第二章-第三节-煤层气储层的主要力学性质.docVIP

第三节 煤层气储层的主要力学性质 煤作为一种特殊的岩石，物理、力学性质有其特殊性，煤层气钻井的主要目的层就是高瓦斯含量的煤储层，本节主要论述与煤层气钻井有关的煤的物理、力学性质。 煤岩的组成煤是由古代植物遗体埋在地层下或在地壳中经过一系列非常复杂的变化而形成的是由有机物和无机物所组成的复杂的混合物，1～2cm，有时呈线理状夹在亮煤或暗煤中。镜煤的显微组成单一，主要是植物的木质纤维组织经凝胶化作用形成的镜质组。 亮煤颜色深黑，光泽较强，仅次于镜煤，性较脆，内生裂隙发育，亮煤的均一程度不如镜煤，表面隐约可见微细纹理，内生裂隙发育程度不及镜煤。在显微镜下观察，亮煤组成比较复杂，它以镜质组为主，并含有不同数量的惰质组、壳质组和矿物质，亮煤是最常见的宏观煤岩成分，不少煤层是以亮煤为主组成的，有的整个煤层都是亮煤组成的。 暗煤光泽暗淡，一般呈灰黑色，致密，密度大，内生裂隙不发育，坚硬而具韧性，断面粗糙。暗煤也是煤层中常见的宏观煤岩成分，在煤层中，可以由暗煤为主形成较厚的分层，甚至单独成层，在显微镜下观察，暗煤组成复杂，一般镜质组较少，矿物质含量较高。 丝炭外观象木炭，颜色灰黑，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽，丝炭疏松多孔，性脆易碎，碎后成为纤维状或粉末状，能染指。在煤层中丝炭的数量一般不多，常呈扁平透镜体，大多厚1～2mm至几mm，有时也能形成不连续的薄层。在显微镜下观察，丝炭的显微组成也是单一的，是简单的煤岩成分，主要是植物经受火灾后的木炭转化而来的惰质组构成。 （2）显微煤岩组成 煤的显微组分(maceral, micropetrological unit)是指煤在显微镜下能能够区别和辨识的基本组成成分，可以分为有机显微组分和无机显微组分两种。 依照国际上通行的标准，煤岩有机显微组分被划分为镜质组、惰质组和壳质组三组： （1）镜质组在透射光下呈橙红色，透明或半透明，较均一，不含或少含矿物质，见垂直裂纹，普通反射光下呈灰色，油浸反射光下呈深灰色，无突起； （2）惰质组在透射光下呈黑色，不透明。反射光下突起高，呈白色，油浸反射光时呈亮白色； （3）壳质组在透射光下透明到半透明，呈黄色或橙红色，轮廓清晰，外形特殊，普通反射光下大多有突起，呈深灰色，油浸反射光下呈灰黑色或黑灰色。 煤的无机显微成分主要是指粘土矿物、碳酸盐矿物、硫化物、氧化物、氢氧化物、盐类，还有一些重矿物和痕量元素： （1）粘土矿物，是煤中最重要的矿物质，占煤中矿物质总量的60%～80%，常见的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石和绿泥石，煤中粘土矿物在原始地层条件下处于一定矿化度的环境中，当钻井液或者完井液不同矿化度的水进入地层时，部分粘土矿物就会发生膨胀、分散、运移，从而减小或者堵塞地层孔隙和喉道，引起渗透率下降，因此分析测定粘土矿物的种类与含量对于煤层气钻井与完井工程来说，十分重要，常用的分析测定方法有差热分析、X射线衍射分析、红外光谱、电子探针与扫描电子显微镜等。 （2）碳酸岩盐矿物：煤中常见的有方解石，菱铁矿和铁白云石。 （3）硫化物：煤中最常见的硫化物主要是黄铁矿，有时还可见白铁矿、方铅矿、闪锌矿和黄铜矿。 （4）氧化物和氢氧化物：最常见的氧化物是石英，有时可见玉髓、蛋白石、赤铁矿和磁铁矿，氢氧化物有褐铁矿、硬水铝石等。 （5）盐类：煤中有时还含有少量的氯化物、磷酸盐、硫酸盐和硝酸盐。 （6）重矿物和痕量元素：煤中有时可发现少量的重矿物，如锆石、电气石、石榴子石、金红石和橄榄石；痕量元素较多，如Ag、As、B、Na、Ge、Ga、Mn、V、U、Ti、Sr、Ni、P、Mo等。 2、煤储层的液相组成 煤中的液相是指存在于煤中的水，存在于煤孔隙—裂隙中，可分为结合水和自由水两大类（图2-4示）： （1）结合水是处于煤颗粒表面水膜中的水，受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，按结合程度强弱可分为强结合水和弱结合水，强结合水又称吸着水，在静电引力和氢键连接力作用下，水分子牢固地吸附于煤颗粒表面，其密度常大于1g/cm3，常出现过冷现象，温度降低到0℃以下亦不发生冻结；弱结合水是距煤颗粒表面较远地方的结合水，又称薄膜水，在强结合水的外层，由于受到的引力降低，水分子排列不如强结合水紧密，可从较厚水膜或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，亦可从一个颗粒迁移到另一个颗粒，与重力无关。 （2）自由水，又叫非结合水，距煤颗粒表面较远，几乎不受或者完全不受煤颗粒表面静电引力的影响，主要受重力控制，一般来说，煤储层的裂隙-孔隙越发育，自由水的含量就越高，可以分为毛细水和重力水两种不同类型，毛细水不仅受到重力的作用，还受到表面张力的影响，能沿着煤中的孔隙-裂隙从潜水面上升到一定的高度；重力水能在重力或者压差作用下发生渗流。 图 2-4 煤中水的存在形式 3、煤储层气态物质组成