煤田地质学重点Word格式文档下载.docx

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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。

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）

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。

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。

结构镜质体

保存有植物的细胞结构，在煤中往往呈透镜体状产出。

把细胞壁称为结构镜质体；

细胞腔往往被无结构镜质体、树脂体、微粒体或粘土矿物所充填，胞腔充填物不属于结构镜质体。

1）结构镜质体1：

细胞结构保存完好，胸腔排列整齐．胞壁不膨胀或稍有膨胀。

2）结构镜质体2：

胞壁膨胀，胞腔变小，胞腔大小不一，排列不整齐。

惰质组：

概念:

又称丝质组，是煤中常见的显微组分组。

惰性组在透射光下为黑色不透明，反射光下为亮白色至黄白色；

碳含量最高、氢含量最低、氧含量中等；

比重为1.5，磨蚀硬度和显微硬度高。

突起高，挥发分低，没有任何粘结性。

壳质组：

又称稳定组、类脂组。

壳质组包括孢子体、角质体、木栓质体、树脂体、渗出沥青体、蜡质体、荧光质体、藻类体、碎屑壳质体、沥青质体和叶绿素体等。

是由比较富氢的植物物质。

壳质组含有大量的脂肪族成分。

壳质组组分的氢含量高，加热时能产出大量的焦油和气体。

用煤岩特征进行煤层对比：

1.标志煤层：

具有煤核的煤层或利用煤中的高岭石夹矸，可以对比煤层。

烛煤或藻煤一般不能用于对比，因其分布范围小。

2.宏观煤层剖面和煤层形成曲线：

利用煤层形成曲线对比煤层比用宏观煤岩类型对比效果更好。

这是因为同一时间不同地点的煤岩类型不同。

但不同地点地下水位变化的趋势比较一致，煤层形成曲线的变化趋势相似。

3.用煤岩特征对比煤层：

同一煤层不同地点的显微组成特征通常相似。

如镜质组含量、孢子，或惰性组含量，或黄铁矿，都可用于对比。

利用煤级判断地层、构造和侵入体等地质问题

1.根据岩石中的分散有机质的煤化程度，确定地区内岩石的新老关系。

2.利用煤级资料可以解释地质构造。

3.用煤级研究地热和侵入体。

4.分析构造形变，恢复构造应力场。

镜质组的反射率及其各向异性是对温度和压力极其敏感的参数。

随着煤层埋藏深度的增加，煤受到的温度和覆盖层的压力逐渐增加，煤的芳香核缩聚程度增强，芳香层片的排列也逐渐规则化，煤的反射率增高光学各向异性增强。

早古生代：

石煤，成煤原始植物为菌类低等植物。

成因类型为腐泥煤，由于热演化时间长，煤类皆为高阶无烟煤。

石炭二叠纪华北重要聚煤期：

以腐植煤为主，经历聚煤作用南迁的过程。

对比腐植煤与腐泥煤区和联系？

1、成因2、化学成分3、油气意义

煤系：

含煤岩系是一套在成因上有共生关系并含有煤层（或煤线）的沉积岩系，简称煤系。

煤地质核心问题：

生——演——质——赋

结论

（1）：

在泻湖海湾三角洲地区决口扇下面存在低硫煤！

结论

（2）：

影响煤质的主要因素是沉积环境！

煤层的结构：

煤层包含煤分层和岩石夹层，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。

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。

厚煤层的形成条件：

1、稳定的构造沉降：

沉降速率既不能太快，也不能太慢（与泥炭堆积速率的平衡关系）

2、有利的古地理背景：

离物源区较远，湖泊、三角洲

3、有利的气候条件：

温暖、潮湿

煤的成烃演化机制——煤中的碳元素主要集中在芳香稠环当中，因其键能较高表现出强固的键合力和较高的热稳定性。

侧链和官能团之间及其与稠环之间的结合力相对较弱，热稳定性较差。

因此在成烃演化（煤化作用）过程中，官能团和脂族结构的不断减少，侧链断裂变短，伴随着桥链的破裂，芳香核的进一步缩合增长，在元素组成上表现为碳的相对增加和氢氧等杂原子的相对减少。

原生生物成因煤层气：

早期（原生）生物成因，形成于泥炭—褐煤的早期成煤作用阶段（Ro<

0.5%），由于埋藏浅（<

400m），温度低，热力作用尚不足以使有机质结构变化产生烃类气体。

该阶段以CH4为主要成分的生物成因气，在泥炭沼泽环境中通过微生物对有机质的分解作用而形成（形成的途径有两种：

CO2还原生成CH4；

醋酸、甲醇和甲胺等发酵转化成CH4），并由于地层的快速沉降而保存于煤层中。

较早的研究认为原生生物成因气不能被保存下来，但近期的勘探实践和研究证明了该类气藏的存在。

热成因煤层气：

•随着有机质的沉积、埋藏，伴随地层温度升高，煤化作用程度的增加，煤的基本结构单元的芳香核苯环数增加，侧链和官能团逐渐分解、断裂，在核缩聚、侧链分解引起的分子结构的改造和重建过程中，伴随有气、液态产物不断形成。

根据煤的主要元素组成（C—H--O）的变化，可估算出主要热成因气的产率。

热成因CH4形成的初始煤阶为高挥发分烟煤（Ro=0.74?

），其生气量随煤阶升高而增大。

其生于煤层、储于煤层，后期未受其它地质因素重大干扰。

次生生物成因煤层气：

由于地层抬升，在较浅的埋藏深度，微生物活动可以三种方式影响煤层气的成分：

其一，大量晚期轻同位素生物成因CH4能够与前期形成的热成因气体混合；

其二，需氧细菌活动可导致CH4的氧化和消耗，但这一过程对浅部煤层气地球化学特征影响不大；

其三，厌氧细菌能优先破坏大多数湿气组分，以造成CH4富集，使气体干燥系数增大。

煤的灰分：

煤中所有可燃物完全燃烧以及矿物质（除水分以外的所有无机质的总称）在一定温度下，经一系列复杂化学反应以后所剩下的残渣。

煤的挥发分：

将煤放在与空气隔绝的容器内，在高温下经一定时间加热后，煤中的有机质和部分矿物质分解为气体释出，由减小的质量再减去水的质量即为煤的挥发分。

固定碳—是指除去水分、灰分和挥发分后的残留物。

煤的发热量或热值：

指单位质量的煤完全燃烧，当燃烧产物冷却到燃烧前的温度时（室温）所放出的热量。

煤层气：

是煤层在漫长的煤化作用过程中形成的与煤层共生的以甲烷为主要成分的非常规天然气，具有“自生自储”的特点，且主要以吸附状态赋存在煤层之中，少部分以游离气和溶解气的形式赋存在煤层中。

非常规天然气：

是对产自常规储气层（如气藏气、气顶气和石油中的溶解气）之外的天然气的总称，包括水溶气、煤层气、页岩气、致密砂岩气等。

煤成气:

系指由煤系中煤及其泥岩形成的天然气，同义词有煤型气和煤系气。

煤成气包括在生气源岩煤中的煤层气或煤层瓦斯，以及由气源岩运移出来的气，常说的煤成气往往指后者。

瓦斯：

是指赋存在煤层中的煤层气与煤矿采动影响带中的煤成（层）气、采空区的煤型气及采掘活动过程中新生成的各种气体的总称。

是指从煤层及煤层围岩中涌出的（outburstfromcoalseams），以及在煤矿生产过程中产生的各种气体的统称。

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：

1）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。

2）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

1）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

2）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。

2、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。

3、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、煤质、粒度

煤储层的多重孔隙结构：

双重孔隙介质：

裂隙+孔隙

裂隙：

煤层气运移的主要通道孔隙：

煤层气储集的主要场所

（1）煤的裂隙系统：

煤的裂隙：

煤的裂隙是指煤受到自然界各种应力作用而造成的裂开现象。

按成因不同可分为内生裂隙和外生裂隙两种。

内生裂隙：

是在煤化过程中，煤中的凝胶化物质受到温度和压力等因素的影响，体积均匀收缩产生内张力而形成的一种张裂隙。

内生裂隙主要出现在镜煤中，有时也出现在均匀致密的光亮型煤分层中。

内生裂隙一般都垂直或大致垂直于层理面，只发育在镜煤或光亮煤条带或分层内。

外生裂隙：

外生裂隙是在煤层形成后，收构造运动影响而产生的，特点是：

①可以出现在煤层的任何部分，并往往穿过几个煤烟分层；

②以各种角度与煤层层理斜交；

③裂隙面上常有波状、羽毛状擦痕等；

④外生裂隙有时沿袭既成的内生裂隙重叠发生，掩盖了内生裂隙并改造或使之深化。

（2）煤的孔隙系统及成因

类型

成因简述

原生孔

胞腔孔

成煤植物本身所具有的细胞结构孔

屑间孔

镜屑体、惰屑体和壳屑体等碎屑状颗粒之间的孔隙

变质孔

链间孔

凝胶化物质在变质作用下缩聚而形成的链之间的孔隙

气孔

煤变质过程中由生气和聚气作用而形成的孔隙

外生孔

角砾孔

煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔隙

碎粒孔

煤受构造应力破坏而形成的碎粒之间的孔隙

摩擦孔

压应力作用下面与面之间因摩擦而形成的孔隙

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

可溶性矿物在长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔

晶间孔

矿物晶粒之间的孔