建筑与发展 ・评论・规划・鉴赏 Ｐｉｎｇｌｕｎｇ ｇｕｉｈｕａ ｌ｜ａｎｓｈｏｎｇ ９２・ ＪｉａｎＺｈｕＹｕ ＦａＺｈｏｎ 煤层及其围岩中煤层气储集层的孔隙特征 杨怡娜 云南煤层气资源勘查开发有限公司 【摘要】煤层气储集层即煤层本身，它是一种双孔隙岩石，由基质孔隙和裂隙组成，二者对煤层气赋存、运移和产出起决定作用 【关键词】煤层气；基质孔隙；裂隙 １煤中裂隙研究概况 地质现象，提供了定量表达的理论基础．断裂、岩石节理的分形特征研 煤层既是煤层气的源岩，又是其储层．作为储层，它有着与常规 天然储层明显不同的特征．最重要的区别在于煤储层是一种双孔隙岩 石，由基质孔隙和裂隙组成，二者对煤层气的赋存、运移和产出起不 同作用．因此系统研究和正确认识煤中的孔隙，对煤层气的勘探开发 究，已有文献报导．但煤中裂隙的分形描述很少有人涉足，特别是分形 量测结果的应用几乎处于空白。 ２爆中孔隙的分类与戚因 作为煤层气储集层的煤层是一种双孔隙岩石，由基质孔隙和裂隙 组成．所谓裂隙是指煤中自然形成的裂缝．由这些裂缝围限的基质块内 的微孔隙称基质孔隙．裂隙对煤层气的运移和产出起决定作用，基质孔 隙主要影响煤层气的赋存。 ２．１基质孔隙的分类 基质孔隙可定义为煤的基质块体单元中未被固态物质充填的空间， 由孔隙和通道组成．一般将较大空间称孔隙，其间连通的狭窄部分称通 道。基质孔隙可根据成因和大小进行分类．按成因可将孔隙区分为气 至关重要．从人们认识到煤中裂隙的存在，至今已有百余年．在这一漫 长的历史进程中，煤中裂隙的研究逐渐分化为两个领域：煤田地质学 领域和煤层气领域．这两个领域因研究的出发点和目的不同而各具特 色． 我国“八五”涉足煤层气研究领域后，煤中裂隙的研究普遍受到 了重视，有关成果已通过各种途径展示出来，如苏现波、王树华等。 分形几何学的诞生，为许多无序的、无法用其它数学理论定量描述的 或者导线和横担间的气息放电，从而出现跳闸事故。因此鸟害是高压 输电线路日常维护工作中的重点内容之一。首先要按照线路的实际情 况、鸟害发生的历史情况针对区段进行划分，将其分为重点预防区段 及一般预防区段。然后按照区段的性质，结合防鸟害的经验进行防鸟 措施。例如乌害比较严重的区段可以采用防鸟板与防乌刺的混合方案 而一般区段则在杆塔的横担上设置防鸟刺即可。此外，在日常的线路 巡查过程中，针对防鸟刺的预防范围要及时检查，保证防鸟刺的数量、 期巡视，增加特巡次数；②及时补装失窃的塔材、螺栓、ＮＵＴ线夹等 器材；③对砼杆拉线的地面部分做混凝土防护套④铁塔的基础到塔身 ８米段加装防盗螺栓；⑤加强电力设施保护的宣传；⑥建立健全群众护 线制度，聘用了群众护线员；⑦及时与当地执法部门取得联系，及时 报告情况，对恶劣的盗窃行为进行了侦破。尽管我们落实了大量的防 盗措施，但线路器材的盗窃现象依然存在，如何做好防盗工作仍然是 我们今后线路运行维护的重点和难点。 ２．７防范天气灾害。各高压线路架设在山区原野之中，跨越荒山、 牢固性以及广泛性。尤其是在春、秋季的检修工作结束后，要将防乌 的相关设备及时恢复，避免出现由于设备安装不牢出现运行后坠落造 成线路短路的问题，以及由于防鸟设备的布置不当使其实用性大大降 低。 河谷，必然会受到洪水影响，汛期前应落实好防洪措施。①对处于山 谷中、河床中、河滩、山坡、洪水流泄通道及可能受到洪水冲刷的杆 塔基础应提前制定防护措施，并在雨季到来之前实施完毕，保证护坡、 护墙、护墩等基础保护设施不受冲刷损毁。②处于沟渠河弯边畔、小 型水库下游的杆塔，主要应采取加护基础的措施。⑧高压输电线路的 走向设计要注重其科学性，输电线路的路径要尽量避开林区或者高山 风口。冬天由于高山风口的地理位置比较特殊，气温很低，风也比较 大，所以容易在导线上形成积冰，并且覆冰厚度与普通的地段相比也 比较厚，所以相对而言是输电线路较薄弱的地带。④在高压输电线路 中采用防止电网覆冰技术措施，现有的技术措施包括过电流融冰技术、 ２．５及时掌握线路沿线情况，密切关注沿线变化。城市规划、工业 区建设、湿地保护以及植树造林等工程，使地区的环境有了非常大的 变化。在社会经济发展的同时也给电力线路的运行维护带来新的困难， 突出表现在新污染源的增加，给线路外绝缘防污闪工作带来压力：线 路走廊与建筑物、树木之间的空间矛盾日益加剧：围堰、挖湖工程给 线路安全运行带来潜在隐患并造成检修工作的被动。多年来，我们认 真开展绝缘子表面的严密测量工作，结合运行情况、绝缘配置以及雨 雪天气的特殊巡视，基本准确的划分了线路污秽地段。对重污秽区域 进行了直线杆塔绝缘串更换为硅橡胶绝缘子、耐张杆塔瓷质绝缘子喷 涂防污涂料的工作。由于我们较好的落实了防污闪措施，主网线路近 热力融冰技术以及短路融冰等。短路融冰技术则有三相短路融冰技术， 其不带负荷：导线对导线两项短路融冰技术：导线对地线的单相短路 融冰技术；还有传统的带负荷的融冰技术；利用介质损耗和短路电磁 年没有发生因绝缘脏污造成闪络的事故。但是，有三个问题应引起足 够重视，一是继续落实好各项防污措施，特别要防止冰点气温时的降 水过程造成线路绝缘闪络事故二是用户设备的异常闪络给主网带来很 大冲击，应督促用户做好设备的日常维护工作；三是砌 涂料的喷涂 由人工操作，薄厚标准不易把握，检测缺乏有效手段，全凭操作人员 的工艺水平，涂层薄厚不均匀会影响到防污有效期。另外，到期复涂 前的瓷瓶清洁存在一定的难度，假如清洁不彻底势必会减弱复涂后的 抗污闪能力。 ２．６线路防盗及防盗措施。近年来盗窃分子对电力设备、器材的偷 力除冰等。在持续一段时间的低温天气后，要对气象预报进行密切的 关注，资料收集前应事先做好相应预防措施：针对性地采取特殊巡视， 发现线路存在覆冰征兆，应采取立即的除冰措施，如必要时，应申请 线路停电来实施除冰。在覆冰的重点线段，应在灾害尚未扩大前对输 电线路猫头塔型的颈部开展相应的弱点补强措施，此外，还应做好架 空地线的预先拆除施工方案，对存在严重覆冰地区的架空地线进行拆 除，从而避免线路碰撞出现短路。 ３总结 盗行为十分猖獗，其危害性很大。架空电力线路的导线、塔材、螺栓、 砼杆拉线、接地钢筋等设施频繁遭到破坏，不仅增加了线路维护中人、 财、物的投人，还直接危及到线路的安全运行。为防止人为故意破坏， 我们对易发生偷盗的线路或区段采取了如下措施：①认真做好线路定 综上所述，随着时代的不断发展，人们生活质量越来越高，高 压输电线路越来越受到人们的关注，高压输电线路的质量不仅关系着 人们用电的质量，更关系着人们的生命安全。因此，如何对高压输电 线路进行日常维护，维护哪些部位，是当前工作人员应当考虑的问 题。 评论・规划・鉴赏 Ｐｉｎｇｌｕｎｇ ｇｕｌｈｕａ ｉｉａｎｓｈａｎｇ 建筑与发展 ＪｉａｎＺｈｕ Ｙｕ ＦａＺｈａｎ ・９３・ 孔、残留植物组织孔、溶蚀孔、晶间孔、原生粒间孔等．各类孔隙的具 体特征在其它文献中已有论述，这里不再重复．可按多孔介质孔隙大小 进行的分类虽有多种方案．但因研究对象、目的不同而有所差别。其中 Ｇｉｉｆｓｈ等人的分类是依据煤的等温吸附特性进行的，并得到国际理论与 应用化合会的认可．霍多特的分类是依工业吸附剂研究提出的，认 理）和次内生裂隙（端割理）．主内生裂隙延伸较远（可达数ｍ）；次 内生裂隙仅发育在两条相邻的内生裂隙之间．两组内生裂隙与煤层层 面垂直或陡角相交，从而把煤体切割成一系列的斜方形基质块．煤中 内生裂隙与煤岩组分和煤化程度密切相关．一般只发育在镜煤和亮煤 分层中，不切穿上下分层，裂隙面平坦，无擦痕．中变质阶段的煤内 为微孑Ｌ构成煤的吸附容积，小孔构成煤层气毛细凝结和扩散区域，中 孔构成煤层气缓慢层流渗透区域，而大孔则构成剧烈层流渗透区域， 这是目前煤层气领域普遍采用的方案． ２．２基质孔隙的影响因素 ２．２．Ｉ煤化程度煤的基质孔隙特征与煤化程度有着密切关系．随 煤化程度升高，基质孔隙的总孔容、孔面积和孔径分布出现有规律的 变化．在Ｒｏｍａｘ＜１．５％时，该阶段内随煤化程度升高，总孔容、孔面积 和各级孔隙体积均急剧下降，尤其是大中孔隙体积减小更为迅速．在 生裂隙最发育，每５ｃｍ达４Ｏ ６０条，而低变质烟煤和高变质无烟煤 阶段逐渐减少．不同变质阶段、不同煤岩组成的煤，具不同的力学性 质，内生裂隙的发育程度自然不同．关于内生裂隙的成因有不同的认 识，一般认为是煤中凝胶化物质在煤化作用过程中受温度、压力的影 响，内部结构变化，体积收缩，引起内张力而形成的．这一观点以内 生裂隙多集中在凝胶化组分为主的分层中为佐证．另有一些资料表明， 主内生裂隙的走向与褶皱轴向垂直，显然是构造应力作用所致．实际 上凝胶化组分是内生裂隙形成的物质基础，它在整个演化过程中必定 Ｒｏｍａ．ｘ＝Ｉ．０％５．Ｏ％时变动较大，可能是煤中内生裂隙发育的影响．在 Ｒｏｍａｘ＝１．５％５．０％时，该区间内小孔体积和微孔体积随Ｒｏｍａｘ增高而 增大．在Ｒｏｍａｘ＝５．Ｏ％时形成第２高峰，但大、中孔的关系体积仍持续下 降．在Ｒｏｍａｘ＞５．０％时，小孔、微孑Ｌ面积、孔面积又开始下降，大、中 孔体积持续缓慢下降。煤的基质孔隙结构特征的变化，是煤在温度、 压力作用下长时间内部结构物理化学变化的结果。因此，其变化与煤 化作用跃变有着良好的对应关系．这种现象可从煤在外部因素作用下， 内部分子结构重组变化的角度来解释。 ２．２．２显微组分的影响不同的显微组分含不同级别的孔隙．如镜质 组中的基质镜质体和均质镜质体，多含一些小孔或微孔．对残留植物组 织孑Ｌ而言多属中大孔，如丝质体． ２．２．３矿物含量的影响 对煤的孔隙的影响有两方面：一是它充填了一部分大中孔隙，使 孔隙总孑Ｌ容下降；另一方面是矿物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，但矿物对煤层气的吸附能力远低于煤．虽然 矿物含量高，内部可能含许多孔隙，但总体是不利于煤层气吸附储存 的．研究表明，随矿物含量增高，煤的孔隙度逐渐降低，特别是大中孔 隙的减少更为迅速． ２．２．４断裂的影响断裂可使煤的孔隙度增加．距断裂越近，大中孔 隙体积和总孑Ｌ容值越大，而小孑Ｌ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． ２．３基质孔隙的研究方法 煤中裂隙的研究是以采集裂隙参数为途径，以认识裂隙的类型、 空间分布规律和形成机制为目的的．裂隙参数包括张开度、长度、高 度、产状、充填特征、裂隙密度及空间组合特征等．这些参数可通过野 外井下煤壁或岩芯的直接观测和室内光学显微镜或扫描电镜的观测实 现． ２．３．Ｉ形貌观测基质孔隙的形貌特征可以在光学显微镜和电子显微 镜（ＴＥＭ或ＳＥＭ）下观测．这种观测不仅能确定孔隙形态、大小和联通 性，更重要的是确定其成因类型以及它们与裂隙的关系． ２．３．２压汞法 ’ 煤的基质孑Ｌ隙定量研究方法很多，这里只简要介绍压汞法．压 汞法是根据毛细管现象而设计的，由描述这一现象的Ｌａｐｌａｃｅ方程表 示．该原理认为，接触角大于９０。的水银在无外界压力的条件下是不 能自动进入煤基质孔隙中的，利用外加压力克服水银表面张力带来的 阻力，就可建立充满一定孔隙所需压力和孔径大小间的函数关系，即 Ｌａｐｌａｃｅ方程．由压汞实验中得出的孔径与压力的关系曲线称压汞曲线 或毛细管压力曲线．压汞法进行储层孔隙度评价时常采用以下几个参 数：排驱压力；各级别孔径的孔隙含量；饱和度中值压力；束缚孔隙 度． ３曩隙的分类与成因 按形态和成因，煤中裂隙可分为３类：主内生裂隙、外生裂隙、 继承性裂隙。 ３．１内生裂隙（割理） 煤中有两组大致相互垂直的内生裂隙，名为主内生裂隙（面割 留下古构造应力场的记录．也就是说凝胶化物质体积收缩引起的内张 力的方向，与它所受的古构造应力场的张力方向大体一致．同时凝胶 化组分脆性强，中变质阶段最强，因此镜煤或亮煤分层便成为构造应 力优先破坏的对象．灰分、稳定组分、惰性组分含量较高的暗煤分层， 因韧性和强度大，在应力的作用下不易破裂．可见内生裂隙的形成不 仅是由煤的力学性质这一内在因素决定的，而且受凝胶化物质体积收 缩产生的内张力作用和构造应力作用，但这种构造应力要比形成外生 裂隙的应力弱得多． ３．２外生裂隙 外生裂隙是指煤层在较强的构造应力下产生的裂隙．按成因可 分为３种：剪性外生裂隙、张性外生裂隙和劈理．剪性外生裂隙与 煤层面以各种角度相交可出现在煤层任何部分，裂隙凹凸不平，且 有滑动痕迹，多呈羽毛状、波状，裂隙间距较宽，常两组或多组并 存．张性外生裂隙与岩石的张节理一样，规模较小，雁行排列，煤中 少见．劈理是指煤层存在层间滑动时，形成的一系列波状的相互平行 的裂隙．外生裂隙的成因与岩石节理的成因相近，剪性和张性外生裂 隙是煤脆性形变阶段的产物．从煤中以剪性外生裂隙为主、张性外生 裂隙少见这一现象分析知，它可能与煤的力学性质有关．因煤体的强 度远远低于岩石，且脆性强，在外部应力作用下，以剪性外生裂隙的 形成、使煤体遭到破坏来消减构造应力，很难形成对应的张应力．劈 理是岩石塑性形变阶段的产物．煤中的劈理与岩石一样，是塑性滑动 的结果，常与煤层小褶皱伴生．煤层以其特有的力学性质，在含煤岩 系中最易成为滑动面．煤层内各分层因其煤岩组成不同，力学性质也 不尽相同，滑动面优先选择的是软分层．因此，煤中可同时出现多个 滑动面，滑动面之间可出现劈理．对岩石而言，劈理是在较高的温度、 压力和强烈的构造应力作用下形成的．但对煤层而言，其力学性质决 定了它在远远低于岩石所受的温度、压力和构造应力的条件下就可发 生塑性变形，从而形成劈理． ３－３继承性裂隙 继承性裂隙兼其内生裂隙和外生裂隙的双重性质，属过渡类型．如 果内生裂隙形成前后的构造应力场方向不变，早先的内生裂隙就会进 一步强化，表现为部分内生裂隙由其发育的煤分层向相邻分层延伸扩 展，但方向保持不变，这部隙就称为继承性裂隙． 参考文献： 【１】煤中裂隙——裸眼洞穴法完井的前提．苏现波．潘结南．薛培 刚．焦作工学院学报．１９９８年第０３期． ［２］煤中裂隙脉的形成机理．华四良．苏现波．煤田地质与勘探．２００４ 年第０３期． 【３】和顺地区煤储层裂隙系统评价与渗透率预测研究．张虹．胥菊 珍．杨宏斌．王瑞霞．何子江．煤田地质与勘探．２００２年第ｏ４期． ［４】煤储层裂隙研究方法辩析．李小彦．煤田地质与勘探．１９９８年第 Ｓ１期． ［５］煤储层裂隙形成机理及其研究意义．王生维．张明．庄小丽．地球 科学．１９９６年第０６期．
