構造煤結構與儲層物性

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1、The6mInternationalWorkshoponCBM/CMMinChina構造煤結構與儲層物性據(jù)宜文，侯泉林，姜波，王桂梁，方愛民(中國科學院研究生院，北京100049中國礦業(yè)大學，徐州221008中國科學院地質與地球物理研究所，北京100029)摘要:構造煤研究涉及到基礎地質理論、煤層氣資源、煤礦安全和環(huán)境地學等重要領域。本文以兩淮地區(qū)區(qū)域地質與煤儲層地質為研究背景，探討了構造謀形成的低、中、高三種變質變形環(huán)境，提出了一套既適合于煤層氣開發(fā)又適合于煤與瓦斯突出防治的結構一成因分類方案，該方案分為三個變形序列十類構造煤:脆性變形序列包括碎裂煤、碎斑煤、碎

2、粒煤和碎粉煤，片狀煤和薄片煤;韌性變形序列為揉坡煤、糜棱煤和韌性結構煤;脆韌性過渡型為鱗片煤;并分別敘述了不同類型構造煤的宏觀和微觀變形特征。運用X射線衍射、高分辯透射電鏡、順磁共振、核磁共振以及傅立葉紅外光譜等現(xiàn)代技術方法系統(tǒng)研究了不同類型構造煤的大分子化學結構特征;利用壓汞法、液氮吸附法和掃描電鏡研究了構造謀的孔隙結構特征;采用平衡水條件下等溫吸附/解吸實驗與大直徑構造煤原位樣品室內滲透率實驗研究了不同類型構造煤的吸附一解吸性與滲透性特征。首先建立了構造煤微孔隙結構自然分類系統(tǒng);在CH4或多元氣體吸附一解吸過程中，發(fā)現(xiàn)變形較強的構造煤CH4等溫吸附曲線不符合五

3、種吸附曲線類型，并且CH4或多元氣體吸附一解吸具有不可逆性。在此塞礎上，深入探討了構造煤結構演化及其與儲層物性作用機理。然而，構造煤是煤中構造變形和圍巖巖石力學性質等共同作用的結果，由此進一步論述了煤層斷層、層滑構造、煤層流變和謀層韌性剪切帶的變形特征及形成機制。研究認為:一定脆性變形程度的片狀煤、碎斑謀與碎裂煤以及較弱韌性變形的揉皺煤并經(jīng)后期脆性變形疊加形成的構造煤等儲層具有較好的煤層氣勘探開發(fā)潛勢，而變形程度較強的脆韌性與韌性構造謀如蜂片煤、糜棱煤等儲層恰恰是瓦斯抽采和煤與瓦斯突出防治重點解決的難題。關鍵詞:構造煤大分子結構孔隙結構儲層物性煤層氣勘探開發(fā)引言構

4、造煤與煤層氣勘探開發(fā)、煤礦瓦斯突出以及大氣污染等皆有密切的關系(EvansandBrown,1973;Yuan,1985;Cao,1999;Li,2001;姜波等，2001;據(jù)宜文等，2002;據(jù)宜文，2003;Juetal.,2004;Juetal.,2005a)。研究表明，構造變形影響到煤的大分子結構(Nishioka,1992;Caoetal.,2000;Ju,2003)，在某種程度上也能提高煤級(Teichmtlller,1987;FowlerandGayer,1999;Caoetal.,2000;Juetal.2005c)。通過構造剪切作用，可促進或加速

5、石墨化的進行(Wilksetal.,1993;Bustinetal.,1995)。構造變形不同程度的改變著煤的物理結構和化學結構，從而改變著煤的吸附性和孔滲性。己有研究成果顯2006第六屆國際煤層氣研討會示，以碳結構為主的煤具有較強的吸附性，構造變形增強，其吸附性增強(Caoetal.,2000;Juetal.,2005a,據(jù)宜文等，2005)。已有不少研究者利用壓汞法對比測試了不同礦區(qū)、不同煤級的原生結構煤與構造煤的微米級孔隙特征(王佑安等，1980;張井等，1996;姚多喜等，1996)。這些實驗證明，構造煤主要增加了中孔和過渡孔的孔容，但不影響微孔的孔容。也

6、就是說，煤層的構造變形沒有影響到小于lonm的微觀尺度上。為了更深入地探討構造作用對微孔的影響，王濤等(1994)用液氮吸附法測試了江西新華煤礦原生結構煤與構造煤的孔隙分布，認為構造作用己經(jīng)影響到10nm的微孔，但尚無影響到小于10nm的超微孔，而且其研究過于簡單。因此，構造煤納米尺度微結構孔隙是一個值得研究的問題(Ganetal.,1972;Greggand5ing,1982;GtirdalandYalgin,2001)，同時，構造煤的納米尺度孔隙也是煤層氣的重要吸附空間，其大分子結構是控制煤吸附能力的一個重要因素。而且，構造煤微孔隙的滲透性與煤層氣的賦存和開發(fā)

7、有極為密切的關系。構造煤在變形過程中，由于應力作用的性質、方式、強度以及變形環(huán)境的不同，煤的物理性質、化學結構和化學成分都會呈現(xiàn)出有規(guī)律性的演化，儲層物性也隨之發(fā)生重大改變(Juetal.,2005a;據(jù)宜文等，2005)。因此，深入進行構造作用、應變環(huán)境、構造煤物理化學結構演化、儲層物性及其作用機理的綜合研究，將會對復雜構造區(qū)煤層氣資源的尋找和評價、礦井煤與瓦斯突出防治和瓦斯抽放以及環(huán)境問題提供理論基礎，也是煤層氣研究領域具有開創(chuàng)性的工作。2構造煤的形成環(huán)境及及其概念的理解本文以兩淮礦區(qū)的構造煤及煤儲層地質為研究背景，探討了構造煤儲層形成的三種變質變形環(huán)境(Ju

8、etal.