总第１９９期 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２７９８．２０１６．０３．０１９ 煤储层裂隙研究方法和技术 郭文水，和丽娜 （山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西沁水０４８２０４） 摘要：煤既是生成煤层气的源岩，又是其储集岩，煤中裂隙是煤层气扩散运移的通道，其发育程度直接影 响煤层气的聚集及煤层气开发的成功与否，也是后期增产作业施工的重要考虑因素。文章主要探讨了煤 储层裂隙的分类、裂隙发育影响因素、评价技术及裂隙描述方法等内容。对煤储层裂隙全面深入的研究有 利于煤层气的有效开发及井下瓦斯治理，对地下安全采煤具有直接的经济效益及安全效益。 关键词：煤层气；煤岩；裂隙；割理 中图分类号：ＴＥ３７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００５－２７９８（２０１６）０３·００４２—０５ 煤作为一种有机岩，与常规天然气储层相比具 国煤田地质学》，分内生裂隙和外生裂隙，并在我国煤 有一些不同的特性：煤既是生成煤层气的源岩，又是 田地质领域使用多年；而“割理”一词源于美国，主要指 其储集岩。裂隙几乎在所有的煤层中都存在，是煤 煤化作用过程中形成的内生裂隙。目前，我国对裂隙 层气体扩散运移的通道。煤层气从煤体内表面解吸 的认识尚无一致意见，不同学者根据不同的研究目的， 扩散出来，经过裂隙渗流，才能产出。因此，裂隙系 建立了不同的分类方案。文章主要从裂隙规模及成因 统的发育影响煤储层的渗透性，从而影响煤层气的 两个方面介绍对裂隙的认识。 开发。煤储层裂隙研究始于１９世纪初，其研究成果 １．１裂隙规模分类 为有效的煤层气勘探开发方案设计提供了重要依 裂隙规模分类中傅雪海建立的分类方案比较详 据。对地下煤安全开采具有重大意义，因此目前越来 细地描述了各级裂隙的划分标准及产状和形态特征。 越受到地质学家的关注。 傅雪海等（２００１）在研究沁水盆地中南部煤储层时，根 １裂隙系统认识及分类 据裂隙大小和形态特征将裂隙分为大裂隙、中裂隙、 小裂隙和微裂隙（内生裂隙）四级［１］，具体见表１。 “裂隙”一词引自苏联，最早出现于杨起（１９７９）《中 表１ 研究区裂隙级别划分及分布特征 裂隙级别 高度 长度 密度 切割性 裂隙形态特征 大裂隙０．５～数米 数十一数百米 数条／ｍ 切割整个煤层甚至顶底板 裂隙蜜度数塞米到数厘米，发育一组，断面平直，有煤粉，与 煤层层理面斜交 切穿几个煤自然分层或几个 中裂隙０．０５ ０．５ ｍ 数米 数十条／ｍ 宏观煤岩类型分层（包括夹 常发育一组，局部两组，断面 矸） 平直或呈锯齿状，有煤粉 切穿一个煤自然分层或几个 小裂隙 数毫米～数厘米数厘米 １ ｍ数十～２００条／ｍ 宏观煤岩类型分层，一般垂直 普遍发育两组。面裂隙较端裂 或近垂直于层理分布（包括夹 隙发育，断面平直 矸） 局限于一个宏观煤岩类型或 微裂隙（内生裂隙）数毫米 数厘米～数十厘米２００～５００条／ｍ 几个煤岩成分分层（镜煤、亮 发育两组以上，方向较为零乱 煤）中．垂直于层理面 １．２裂隙成因分类 单一煤层，或由某种特定煤岩类型组成的地层中，不 文章也是在苏现波分类基础上，介绍裂隙的成 切割与煤层相接的碎屑沉积相，在煤层中的暗煤条 因划分。苏现波等（１９９６）根据裂隙形态及成因将 带或夹矸底面终止＿３］。较发育的一组为面割理，连 煤中裂隙分为三类［２ （图１）。 续性好，延伸较远；另外一组为端割理，不连续且延 １．２．１ 割理（内生裂隙） 伸短。发育于面割理之间；二者共同构成了煤储层的 煤中割理常形成于亮煤张性裂隙中，被在 割理系统。两组割理与层理面正交或以陡角相交， 收稿日期：２０１５－０５．１５ 作者简介：郭文水（１９７４一），男，山西晋城人，助理工程师，从事煤层气管理工作。 ４２ ２０１６耳３厦 郭文水等：煤储层裂隙研究方法和技术 第２５卷第３期 的特点Ｅ 。在深成变质的基础上，叠加岩浆热变质 作用，可使煤中内生裂隙进一步发展，突破煤岩成分 的，增加煤储层的渗透性。 割理密度从褐煤到中挥发性烟煤逐渐增加，之 后随煤级的增加而逐渐减小。割理密度随煤级增加 呈偏正态分布。图４是苏现波等研究河南省下二叠 表３中统计数据可以看出，镜煤厚度越大，裂隙密度 越小。 ４０ 。ｏ ｉ ｝ ２Ｏ 统山西组二 煤煤层气储层时的研究结果，如图４ 所示．不同变质阶段煤的割理密度不同，在中变质阶 段割理最发育，向低和高变质阶段逐渐减少ｌ１ 。 ２．３载体厚度 悔 ｌＯ 旧 ＼ ＼ ＼ 气肥焦瘦贫无天然焦 通过王生维等（１９９６）的研究表明，煤级相同时， 载体厚度与内生裂隙缝间距呈反相关关系 １ 。从 图４河南省下二叠统山西组二 煤面割理与煤级的关系 表３镜煤中内生裂隙线密度与亮煤厚度关系（据王生维等，１９９６） ２．４煤相 物热流体，一方面可充填裂隙，另一方面其携带的大 量热能又可促使煤中裂隙充分发育，正反两方面作 煤相是指煤的成因类型，成煤过程中，成煤环境 发生变化，成煤物质会有所差异；即使相同的成煤植 物，在泥炭化过程中因泥炭沼泽环境的差异也会使 煤的最终物质组成有所不同，导致煤的宏观煤岩成 分和煤岩类型明显不同，从而控制内生裂隙发育的 程度。 ２．５煤层结构 夹矸对煤储层中大裂隙的发育有重要影响。夹 矸中裂隙密度与岩性和厚度有关，在薄层泥岩中较 为发育，在砂岩和粉砂岩中一般不甚发育。若煤层 中的夹矸比例大于１０％，或单层厚度大于１５ ｃｍ，则 其内部气胀节理通常发育不佳或不发育＿ｌ 。煤层 中的夹矸常对上下煤层分层问的裂隙系统造成十分 明显的分隔。 ２．６构造作用 用的结果往往是使煤中的裂隙系统得以充分发育。 此外，伴随着岩浆挥发物和次生挥发物的侵人，常在 接近岩体的煤层底板或煤层的裂隙中形成热液方解 石脉：含有无机沉积物的地下水充填煤储层裂隙的 现象最为普遍，可分为裂缝全充填和仅沉积于裂隙 面两种类型。裂隙面上的薄膜沉积有铁质和钙质， 其附着力远大于全充填的方解石脉。方解石脉大多 充填在外生裂隙发育地带或邻近。 ３裂隙评价技术 煤储层裂隙评价可包括宏观规模和微观规模两 个方面，所用的方法手段包括野外露头、岩心的观察 及借助地球物理、显微技术等进行的评价。下面从 野外和室内两方面介绍目前主要的评价技术及评价 参数。 ３．１野外评价技术 裂隙的野外评价主要是借助地球物理手段进行。 主要的地震方法有：３一Ｄ ＡＶＯ（地震振幅随炮 检距变化）方法，是根据裂隙发育程度不同，介质泊 松比会有所差异导致地震数据测量值发生变化，从 而确定裂隙密度变化的空间位置。Ｐ波方位各向异 性方法是依据偏移距固定时，反射Ｐ波振幅Ａ和 构造作用主要对外生裂隙有影响，对内生裂隙 的作用仅见于局部地段和层位。在张性小断层附 近，内生裂隙的空隙度明显增大。构造作用对煤外 生裂隙的影响与其他机械强度低的脆性岩石基本类 似：外生裂隙面的力学性质与其所处构造部位的应 力状态一致，与褶皱和断裂密切相关；外生裂隙面以 张剪性和压剪性最为常见。 ２．７地下流体作用 地下流体可以改造煤储层中的裂隙系统，同时 也会充填裂隙。地下流体对裂隙系统的影响主要包 括以下三个方面：煤化作用过程中产生少量新生组 分，这些富氢组分常充填微裂隙；由岩浆携带的挥发 ４４ ｃｏｓ２ 为近似线性关系（ 是源探测器相对裂隙走 向的方位角）ｎ引，据此可以理论上反推煤层裂隙的 方向及密度。 常用的地球物理测井中，常规双侧向测井可用 ２０１６耳３月 郭文水等：煤储层裂隙研究方法和技术 第２５卷第３期 于计算裂隙孔隙度：阵列侧向测井具有较高的纵向 分辨率，可以反映裂隙产状及裂隙密度；地层显微扫 描技术用地层显微扫描器记录井壁周围微电阻率的 变化，能准确测定裂隙的方位；高精度声波扫描成像 测井技术可同时显示声波幅度图像和声波时差图 像。两种图像综合分析。可以获得裂缝的产状、开度 及充填物性质等信息。 ３．２室内评价技术 室内研究主要是借助显微扫描仪器、计算机成 像系统及实验手段进行裂隙的研究。主要有ｘ射 线ｃＴ分析。它是依据ｘ射线通过不同组分物体时 发生不同程度的衰减，经过旋转扫描重构物体内部 构造的技术。此外，可以用微焦计算机层析成像 （ ｃＴ）方法对天然裂隙进行量化；通过减小ｘ射线 源来提高图像分辨率，从而重建样品内部微构造。 并且，通过改进实施双能量扫描的方法，可去除人为 因素导致的射线硬化＿１ 。 光片分析是在大气压条件下使用人射光显微镜 和计算机图像分析系统．了解亚宏观到微观尺度的 细节；ＳＥＭ（扫描电镜）可用来分析割理表面的形 态．研究割理的充填情况．及主要的充填矿物种 类 。 Ｗｏｏｄ金属注入法和混相驱动法用来研究煤的有 效裂隙度。它们是通过液态流体注入岩心，根据注入 流体质量及密度进而求得有效裂隙度。另外，还可将 Ｗｏｏｄ金属注入法融合Ｘ射线计算机层析成像及图 像分析．追踪裂隙延伸，从而成像和量化裂隙分 布 。 ４裂隙描述 裂隙描述是储层评价的重要内容，并且为煤层 应力分析及工程作业提供重要参考。近年裂隙分形 描述取得一定进展．它使不同规模裂隙预测成为可 能．也为进一步建立煤储层模型提供依据。 ４．１裂隙描述内容 裂隙描述的内容根据实际需要描述重点有所不 同，但基本内容包括以下几个方面：裂隙展布方向、 组合关系、几何形态、充填情况等，它们影响了煤储 层裂隙的连通情况及渗透性。 在区域构造不甚复杂、煤岩组成相对简单的情 况下，煤中裂隙常见有两组，延伸远、切割深、密度大 和发育较好的一组为主裂隙；另外一组为次裂隙。 主裂隙展布方向指示渗透优势方向。这两组裂隙可 交切成规则网状、梯形、阶梯状和羽状等。网状裂隙 多发生在背斜、褶皱两翼和镜煤亮煤分层中，裂隙面 平直光滑，连通性好；向斜、压性断裂带和丝炭暗煤 分层，裂隙发育差，呈单平行状分布．如果煤体的非 均质性强，裂隙表现为粗短、弯曲、粗糙、连通性差。 裂隙的组合关系可以反映煤储层的空间连通性能。 裂隙几何形态主要指裂隙的长、宽、高及裂隙的 密度和间距等。裂隙长宽高之积为裂隙体积。裂隙 密度常用的是线密度，也有的学者使用面密度，宏观 观测单位采用条每米，微观观测用条每厘米。裂缝 间距指相邻两条裂缝的垂直距离。 裂隙是否被充填将影响煤储层的空间连通情 况，进而影响渗透率。煤储层中的流体在一定条件 下可充填裂隙，影响裂隙开放率，造成储层伤害。常 见裂隙充填有：煤化作用过程中产生的富氢组分充 填微裂隙：岩浆热液携带的热能导致煤中产生次生 沥青质体，充填内生裂隙，另一方面，它所携带的挥 发物和次生挥发物的侵入，在煤层裂隙中常形成热 液方解石脉；对煤储层伤害最严重也最普遍的是含 无机沉积物的地下水，一方面会在裂隙面上形成铁 质和钙质薄膜沉积，另一方面在外生节理发育地带 或附近，常形成方解石脉全充填。 ４．２裂隙分形描述 分形几何学是１９７５年Ｍａｎｄｅｌｂｏ￣创立的一门 数学分支学科。分形理论是用来研究复杂现象或结 构中的有序性或统计规律性。分形研究的对象存在 着随尺度而不变的不变量。分形理论认为。自然界 的很多不规则事物都具有自相似的“层次”结构．即 结构或现象在不同尺度规模表现出相同的特征．因 此，它成为定量描述不规则形体的有力工具。 地质现象中局部和整体的白相似性并不是完全 一一对应和在任何尺度上都成立．它只有在某些特 定的尺度范围以统计规律成立，这个尺度范围被称 为“无标度区”。因此。在实际问题中考察一个事物 是否具有分形特征，只要检测该事物是否存在无标 度区即可。检测无标度区的方法如下：以尺度ｒ把 事物分成Ⅳ个相似部分，对变化的ｒ画出ｌｎｒ～ＩｎＮ 曲线，然后检查曲线上是否有明显的直线段，直线段 对应的ｒ区域即为无标度区¨ 。 在裂隙研究中，分形理论可应用于获得煤中裂隙 发育程度和裂隙分布的近似定量信息。苏现波等＿１ ］ （１９９８）在研究平顶山五矿裂隙发育特征时，论述了煤 中裂隙分形维测量方法，通过二维盒维数法的计算． 确定出煤中裂隙密度具有分形特征。煤中裂隙的分 形描述还可以反映裂隙发育的情况。分维数越大．裂 隙越发育，分布越不均匀。傅雪海等［１。 （２００１）对煤 中宏观裂隙至微观裂隙面密度进行了分形维数计算． 指出在裂隙的一定长度范围内，裂隙存在分形特征。 张春雷等（２０００）统计镜下裂隙密度，通过分维数的方 ４５ ２０１６年３月 郭文水等：煤储层裂隙研究方法和技术 第２５卷第３期 法详细研究了裂隙在不同厚度镜煤条带、不同上下相 邻煤岩条带类型、不同煤岩结构中的裂隙分布特 征 。而裂隙其他属性的分形特征仍需进一步考 证。 ［８］姚艳斌，刘大锰，汤达祯，等．沁水盆地煤储层微裂隙 发育的煤岩学控制机理［Ｊ］．中国矿业大学学报， ２０１０，３９（１）：６—１３． ［９］徐仲官．浅谈煤中的裂隙［Ｊ］．煤炭技术，２００４，２３（５）： ９０． ５结语 ［１０］苏现波，盛建海．河南省下二叠统山西组二。煤煤层 气储层描述［Ｊ］．焦作工学院学报，１９９９，１８（１）：２０— 煤储层裂隙系统影响煤层气的开采及局部和区 域内烃类及水的渗流，同时裂隙演化也影响煤基质 力学性质，因此，煤储层裂隙研究对煤层气的勘探开 ２６． ［１１］ 王生维，张 明，庄小丽．煤储层裂隙形成机理及研 究意义——地球科学［Ｊ］．中国地质大学学报，９９６， ２１（６）：６３７—６４０． 发具有重要意义。虽然目前对裂隙的名称使用及认 识尚不统一，测试方法技术仍需继续改进，但相信煤 层气资源优势的逐渐显现，会极大地推动技术进步， ［１２］王生维，陈钟惠，张明，等．煤相分析在煤储层评价 中的应用［Ｊ］．高校地质学报，２００３，９（３）：３９６—４０１． ［１３］ＤＯＮＧ Ｓｈｏｕ—ｈｕａ，ＹＵＥ Ｊｉａｎ—ｈｕａ，ＺＨＡＮＧ Ｆｅｎ—ＸＵ— ａｎ．Ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ Ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｓｅａｍｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ａｚｉ— ｍｕｔｈａｌ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｆｒｏｍ Ｐ——Ｗａｖｅ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｄａｔａ Ｃｈｉｎａ Ｕ·· 从而促进对煤储层裂隙的深入认识，推动煤储层模 型的建立，从而最终为生产实践提供有效的指导。 参考文献： ［１］傅雪海，秦勇，李贵中．沁水盆地中一南部煤储层渗 ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｘｕｚｈｏｕ Ｃｉｔｙ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ：Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈ— ｎｏｌｏｇｙ，２００７，１７（１）：００１１—００１４． 透率主控因素分析［Ｊ］．煤田地质与勘探，２００１，２９ （３）：１６—１９． ［１４］ Ｋ．Ｒｅｍｅｙｓｅｎ，Ｒ．Ｓｗｅｎｎｅｎ．Ｂｅａｍ Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ Ａｒｔｉｆａｃｔ Ｒｅ— ｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｆｏｃｕｓ Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ ｉｍ— ［２］苏现波，吴贤涛．煤的裂隙与煤层气储层评价［Ｊ］．中 国煤层气，１９９６（２）：８８—９０． ｐｒｏｖｅｄ Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｃｏａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌａ Ｇｅｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ Ｎｅｔｈｅｌｒａｎｄｓ， ２００６（６７）：１０１—１１１． ［３］ Ｓ．Ｅ．Ｌａｕｂａｅｈ，Ｒ．Ａ．Ｍａｒｒｅｔｔ，Ｊ．Ｅ．Ｏｌｓｏｎ，Ａ．Ｒ．Ｓｃｏｔｔ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｏｒｉｇｉｎｓ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｃｌｅａｔ：Ａ Ｒｅｖｉｅｗ Ｉｎ— ［１５］ Ｃ．Ｄ．Ｍｏｎｔｅｍａｇｎｏ，Ｌ．Ｊ．Ｐｙｒａｋ—Ｎｏｌｔｅ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｖｅｒｓｕｓ Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｒａｃｔｕｒｅｓ：Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｇｅｏｍ— ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ， Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，１９９８（３５）：１７５—２０７． ｅｔｒｙ ｗｉｔｈ Ｘ—ｒａｙ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｅａｒｔｈ（Ａ） ［４］ Ｇ．Ｋ．Ｗ．Ｄａｗｓｏｎ，Ｊ．Ｓ．Ｅｓｔｅｒｌｅ．Ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｏｎ Ｃｏａｌ Ｃｌｅａｔ Ｓｐａｃｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ａｍ－ ｓｔｅｒｄａｍ Ｎｅｔｈｅｌｒａｎｄｓ，２０１０（８２）：２１３—２１８． ［Ｊ］．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，１９９９，２４（７）：５７５—５７９． ［１６］ 傅雪海，秦勇，薛秀谦．分形理论在煤储层物性研 究中的应用［Ｊ］．煤，２０００，９（４）：１—３． ［１７］ 苏现波，汤友谊，申 江，等．平顶山五矿己。 煤储 层裂隙分形特征及其研究意义［Ｊ］．煤田地质与勘 探，１９９８，２６（３）：２８—３０． ［５］ Ｗｉｌｆｉｒｄｏ Ｓｏｌａｎｏ—Ａｃｏｓｔａ，Ｍａｉｆａ Ｍａｓｔａｌｅｒｚ，Ａｒｎｄｔ Ｓｃｈｉｍ— ｍｅｌｍａｎｎ Ｃｌｅａｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｏ Ｇｅｏｌｏｇｉｃ ｌｉｎｅａ－ ｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｃｏａｌｂｅｄ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎ Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａｎ Ｃｏａｌｓ ｉｎ Ｉｎｄｉａｎａ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ ［１８］傅雪海，秦勇，薛秀谦，等．煤储层孔、裂隙系统分 ［Ｊ］．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，２００７（７２）：１８７—２０８． ［６］ Ｍｄ．Ｒａｆｉｑｕｌ Ｉｓｌａｍ，Ｄａｉｇｏｒｏ Ｈａｙａｓｈｉ ｅｏｌＧｏｇｙ ａｎｄ Ｃｏａｌ Ｂｅｄ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｏｎｄｗａｎａ Ｂａｒａｐｕｋｕｒｉａ 形研究［Ｊ］．中国矿业大学学报：自然科学版，２００１， ３０（３）：２２５—２２８． ［１９］张春雷，李太任，熊琦华．煤岩结构与煤体裂隙分布 特征的研究［Ｊ］．煤田地质与勘探，２０００，２８（５）：２６— ３０． Ｃｏａｌ Ｂａｓｉｎ，Ｄｉｎ￣ｐｕｒ，Ｂａｎｇｌａｄｅｓｈ Ｉｎｔｅｎａｔｒｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，２００８（７５）： １２７—１４３ ［７］ 李相臣，康毅力．煤层气储层微观结构特征及研究方 法进展［Ｊ］．中国煤层气，２０１０，７（２）：１３—１７． ［责任编辑：路方］
