形成的流体（气态和液态）和补给来的地下水过程中形成的流体（气态和液态）和补给来的地下水。当流体压力满足如下条件时，将导致裂隙的形成与扩展：当流体压力满足如下条件时，将导致裂隙的形成与扩展：流体压力导致裂隙形成与扩展机理流体压力导致裂隙形成与扩展机理 5555 煤中流体压力导致裂隙的形成与扩展存在煤中流体压力导致裂隙的形成与扩展存在3种情形：种情形：基质孔基质孔隙向割理的扩展、割理向外生裂隙的扩展以及外生裂隙的进隙向割理的扩展、割理向外生裂隙的扩展以及外生裂隙的进一步扩展。一步扩展。亮煤和镜煤条带中割理发育，终止于亮煤和镜煤条带中割理发育，终止于丝炭条带，被

46、方解石充填。可以明显丝炭条带，被方解石充填。可以明显看出最下部亮煤分层中的割理受后期看出最下部亮煤分层中的割理受后期构造应力改造的痕迹，为继承性裂隙。构造应力改造的痕迹，为继承性裂隙。平顶山十矿下二叠统戊平顶山十矿下二叠统戊9-10煤煤割理接近丝质体割理接近丝质体时方向变化并终时方向变化并终止，平顶山五矿止，平顶山五矿山西组己山西组己15煤煤 5656 流体压裂裂隙、割理、外生裂隙的特征对比流体压裂裂隙、割理、外生裂隙的特征对比 5757n n内张力作用：内张力作用：内张力作用：内张力作用：在泥炭化作用和煤化作用过程中，由于在泥炭化作用和煤化作用过程中，由于在泥炭化作用和煤化作用过程中，由于在

47、泥炭化作用和煤化作用过程中，由于植物遗体在微生物、温度、压力的作用下发生凝胶化植物遗体在微生物、温度、压力的作用下发生凝胶化植物遗体在微生物、温度、压力的作用下发生凝胶化植物遗体在微生物、温度、压力的作用下发生凝胶化作用，变成塑性、半塑性的物质，并且伴随着大量流作用，变成塑性、半塑性的物质，并且伴随着大量流作用，变成塑性、半塑性的物质，并且伴随着大量流作用，变成塑性、半塑性的物质，并且伴随着大量流体的生成。随着流体的生成与产出，煤基质发生收缩体的生成。随着流体的生成与产出，煤基质发生收缩体的生成。随着流体的生成与产出，煤基质发生收缩体的生成。随着流体的生成与产出，煤基质发生收缩产生内张力，形成

48、不规则的网状割理，类似于熔岩冷产生内张力，形成不规则的网状割理，类似于熔岩冷产生内张力，形成不规则的网状割理，类似于熔岩冷产生内张力，形成不规则的网状割理，类似于熔岩冷却和泥裂产生的裂隙。却和泥裂产生的裂隙。却和泥裂产生的裂隙。却和泥裂产生的裂隙。n n流体压力的作用流体压力的作用流体压力的作用流体压力的作用：n n构造应力构造应力构造应力构造应力：煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊沉积岩石，在微弱的构造应力作用下即可发生相对强沉积岩石，在微弱的构造应力作用下即可发生相对强沉积岩石，在

49、微弱的构造应力作用下即可发生相对强沉积岩石，在微弱的构造应力作用下即可发生相对强烈的变形。烈的变形。烈的变形。烈的变形。（3）割理的成因）割理的成因 迄今为止关于割理的成因有几种假说迄今为止关于割理的成因有几种假说：内张力作用、基内张力作用、基质收缩作用、流体压力作用和构造应力作用质收缩作用、流体压力作用和构造应力作用等。5858割理的类型及其形成机制 I I1 1中面割理沿最大主应力场方向延伸，端割理则沿最小主应中面割理沿最大主应力场方向延伸，端割理则沿最小主应力场影响延伸，从而形成规则的网状割理。当构造应力场各向同力场影响延伸，从而形成规则的网状割理。当构造应力场各向同性或较弱时，形成不规

50、则网状割理。如果主应力差较大，则形成性或较弱时，形成不规则网状割理。如果主应力差较大，则形成线性连续或孤立状割理（线性连续或孤立状割理（IIII1 1）。剪切应力作用下形成）。剪切应力作用下形成S S 型割理型割理 (II(II2 2)。多期构造应力场作用下形成复杂的割理类型（。多期构造应力场作用下形成复杂的割理类型（IIIIII）5959（4）割理的闭合 割理的闭合是指割理的闭合是指从宏观和微观形貌角度无法观测到割理的存在从宏观和微观形貌角度无法观测到割理的存在。割理的闭合存在两种机制：割理的闭合存在两种机制：次生显微组分充填次生显微组分充填：煤化作用过程中形成的、非植物遗体原始来煤化作用过