煤層孔隙與裂隙特征研究進(jìn)展

劉世奇，王鶴，王冉，高德燚，Ashutosh Tripathy

1.中國礦業(yè)大學(xué)低碳能源研究院，江蘇徐州 221008

2.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008

3.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116

4.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116

0 引言

2019年我國煤層氣產(chǎn)量達(dá)88.8×108m3[1]，已建成沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東緣兩個煤層氣商業(yè)性開發(fā)基地。我國煤層氣勘探開發(fā)首先在以沁水盆地為代表的高煤階含煤盆地（Ro,max≥2.0%，半無煙煤和無煙煤）實(shí)現(xiàn)突破[2]，隨后以鄂爾多斯盆地東緣為代表的中煤級煤層氣（0.65%≤Ro,max<2.0%，煙煤）勘探開發(fā)取得成效[3-4]，近年，二連盆地、準(zhǔn)噶爾盆地南緣等低階煤（0.20%≤Ro,max<0.65%，褐煤和亞煙煤）煤層氣成為我國煤層氣勘探開發(fā)新的增長點(diǎn)[5-6]。隨著我國煤層氣規(guī)模性資源化開發(fā)的深入，勘探開發(fā)實(shí)踐與地質(zhì)研究的結(jié)合將更為緊密。我國煤層構(gòu)造條件復(fù)雜，滲透率總體偏低，普遍具有“低壓”、“欠飽和”的特點(diǎn)[7]，煤層氣資源條件的特殊性導(dǎo)致開發(fā)機(jī)理等基礎(chǔ)認(rèn)識不足，高效開發(fā)技術(shù)尚未突破。

煤層孔隙作為煤層氣的主要儲集場所和運(yùn)移通道，裂隙作為煤層氣產(chǎn)出的主要介質(zhì)，二者的發(fā)育特征及連通性，直接關(guān)系到煤層氣的吸附/解吸、擴(kuò)散、滲流和產(chǎn)出[8-9]。深刻認(rèn)識和理解煤層孔隙、裂隙發(fā)育特征及其連通關(guān)系，對深入認(rèn)識煤層氣儲層、探究煤層流體流動機(jī)理和滲流規(guī)律、指導(dǎo)煤層氣井增產(chǎn)措施實(shí)施和排采制度優(yōu)化具有關(guān)鍵意義[10-12]。煤層孔隙、裂隙成因類型復(fù)雜、孔徑分布范圍廣、非均質(zhì)性強(qiáng)，難以直觀、有效地獲取其連通特征[13-15]。煤層納米尺度（0.1～100 nm）孔隙、裂隙發(fā)育[13-16]，更增加了研究難度。如何直觀、有效的表征煤層多尺度孔隙、裂隙發(fā)育特征和連通關(guān)系，如何認(rèn)識和理解煤層孔隙—裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是目前煤層氣地質(zhì)學(xué)和煤層氣開發(fā)工程亟待解決的科學(xué)問題。同時，煤層氣是典型的非常規(guī)油氣資源，煤層孔隙—裂隙空間表征、孔隙與裂隙發(fā)育特征及其影響因素是非常規(guī)油氣沉積學(xué)的研究內(nèi)容，而煤層沉積特征、沉積環(huán)境、成巖作用及其對孔隙—裂隙發(fā)育特征的控制作用，是非常規(guī)油氣沉積學(xué)的重要組成部分，其研究可豐富和完善非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)理論內(nèi)涵，并為煤層氣富集高滲區(qū)發(fā)育機(jī)制研究和煤層氣開發(fā)甜點(diǎn)區(qū)與資源分布預(yù)測提供理論指導(dǎo)[17]。本文系統(tǒng)總結(jié)、梳理了前人對煤層孔隙、裂隙發(fā)育特征的研究成果，探討了煤層孔隙、裂隙發(fā)育特征的影響因素，并分析了其研究趨勢。

1 煤層孔隙、裂隙研究方法

1.1 煤層孔隙、裂隙表征方法

煤層孔隙、裂隙表征方法可歸為三類：1）（顯微）觀察法，包括肉眼觀測法（井下煤壁觀察、室內(nèi)巖芯描述）[10,12]和以光學(xué)顯微鏡（Optical Microscope，OM）[18]、環(huán)境掃描電子顯微鏡（Environment Scanning Electron Microscope，ESEM）[19-20]、場發(fā)射電子顯微鏡（Field Emission Scanning Electron Microscope，F(xiàn)ESEM）[21-22]、透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）[23-25]、原 力 顯 微 鏡（Atomic Force Microscope，AFM）[26-29]、聚焦離子束掃描電子顯微鏡（Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscopy，F(xiàn)IB-SEM）[2,30-33]、氦離子顯微鏡（HIM，即Helium Ion Microscope）[34-35]等為代表的顯微觀察法（圖1）。2）射線探測法，即利用射線散射、波傳播、正電子壽命譜等非破壞性方法探測煤孔徑分布、孔隙度、滲透率等物性參數(shù)[38-41]，包括核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）[42-44]、X射線計算機(jī)斷層掃描（X-ray Computed Tomography，X-ray CT）[44-47]、小角度X 射線散射（Small Angle X-ray Scattering，SAXS）與 中 子 小 角 散 射（Small Angle Neutron Scattering，SANS）[15,40,41,48-50]，以及微電阻率掃描成像測井（Micro-resistivity Imaging Logging，MIL）[12]等（圖1）。3）氣體吸附、流體貫入法主要包括壓汞法（Mercury Intrusion Porosimetry，MIP）和N2/CO2吸附實(shí)驗(yàn)[13-14]（圖1）。

目前，煤中孔隙、裂隙的研究主要采用OM 和SEM、MIP、N2/CO2吸附實(shí)驗(yàn)等傳統(tǒng)方法。SEM 是最常用的孔隙、裂隙和礦物表面形貌觀測方法，一般觀測尺度大于10 nm[29,51]；MIP、N2/CO2吸附實(shí)驗(yàn)常用于煤孔隙結(jié)構(gòu)的半定量表征[52-53]，如孔徑分布、比表面積、孔容、孔隙度等物性參數(shù)[41,54]。傳統(tǒng)方法以定性和半定量表征、空間二維觀測為主，難以有效解決納米尺度孔隙與裂隙發(fā)育特征、孔隙—裂隙連通關(guān)系等問題，且制樣和實(shí)驗(yàn)中往往破壞樣品，無法重復(fù)實(shí)驗(yàn)。近年，NMR、X-ray CT、FIB-SEM和HIM等新技術(shù)和新方法被應(yīng)用到煤的孔隙與裂隙研究中，使得煤中孔（或介孔，2～50 nm）和微孔（<2 nm）尺度孔隙與裂隙定量描述和孔隙—裂隙結(jié)構(gòu)三維數(shù)字巖石物理表征成為可能[44-45,55-56]。FIB-SEM 和HIM 在孔徑或裂口寬度<10 nm的孔隙、裂隙觀測方面具有優(yōu)勢，最高分辨率可達(dá)0.5 nm，基于3D（Three Dimensions）自動切片—成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)三維超高分辨率成像，在納米尺度孔隙和裂隙表征方面具有較高的應(yīng)用潛力[30-31,57]。目前，F(xiàn)IB-SEM和HIM在煤孔隙、裂隙觀測方面的應(yīng)用少見報道，馬勇、王朋飛等學(xué)者[32-35]應(yīng)用FIB-SEM 和HIM 研究了頁巖的納米孔隙發(fā)育特征，初步建立了頁巖的納米級孔隙結(jié)構(gòu)。NMR 和X-ray CT 掃描技術(shù)不僅可開展無損掃描成像，還可用于煤層氣賦存和運(yùn)移規(guī)律研究[58-61]。其中，X-ray CT 掃描可分為微米焦點(diǎn)X-ray CT 掃描（Micro-CT）和納米焦點(diǎn)X-ray CT掃描（Nano-CT）。Micro-CT空間分辨率可達(dá)500 nm，在微米—毫米尺度孔隙和裂隙無損掃描成像方面已被廣泛應(yīng)用；而Nano-CT空間分辨率可達(dá)20 nm，在納米—微米尺度孔隙和裂隙無損掃描成像方面具有一定潛力，但目前應(yīng)用相對較少。部分學(xué)者探索性地利用TEM 和AFM 研究煤的納米尺度結(jié)構(gòu)，并嘗試對納米孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行三維定量測量[23-29]。但是TEM側(cè)重于煤大分子結(jié)構(gòu)觀測，難以直接觀測孔隙結(jié)構(gòu)；而AFM更側(cè)重于表面形貌測量，對內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)鞭長莫及。

圖1 煤層孔隙、裂隙主要研究方法（據(jù)文獻(xiàn)[36-37]修改）（a）煤層孔隙主要研究方法；（b）煤層裂隙主要研究方法Fig.1 Methods used to estimate pores and fractures in coal (modified from references [36-37])

1.2 煤層孔隙、裂隙規(guī)模類型劃分方案

煤層孔隙尺度分布廣，孔徑從埃米級（10-10m）至毫米級（10-3m）皆有分布[62]，為方便孔隙表征和描述，學(xué)者提出了諸多煤的孔徑結(jié)構(gòu)劃分方案（表1）。國內(nèi)較常用的劃分方案是B.B.Ходот[63]和國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）[64]提出的孔徑分類系統(tǒng)。B.B.Ходот提出的十進(jìn)制孔徑分類系統(tǒng)分類簡單、易于使用，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)煤炭工業(yè)界；IUPAC的劃分方案主要應(yīng)用于理論研究。學(xué)者對孔徑結(jié)構(gòu)的劃分主要依據(jù)孔隙對煤層氣的固氣、吸附作用[64-66]，孔徑對氣體分子的作用[63]，孔隙形態(tài)與孔徑結(jié)構(gòu)特征[67-69]，以及測試范圍[70-71]（表1）。

裂隙的規(guī)模類型劃分相對簡單。煤中裂隙被劃分為直接利用肉眼或普通放大鏡可觀察到的宏觀裂隙，和肉眼難以辨認(rèn)、必須借助光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡才能觀察的微觀裂隙[73]。根據(jù)發(fā)育尺度的不同，宏觀裂隙可進(jìn)一步劃分為大型裂隙、中型裂隙和小型裂隙（表2）。學(xué)者對宏觀裂隙的劃分方案略有差異，傅雪海等[62]劃分為大型裂隙、中型裂隙、小型裂隙和微裂隙，鐘玲文等[74]劃分為巨型裂隙、大型裂隙、中型裂隙、小型裂隙和微裂隙。微觀裂隙可進(jìn)一步劃分為顯微裂隙和超顯微裂隙[10,12,75]（表2）。顯微裂隙可以在光學(xué)顯微鏡下觀測，高度大于10 μm，裂口寬度大于0.1 μm；超顯微裂隙是僅能在掃描電子顯微鏡下觀察，高度小于10 μm，裂口寬度小于0.1 μm[10,12]。

2 煤層孔隙、裂隙發(fā)育特征

2.1 孔隙成因類型與結(jié)構(gòu)特征

現(xiàn)有研究認(rèn)為，煤中主要發(fā)育4 種類型的孔隙：原生孔，主要包括植物組織孔、粒間孔；外生孔，包括角礫孔、碎粒孔和摩擦孔；變質(zhì)孔，常見氣孔、差異收縮孔和大分子結(jié)構(gòu)孔；還有礦物質(zhì)孔，主要指溶蝕孔、晶間孔和鑄模孔[2,10,76]（表3）。

2.1.1 原生孔

OM和SEM下，原生孔以植物組織孔（胞腔孔）和粒間孔為主。植物組織孔是成煤植物本身所具有的細(xì)胞結(jié)構(gòu)孔[2,10,76]，均為大孔，孔徑一般大于10 μm。中、低階煤中植物組織孔較發(fā)育[77-79]，其發(fā)育的載體以結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主，絲質(zhì)體、菌類體次之，以圓形、橢圓形為主，排列規(guī)則（圖2a）；高階煤中發(fā)育不均勻[2,10]，可見于結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和絲質(zhì)體，偶見于菌類體，呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)。粒間孔是煤中鏡屑體、惰屑體、殼屑體等各種碎屑狀顯微體的碎屑顆粒之間的孔隙[2,10,76]，主要發(fā)育于團(tuán)塊鏡質(zhì)體間（圖2b）以及基質(zhì)鏡質(zhì)體，孔徑一般大于1 μm，形態(tài)不規(guī)則。與高階煤相比，中、低階煤粒間孔整體孔徑較大，數(shù)量較多[81-82]。

2.1.2 外生孔

“外生孔”被認(rèn)為是煤固結(jié)成巖后受各種外界因素（構(gòu)造破壞、摩擦和滑動）作用而形成的孔隙[2,10,76]。“外生孔”與煤體結(jié)構(gòu)破壞密切相關(guān)，以大孔為主，形狀不規(guī)則[76]。OM 下，可看到煤表面存在大量與擦痕伴生的摩擦孔（圖2c）或遭受較嚴(yán)重構(gòu)造破壞而形成的疑似角礫孔和碎粒孔。筆者認(rèn)為，OM 觀察到的“外生孔”不排除是制樣過程中觀測面上受機(jī)械破壞所形成的“坑洼”。

2.1.3 變質(zhì)孔

變質(zhì)孔是煤在變質(zhì)過程中發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)而形成的孔隙[76,81]。煤中主要含三種變質(zhì)孔：氣孔、差異收縮孔隙和大分子結(jié)構(gòu)孔。氣孔又稱熱成因孔[2,10,76]，是煤化作用過程中生氣和聚氣作用而形成的孔隙[76,81]，主要發(fā)育于煤有機(jī)質(zhì)中，孔徑大致分布在0.1 μm以上，屬大孔。中、低階煤中以同期生成的氣孔為主[76,81]，形狀規(guī)則，低階煤中含量相對較少，中階煤含量達(dá)到最大，但孔徑變小[82-84]。高階煤中常見兩類氣孔，一類是殘余氣孔，是先期形成的氣孔受后期高靜巖壓力作用而變形[10,76]，常呈短線狀；另一類是后期形成的氣孔，即次生氣孔[2]，這類氣孔大多以群聚的形式出現(xiàn)，形態(tài)以圓形、橢圓形為主，部分受上覆靜巖壓力的作用變形甚至閉合[2]（圖2d）。差異收縮孔是煤化作用過程中有機(jī)質(zhì)收縮從而與原生礦物分離所形成的孔隙[2]，是新發(fā)現(xiàn)的煤中孔隙類型，筆者稱之為差異收縮孔或差異變形孔。差異收縮孔多發(fā)育于高階煤原生礦物邊緣與有機(jī)質(zhì)交接處[2]，不具有固定的形態(tài)，屬于中孔和大孔（圖2e）。差異收縮孔以群聚的形式出現(xiàn)，多相互貫通，是高階煤中重要的納米連通性孔隙[2]。大分子結(jié)構(gòu)孔又稱為大分子定向晶間孔或鏈間孔，是凝膠化物質(zhì)在變質(zhì)作用下縮聚而形成的鏈與鏈之間的孔隙[2,10,76]。大分子結(jié)構(gòu)孔發(fā)育于煤有機(jī)質(zhì)中，孔徑以小于10 nm為主，屬于中孔和微孔，無固定形態(tài)（圖2f）。隨煤階的升高，煤中大分子結(jié)構(gòu)孔孔徑整體減小，含量先降低，至高階煤又進(jìn)一步升高。

表1 煤孔徑結(jié)構(gòu)劃分方案Table 1 Pore structure classification systems of coal

表2 裂隙規(guī)模類型劃分方案（據(jù)文獻(xiàn)[73-75]修改）Table 2 Fracture size classification systems of coal (modified from references [73-75])

表3 煤孔隙成因類型及其簡述（據(jù)文獻(xiàn)[76]修改）Table 3 Genetic types of pores and their characteristics (modified from references [76])

圖2 煤中典型孔隙（a）植物組織孔，黏土礦物充填，二連盆地，亞煙煤，Ro,max=0.34%～0.54%，SEM[80]；（b）粒間孔，團(tuán)塊鏡質(zhì)體，沁水盆地寺河礦，無煙煤，Ro,max=3.33%，OM[2]；（c）摩擦孔，鏡質(zhì)體，沁水盆地新源礦，低揮發(fā)分煙煤，Ro,max=1.81%，OM；（d）次生氣孔，沁水盆地伯方礦，無煙煤，Ro,max=2.83%，F(xiàn)ESEM[2]；（e）石英周圍差異收縮孔，沁水盆地伯方礦，無煙煤，Ro,max=2.83%，F(xiàn)IB-SEM[2]；（f）大分子結(jié)構(gòu)孔，沁水盆地伯方礦，無煙煤，Ro,max=2.83%，AFM；（g）鐵白云石中溶蝕孔，沁水盆地新景礦，半無煙煤，Ro,max=2.64%，F(xiàn)ESEM；（h）高嶺石晶間孔，渤海灣盆地楊莊礦，高揮發(fā)分煙煤，Ro,max=0.72%，F(xiàn)ESEMFig.2 Typical pores in coal

2.1.4 礦物質(zhì)孔

礦物質(zhì)孔以大孔為主，孔徑0.05～10 μm 均有分布[2,10]，主要發(fā)育有溶蝕孔、晶間孔和鑄?？譡76]。溶蝕孔是煤中可溶性礦物質(zhì)在長期氣、水作用下受溶蝕而形成的孔隙[2,10,76]，孔徑較小，形態(tài)不規(guī)則，多以孔群的形式出現(xiàn)，主要發(fā)育于方解石等碳酸鹽礦物（圖2g），部分黏土礦物、黃鐵礦中也有發(fā)育[85-87]。晶間孔為礦物晶粒之間的孔隙[2,10,76]，孔徑多在1 μm 左右甚至更大，相互之間有較強(qiáng)的連通性，主要發(fā)育于高嶺石（圖2h）、伊利石、綠泥石、白云石和方解石中[85-87]。鑄?？资敲褐性V物在有機(jī)質(zhì)中因硬度差異而鑄成的“印坑”[85-87]。

2.2 裂隙成因類型與結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 宏觀裂隙

裂隙的研究始于宏觀尺度，學(xué)者因觀察尺度和研究目的不同，提出多種宏觀裂隙分類方案。例如，基于發(fā)育規(guī)模將宏觀裂隙按等級劃分為一級、二級、三級，或劃分為主裂隙和次裂隙[88]；利用“割理”描述煤中裂隙，劃分為巨割理、大割理、中割理、小割理、微割理等[89]；按成因類型劃分為割理（內(nèi)生）、外生裂隙和繼承性裂隙[90]，或者劃分為內(nèi)生裂隙、層面裂隙、繼承性裂隙和構(gòu)造裂隙等[91]。本文根據(jù)成因類型不同，將宏觀裂隙劃分為外生和內(nèi)生（割理）兩大類。

外生宏觀裂隙是煤層形成后受構(gòu)造運(yùn)動影響而形成的裂隙[10,12]，一般屬于構(gòu)造裂隙[91]，其形態(tài)表現(xiàn)出剪切或拉張應(yīng)力作用的結(jié)果[12]。外生宏觀裂隙以中型和大型裂隙為主，與煤層層理呈一定傾角，不受限于宏觀煤巖類型，沿層理面的延伸長度變化較大，介于幾十厘米至數(shù)百米，裂口寬度介于幾百微米至幾毫米之間，發(fā)育密度相對較小[10,12,90,92-93]（圖3a）。受多期構(gòu)造演化的影響，往往發(fā)育多組外生宏觀裂隙[12,94-96]，現(xiàn)今地應(yīng)力一定程度上控制了外生宏觀裂隙的開啟程度，最大主應(yīng)力作用方向開啟程度一般低于最小主應(yīng)力作用方向[97-98]。內(nèi)生宏觀裂隙（割理）指煤化作用過程中，煤中凝膠化組分由于多種壓實(shí)作用、脫水、脫揮發(fā)分的收縮作用（不排除古構(gòu)造應(yīng)力場的影響）等綜合因素作用下形成的裂隙[12,99]。割理多與煤層層理垂直或近于垂直，埋深較淺的煤層可能發(fā)育順層裂隙[100-102]。割理一般成組出現(xiàn)，連續(xù)分布的割理為面割理，中斷于面割理或與面割理穿插的不持續(xù)割理稱為端割理，端割理發(fā)育長度受控于面割理，面割理與端割理常近于直角相交[103-104]（圖3b）。受多期構(gòu)造演化的影響，可發(fā)育多組面割理和端割理[12]。

2.2.2 微觀裂隙

在借鑒和參考宏觀裂隙分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合顯微裂隙的發(fā)育特點(diǎn)和成因類型，可將顯微裂隙分為內(nèi)生顯微裂隙和外生顯微裂隙[75,86,91]。內(nèi)生顯微裂隙包括失水裂隙和靜壓裂隙，外生顯微裂隙包括張性裂隙、壓性裂隙、剪性裂隙、松弛裂隙等[75]。煤層顯微裂隙廣泛發(fā)育，一定程度上改善了煤層滲透性和連通性[102]。內(nèi)生顯微裂隙主要是由收縮應(yīng)力和上覆巖層靜壓力作用形成[10,75]，一般較發(fā)育，并與割理局部連通，增加了煤層連通性[102]。失水裂隙又稱為收縮裂隙，是煤化作用過程中因脫水、脫揮發(fā)分收縮形成的裂隙[10,75]，主要發(fā)育于鏡質(zhì)組，受顯微組分的制約。失水裂隙主要呈S狀或月牙狀，長度介于幾十微米至幾毫米，裂口寬度以小于100 μm 為主，屬于大孔[8,18]（圖3c）。靜壓裂隙主要發(fā)育于均質(zhì)鏡質(zhì)體和半絲質(zhì)體，受上覆巖層靜壓作用表現(xiàn)出短小、彎曲、密集、無定向性或近平行狀排列等特點(diǎn)，發(fā)育受組分制約[8,10,75]（圖3d）。靜壓裂隙長度一般介于幾百微米至幾毫米，裂口寬度介于幾微米至幾十微米，屬于大孔[8,75]。一般認(rèn)為中、高階煤靜壓裂隙的發(fā)育密度高于低階煤[73]。外生顯微裂隙又稱構(gòu)造顯微裂隙，是后期定向構(gòu)造應(yīng)力作用于相對致密組分（均質(zhì)鏡質(zhì)體和半絲質(zhì)體）而形成的[10,75]。張性裂隙、剪性裂隙是較常見的外生顯微裂隙，均主要發(fā)育于鏡質(zhì)組，不受顯微組分的制約，長度介于幾百微米至1～2 cm，裂口寬度介于幾微米至幾十微米，屬于大孔[8,10,75]。張性裂隙是受拉張作用所形成的裂隙，單一組分中一般平直發(fā)育，穿越組分時易轉(zhuǎn)向、錯位、彎折[8,10,75]（圖3e）。剪性裂隙是受剪切作用所形成的裂隙，主要呈階梯狀（鋸齒狀），且相互共軛，共軛裂隙在交叉處有明顯剪切破裂面[8,10]（圖3f）。壓性裂隙通常較長和直，裂隙兩側(cè)位移量大，成組排列[75]（圖3g）；松弛裂隙是煤中構(gòu)造面上應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的裂隙，裂面不平，呈鋸齒狀，磨擦面上常見，與擦痕伴生[105]。

圖3 煤中典型裂隙（a）外生宏觀裂隙，沁水盆地成莊礦，無煙煤，Ro,max=2.96%，井下煤壁觀測[92]；（b）割理，沁水盆地五陽礦，低揮發(fā)分煙煤，Ro,max=1.89%，室內(nèi)巖芯描述[10]；（c）失水裂隙，沁水盆地成莊礦，無煙煤，Ro,max=2.96%，OM；（d）靜壓裂隙，沁水盆地趙莊礦，半無煙煤，Ro,max=2.44%，OM[8]；（e）張性裂隙，沁水盆地新源礦，半無煙煤，Ro,max=1.81%，OM[8]；（f）剪性裂隙，沁水盆地李村礦，半無煙煤，Ro,max=2.38%，ESEM；（g）壓裂隙，沁水盆地李村礦，半無煙煤，Ro,max=2.38%，OM；（h）超顯微裂隙，沁水盆地趙莊礦，半無煙煤，Ro,max=2.44%，F(xiàn)ESEM[8]Fig.3 Typical fractures in coal

超顯微裂隙是一種縮聚裂隙，是在一定靜巖壓力下隨煤演化程度提高，縮合環(huán)顯著增大，側(cè)鏈和官能團(tuán)減少，煤分子發(fā)生拼疊作用并產(chǎn)生定向排列而形成的[8,10,75]（圖3h）。中、低階煤結(jié)構(gòu)單元的芳構(gòu)化程度較低，大分子堆積較疏松[106]，超顯微裂隙不發(fā)育，主要見于塑流性強(qiáng)的組分[75]；隨煤階的升高，超顯微裂隙發(fā)育程度提高[8,75]。

2.3 煤層孔隙—裂隙連通關(guān)系

孔隙之間、裂隙之間、孔隙與裂隙之間，均有一定的連通性，它們之間的連通性為煤層流體流動提供了連續(xù)性通道，是CH4產(chǎn)出的保證。因此，對于煤層氣開發(fā)，更具意義的是孔隙與裂隙之間的組合關(guān)系，以及建立在組合關(guān)系上的連通性。研究普遍認(rèn)為，煤層可抽象為由基質(zhì)孔隙和裂隙組成的雙孔介質(zhì)[65,107-108]，“雙孔”指基質(zhì)孔隙系統(tǒng)和由網(wǎng)狀微裂縫、割理和斷層組成的裂隙系統(tǒng)，二者相互連通，組成了煤層連通孔隙—裂隙系統(tǒng)[109]（圖4a）。之后，學(xué)者對雙孔介質(zhì)理論進(jìn)行了發(fā)展和補(bǔ)充，認(rèn)為孔隙、裂隙之間存在一種過渡類型的孔隙或裂隙[110-111]，并提出“三元”孔隙—裂隙介質(zhì)系統(tǒng)（圖4b），即煤層是由宏觀裂隙、顯微裂隙和孔隙組成的三元孔隙—裂隙介質(zhì)，孔隙是煤層氣的主要儲集場所，宏觀裂隙是煤層氣運(yùn)移的通道，而顯微裂隙則是溝通孔隙與裂隙的橋梁[62,111]。雙孔介質(zhì)系統(tǒng)和三元孔隙—裂隙介質(zhì)系統(tǒng)是表征煤層結(jié)構(gòu)最具代表性的抽象模型，對認(rèn)識煤層孔隙—裂隙連通性具有重要意義，其他學(xué)者提出的孔隙—裂隙連通關(guān)系模式基本屬于二者的延伸，例如Sanget al.[73]基于三元孔隙—裂隙介質(zhì)系統(tǒng)對不同煤階煤層孔隙—裂隙連通性進(jìn)行了探討（圖5），認(rèn)為低階煤以大孔和外生宏觀裂隙連通為主，以連通孔隙對滲透率的貢獻(xiàn)率相對較高為特點(diǎn)；中階煤各孔徑段孔隙配比較好，孔隙與裂隙連通性好，并以內(nèi)生裂隙對滲透率的貢獻(xiàn)率相對較高為特點(diǎn)；高階煤割理和連通孔隙不發(fā)育，外生裂隙對滲透率的貢獻(xiàn)率較高，顯微和超顯微裂隙對連通性的作用顯著。

隨著研究的深入，越來越多的學(xué)者[2,46,112]將煤層孔隙—裂隙作為具有整體性的解吸—擴(kuò)散—滲流網(wǎng)絡(luò)加以認(rèn)識，數(shù)字巖石物理表征技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也為孔隙—裂隙連通關(guān)系的研究提供了新方法和新思路。一些學(xué)者[42-44,113]基于核磁共振技術(shù)對煤中孔隙、裂隙發(fā)育特征開展了研究，基于飽和水T2譜和殘余水T2的差異探討了孔隙—裂隙連通性，但尚未充分挖掘核磁共振技術(shù)的優(yōu)勢，核磁共振成像技術(shù)的應(yīng)用相對較少；更多學(xué)者[55,114-118]基于X-ray CT掃描成像技術(shù)探討了煤中孔隙、裂隙發(fā)育程度、空間分布特征以及超臨界CO2對煤層的增透效果等，初步確立了煤的數(shù)字巖心構(gòu)建方法，并實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造煤、煤巖細(xì)損傷的三維數(shù)字化描述，結(jié)果顯示裂隙發(fā)育程度和連通性是煤層滲透率的決定性因素。姚艷斌等[44]將NMR和X-ray CT掃描結(jié)合，對煤層孔隙、裂隙進(jìn)行了定量表征，獲得了孔隙、裂隙的空間分布特征和空間配置，但未對孔隙—裂隙連通關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步探討；Liuet al.[45]等分析了高階煤連通方式和連通性差異，認(rèn)為高階煤連通性主要?dú)w結(jié)于吼道發(fā)育程度和孔隙、裂隙方向性，并提出孔隙連通和微裂隙連通兩種連通方式。上述煤孔隙—裂隙連通性的研究主要集中在微米尺度孔隙、顯微裂隙和宏觀裂隙，對納米尺度的孔隙、裂隙較少涉及。Liuet al.[2,46]采用FIB-SEM三維切割掃描成像初步構(gòu)建了高階煤的納米尺度孔隙—裂隙結(jié)構(gòu)（圖6），并論證了方法的可行性，通過對比考慮裂隙和不考慮裂隙的高階煤孔隙—裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，認(rèn)為線狀差異收縮孔和超顯微裂隙是主要的納米連通孔裂隙?？傮w而言，數(shù)字巖石物理表征技術(shù)在煤孔隙—裂隙結(jié)構(gòu)和連通性方面的應(yīng)用尚處于起步階段[30-31]，數(shù)字巖心物理表征方法尚未形成。目前，學(xué)者多采用Avizo、PerGeos、Amira 等商業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)煤、頁巖等的數(shù)字巖石物理表征和孔隙—裂隙網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建，所使用的數(shù)字巖心數(shù)值重構(gòu)方法包括球充填法[119]、高斯模擬法[120-121]、模擬退火法[122]、過程模擬法[123-125]、多點(diǎn)統(tǒng)計法[126]和馬爾可夫隨機(jī)重建法[127]等。上述方法能夠很好地表征孔隙形態(tài)與三維空間連通關(guān)系，但裂隙面狀信息的表征失真較嚴(yán)重。因此，上述方法不適用于具有“三元孔隙—裂隙”結(jié)構(gòu)的煤層。為解決裂隙空間表征的難題，Leeet al.[128-129]提出了基于空間骨架提取方法的LKC（Lee-Kashyap-Chu）算法，Liuet al.[46]通過該算法提取了孔隙與裂隙的空間居中軸線，實(shí)現(xiàn)了裂隙空間表征，成功建立了高階煤孔隙—裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。

圖4 煤層抽象模型示意圖（據(jù)文獻(xiàn)[62, 107, 109]修改）（a）雙孔介質(zhì)；（b）三元孔隙—裂隙介質(zhì)Fig.4 Schematic diagram of abstract model of coal (modified from references [62,107,109])

圖5 煤層孔隙、裂隙滲透率貢獻(xiàn)率示意圖（據(jù)文獻(xiàn)[73]修改）Fig.5 Schematic diagram of the contribution of pores and fractures to coal seam permeability(modified from reference [73])

3 煤層孔隙、裂隙發(fā)育特征的影響因素

3.1 煤化作用階段

研究認(rèn)為，隨煤化程度的增加，煤層孔隙與裂隙發(fā)育特征呈現(xiàn)規(guī)律性變化，總體表現(xiàn)為微孔含量增大，中孔含量變化較小，大孔含量減少[106,130-131]。煤化作用早期階段（Ro,max<0.65%），煤分子排列不規(guī)則，結(jié)構(gòu)松散，低階煤以大孔和中孔為主，孔徑較大，孔隙發(fā)育程度較高，孔隙度一般高于10%[62,106,132-134]。由于煤化程度較低，孔隙以原生孔隙和同期生成的氣孔為主[76,81]。隨Ro,max增加，低階煤孔隙度呈先降低后增高的趨勢，并當(dāng)Ro,max在0.5%左右時孔隙度最低[134]。煙煤階段（Ro,max=0.65～2.0%），隨煤化程度的提高，在機(jī)械壓實(shí)和脫水作用下，孔隙體積迅速減少，尤其是大孔明顯減小[73,82]。至低揮發(fā)分煙煤階段（Ro,max=1.3～1.7%），腐植凝膠基本完成了脫水作用，孔隙體積降至最低點(diǎn)[62,106]。受凝膠化作用影響，中階煤原生孔隙含量大幅降低；隨煤化作用的加深，氣孔含量達(dá)到最大、微孔含量上升；受機(jī)械壓實(shí)作用影響，氣孔孔徑變小[73,76,81]。高階煤階段（Ro,max>2.0%），煤化程度進(jìn)一步提高，煤分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)在以溫度為主的因素控制下芳香化程度顯著增高，且出現(xiàn)定向排列，形成了一系列微孔和中孔，同時壓實(shí)和機(jī)械破壞導(dǎo)致大孔持續(xù)減少[10,106]，造成高階煤以微孔為主，大孔含量極低，孔隙類型以次生氣孔和大分子結(jié)構(gòu)孔為主，原生孔不發(fā)育[14,76,78,81-84]。

圖6 沁水盆地伯方礦高階煤三維數(shù)字巖石物理表征結(jié)果（據(jù)文獻(xiàn)[46]修改）（a）不考慮裂隙的三維網(wǎng)絡(luò)模型；（b）考慮裂隙的孔隙—裂隙三維網(wǎng)絡(luò)模型；（c）孔隙—裂隙三維連通網(wǎng)絡(luò)模型Fig.6 Three-dimensional digital model of a core of high-rank coal collected from Bofang mine, Qinshui Basin(modified from reference[46])

煤化作用對裂隙的影響主要體現(xiàn)在內(nèi)生裂隙（割理和顯微內(nèi)生裂隙），這與內(nèi)生裂隙的成因有關(guān)。學(xué)者提出了割理的內(nèi)生成因假說、外生成因假說，以及二者組合成的雙重成因假說[101]。目前普遍認(rèn)可的是雙重成因假說，即割理是成巖作用、側(cè)向古構(gòu)造應(yīng)力、干縮作用和煤化作用等綜合作用的結(jié)果，煤化作用是其形成的內(nèi)因，凝膠性質(zhì)轉(zhuǎn)變導(dǎo)致割理發(fā)育具有階段性特點(diǎn)[104]。顯微內(nèi)生裂隙與割理成因相似，其發(fā)育具有相似的階段性特點(diǎn)?？傮w而言，內(nèi)生裂隙密度在中階煤中最大，向低階煤或高階煤均減小[8]。煤化作用早期階段難以形成內(nèi)生裂隙，因此，低階煤內(nèi)生裂隙基本不發(fā)育，內(nèi)生顯微裂隙以失水裂隙為主[73,75,91,103-104]。從褐煤到低揮發(fā)分煙煤，內(nèi)生裂隙密度不斷增加，Ro,max在1.5～1.58%左右時，隨脫水、脫揮發(fā)分基本完成，內(nèi)生裂隙密度達(dá)到最大值，并出現(xiàn)內(nèi)生裂隙密度降低的拐點(diǎn)[73,75,91]。該階段機(jī)械壓實(shí)作用、脫水作用和變質(zhì)作用共同影響，造成中階煤失水裂隙、靜壓裂隙和縮聚裂隙均發(fā)育[73,75,91]。之后，機(jī)械壓實(shí)作用顯著，內(nèi)生裂隙密度隨煤階的增加而下降，但高階煤內(nèi)生裂隙密度明顯高于低階煤，內(nèi)生顯微裂隙則多見縮聚裂隙，靜壓裂隙密度大、規(guī)模小[73,75,91,135]。至Ro,max>2.5%時，凝膠化作用基本完成，壓實(shí)作用對煤中裂隙的影響微弱，構(gòu)造作用成為裂隙密度變化的主要因素[73,75,91]。

3.2 變質(zhì)作用類型

煤的變質(zhì)作用主要有深成變質(zhì)作用、區(qū)域變質(zhì)作用（巖漿熱變質(zhì)作用）和侵入接觸變質(zhì)作用[85]。深成變質(zhì)作用和區(qū)域變質(zhì)作用對孔隙、裂隙發(fā)育特征的影響在高階煤中體現(xiàn)的更充分。深成變質(zhì)作用下，煤的變質(zhì)程度隨埋深的增加而增加，并伴有上覆靜巖壓力的增大，故形成的高階煤微孔、中孔發(fā)育，大孔不發(fā)育，先期形成的氣孔、裂隙大量閉合[73,85]。與深成變質(zhì)作用相比，區(qū)域變質(zhì)作用形成同等變質(zhì)程度的煤所需要的埋深相對較淺，故形成的高階煤大孔有一定程度發(fā)育[73,85]。鄒艷榮等[136]的研究結(jié)果表明疊加巖漿熱變質(zhì)有利于內(nèi)生裂隙進(jìn)一步發(fā)展，故區(qū)域變質(zhì)作用形成的高階煤較深成變質(zhì)作用形成的同煤級煤的內(nèi)生裂隙發(fā)育；Liuet al.[2]則認(rèn)為，差異收縮孔即為沁水盆地南部深成變質(zhì)作用背景之上的燕山期區(qū)域熱變質(zhì)作用形成的?？傊?，形成于區(qū)域變質(zhì)作用下的高階煤孔隙—裂隙發(fā)育特征優(yōu)于深成變質(zhì)作用下的同等變質(zhì)程度的煤[73]。侵入接觸變質(zhì)影響范圍相對較小，但漿巖侵入地段次生氣孔發(fā)育，受巖漿侵入動力作用影響，氣孔可被裂隙連通，提高了煤層滲透性[137]。

3.3 構(gòu)造演化作用

研究普遍認(rèn)為裂隙是內(nèi)力、外力共同作用的結(jié)果，構(gòu)造演化和構(gòu)造應(yīng)力對其發(fā)育起關(guān)鍵作用[99,119,138-141]，表現(xiàn)為構(gòu)造演化強(qiáng)烈的地區(qū)，如張性小斷層附近，外生裂隙一般發(fā)育程度較高；古構(gòu)造應(yīng)力控制了成煤演化過程割理、裂隙的產(chǎn)狀與組合關(guān)系等發(fā)育樣式；早期構(gòu)造作用形成的裂隙，在后期構(gòu)造作用下可進(jìn)一步發(fā)展（即繼承性裂隙）、改造甚至破壞等[84-86,90,93,104,142-144]。內(nèi)生裂隙形成同樣受古構(gòu)造應(yīng)力的影響，應(yīng)力較小的方向更有利于煤體開啟，故煤化作用過程中，內(nèi)生裂隙一般沿古構(gòu)造應(yīng)力的最小主應(yīng)力方向開啟[99,103]?？傊?，外生裂隙與內(nèi)生裂隙產(chǎn)狀均是古構(gòu)造應(yīng)力場的反映，表現(xiàn)出極為一致的發(fā)育期次與緊密相關(guān)的產(chǎn)狀特征，而成因的不同和古構(gòu)造應(yīng)力場的變化使二者具有獨(dú)特的組合關(guān)系。即不同時期的古構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力方向相近時，外生裂隙與內(nèi)生裂隙表現(xiàn)為一定的繼承關(guān)系，造成不同期次形成的裂隙具有一致的產(chǎn)狀特征；而不同時期的古構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力方向發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變時，后期形成的裂隙與前期形成的裂隙相互斜交或近于正交[8,12]。

構(gòu)造演化和構(gòu)造應(yīng)力作用往往伴隨煤體結(jié)構(gòu)的變化，孔隙孔容、比表面積、孔徑結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化[137,145-147]。原生結(jié)構(gòu)煤具有完整的煤巖結(jié)構(gòu)，構(gòu)造應(yīng)力主要使原生結(jié)構(gòu)煤孔隙變形、閉合或局部破壞[148]。相對于原生結(jié)構(gòu)煤，學(xué)者普遍認(rèn)為，構(gòu)造煤孔隙孔容呈增加的趨勢，且糜棱煤>碎粒煤>碎裂煤，同時大孔對構(gòu)造應(yīng)力作用更敏感，造成大孔含量減小[77,149]。而構(gòu)造煤微孔、中孔的發(fā)育特征，學(xué)者則具有不同意見。楊昊睿[77]、要惠芳等[149]認(rèn)為相對于原生結(jié)構(gòu)煤，構(gòu)造煤微孔、中孔含量增加；侯錦秀等[150-151]則認(rèn)為微孔主要受控于煤大分子結(jié)構(gòu)演變，構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤沒有顯著差異；Liet al.[152]基于多重分形理論得出構(gòu)造變形導(dǎo)致煤中孔徑分布變窄。這一分歧與學(xué)者研究的構(gòu)造煤應(yīng)力變形階段不同有關(guān)。構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)的變化與應(yīng)力變形階段密切相關(guān)，特別是微孔和中孔的變化具有顯著的應(yīng)力變形特征[153]。Songet al.[153]發(fā)現(xiàn)剪切和韌性變形階段，構(gòu)造煤的孔容分布較脆性變形更為聚集；要惠芳等[149]認(rèn)為構(gòu)造煤脆性變形時主要形成角礫孔等，韌性變形時煤發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造變形，使大孔受擠壓破壞；郭德勇等[154]則認(rèn)為，弱變形階段（碎裂煤、碎粒煤），構(gòu)造變形導(dǎo)致烷基側(cè)鏈和官能團(tuán)降解、脫落，并以吸附態(tài)存在于中孔或與中孔孔壁的碳原子骨架復(fù)合，造成中孔被分割轉(zhuǎn)化為微孔，而強(qiáng)變形會在局部造成煤體破碎、粉化和揉流，使大孔受擠壓破壞形成中孔，以微孔為主的次生結(jié)構(gòu)缺陷在應(yīng)力作用下相互連通也會形成中孔[154-155]；屈爭輝等[156]認(rèn)為強(qiáng)變形階段（糜棱煤），強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力促使煤大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生縮聚作用，形成大量微孔；李明[146]認(rèn)為構(gòu)造擠壓、剪切應(yīng)力導(dǎo)致煤芳核位錯及芳香層滑移，產(chǎn)生大量次生結(jié)構(gòu)缺陷，如角礫孔等，同時在應(yīng)力作用下還可產(chǎn)生大量以微孔為主的氣孔?？傊?，構(gòu)造應(yīng)力不僅通過機(jī)械破壞造成大孔含量減小，也可通過改變煤大分子結(jié)構(gòu)，造成構(gòu)造煤微孔、中孔含量的變化。與孔隙類似，原生結(jié)構(gòu)煤裂隙保存較好；碎裂煤受弱變形作用影響，顯微張裂隙稀疏發(fā)育，宏觀裂隙周圍伴生數(shù)量不等的微小裂隙；碎粒煤中顯微變形明顯增強(qiáng)，顯微裂隙密集發(fā)育且雜亂粗短、延伸不穩(wěn)定；糜棱煤大量剪切裂隙雜亂彌散，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的韌性流變特性，相互交錯閉合[157]。

3.4 煤巖物質(zhì)組成

受成煤物質(zhì)和古構(gòu)造環(huán)境的影響，煤巖組成存在差異，對孔隙、裂隙發(fā)育也具有顯著影響[85]。不同煤層或者同一煤層的不同分層裂隙密度相差較大，內(nèi)生裂隙尤為顯著，內(nèi)生裂隙密度鏡煤>亮煤>暗煤，這是中階煤和高階煤內(nèi)生裂隙發(fā)育程度高于低階煤的重要原因[103]。外生裂隙受煤巖組分的影響相對較小，但不同煤巖組分力學(xué)性質(zhì)的差異會改變外生裂隙形態(tài)和延伸方向[75]。煤巖組分對孔隙、裂隙發(fā)育的影響可歸結(jié)于煤巖顯微組分含量，而煤中顯微煤巖組分含量受成煤物質(zhì)和沉積背景的影響較大，泥炭快速埋藏的，煤中鏡質(zhì)組占優(yōu)勢，而沉降緩慢的，煤中絲質(zhì)組含量較高[85]。研究認(rèn)為顯微煤巖組分決定了煤的孔徑分布特征和孔隙發(fā)育類型[85-86,91,103,135]。鏡質(zhì)組是原生孔、變質(zhì)孔和顯微內(nèi)生裂隙的主要載體，其次是絲質(zhì)體，主要發(fā)育植物組織孔，而殼質(zhì)組中孔隙不發(fā)育[2,10,76]，造成孔容通常隨結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體含量的增高而增大，隨惰質(zhì)組和礦物質(zhì)含量的增高而減小[86,91]。顯微煤巖組分之間孔隙、裂隙差異與煤化作用過程中的排水和排烴有關(guān)。煤化作用過程中，鏡質(zhì)組排水較多，其發(fā)育的孔隙中流體壓力較高，易產(chǎn)生裂隙，而惰質(zhì)組和殼質(zhì)組排水較少，不易產(chǎn)生裂隙，因此鏡煤條帶中裂隙發(fā)育密集，而暗煤中裂隙較少[85,91,103,144]；一般認(rèn)為生烴能力越強(qiáng)越有利于變質(zhì)孔的發(fā)育，煤中鏡質(zhì)組含量最高，加之其熱塑性較強(qiáng)、脆性較大，生氣量較多，造成鏡質(zhì)組中變質(zhì)孔發(fā)育[19,85,135]。煤中礦物對孔隙、裂隙發(fā)育的影響表現(xiàn)為礦物質(zhì)孔的發(fā)育和次生礦物對孔隙和裂隙的充填作用[137,158-159]。礦物中發(fā)育大量礦物質(zhì)孔，主要是碳酸鹽礦物中發(fā)育的溶蝕孔、黏土礦物和碳酸鹽礦物中發(fā)育的晶間孔[2,10,76]；差異收縮孔的發(fā)育也與礦物密切相關(guān)，體現(xiàn)了礦物與有機(jī)質(zhì)之間的熱塑性和力學(xué)性質(zhì)差異，并決定了差異收縮孔的形態(tài)[2]。而大量礦物充填于孔隙或裂隙，甚至形成裂隙脈，影響孔隙和裂隙滲透性。孔隙、裂隙中所充填的礦物以方解石等碳酸鹽礦物為主，另外還包括黃鐵礦、黏土礦物等[97,158-159]。

3.5 地下流體

對煤層孔隙、裂隙發(fā)育具有影響的流體主要包括煤化作用過程中產(chǎn)生的有機(jī)流體、巖漿熱液、以及攜帶無機(jī)沉積物的地下水[85,144]。煤化作用過程中，生排烴、脫水現(xiàn)象產(chǎn)生的有機(jī)流體可改變煤層內(nèi)流體壓力，當(dāng)流體壓力上升并克服最小主應(yīng)力和煤體抗張強(qiáng)度時，導(dǎo)致孔隙、裂隙的擴(kuò)展，甚至派生出次級裂隙[85,91,144]?；粲乐业萚91]認(rèn)為，煤化作用過程中，生排烴、脫水所引起的煤層內(nèi)流體壓力變化促進(jìn)了繼承性裂隙的產(chǎn)生，是影響煤中裂隙密度的重要因素，繼承性裂隙面密度的高峰，均伴隨煤化作用的生成高峰。例如，Ro,max從0.5%上升至2.0%～2.3%，繼承性裂隙的面密度降低，Ro,max>2.0%后，隨煤階的增高繼承性裂隙的面密度增加。巖漿熱液通過巖漿侵入熱變質(zhì)作用促進(jìn)巖漿侵入煤層中產(chǎn)生大量次生氣孔以及內(nèi)生裂隙[103,106,137]，而地下水除通過改變流體壓力導(dǎo)致孔隙、裂隙擴(kuò)展外，對煤中礦物的溶蝕、沖刷作用可形成溶蝕孔[85,144]。地下流體對煤中孔隙、裂隙同樣具有負(fù)面影響。煤化作用過程中可產(chǎn)生少量的滲出瀝青體、凝膠化組分，充填于植物組織孔或內(nèi)生裂隙，降低其連通性[85,91,144]，對于無煙煤，凝膠化組分的充填和膠合作用往往造成大量內(nèi)生裂隙閉合[12,91]。巖漿侵入熱變質(zhì)作用形成的次生瀝青質(zhì)體，充填于內(nèi)生裂隙縫中，且伴隨巖漿揮發(fā)物和次生揮發(fā)物的侵入，常在接近巖體的煤層底板或煤層裂隙中形成熱液方解石脈[158-159]。而含有機(jī)、無機(jī)組分的地下水對煤中孔隙、裂隙的影響最為嚴(yán)重和廣泛，有機(jī)、無機(jī)組分亦可充填于孔隙、裂隙，降低其連通性，特別是大量礦物質(zhì)在裂隙內(nèi)沉淀，形成充填，甚至裂隙脈[85,104]。

4 研究趨勢與展望

隨著我國煤層氣勘探開發(fā)的不斷深入，煤層孔隙、裂隙發(fā)育特征的研究與煤層氣開發(fā)緊密關(guān)聯(lián)，其目的是指導(dǎo)煤層氣高效開發(fā)，形成針對性的煤層氣地質(zhì)適配性工藝技術(shù)。結(jié)合煤層氣高效開發(fā)的理論需求，筆者認(rèn)為煤層孔隙與裂隙發(fā)育特征的研究仍有以下問題需要進(jìn)一步探索。

（1）不同變質(zhì)程度的煤，孔徑分布特征以及對滲透率起決定作用的孔隙、裂隙類型存在差異，孔隙—裂隙的連通關(guān)系也大不相同；同一變質(zhì)程度的煤，有機(jī)質(zhì)熱演化條件和變質(zhì)類型對煤層孔隙、裂隙發(fā)育特征的顯著影響已被證實(shí)，并被認(rèn)為是煤層氣開發(fā)有利區(qū)形成的重要原因。例如，沁水盆地南部高階煤高滲區(qū)即形成于高異常地?zé)釄鰲l件下的區(qū)域熱變質(zhì)地質(zhì)背景。煤化作用階段、變質(zhì)作用類型、成煤物質(zhì)、沉積環(huán)境等造成的孔隙、裂隙發(fā)育特征的差異決定了工程背景下煤層氣具有不同的解吸、運(yùn)移和產(chǎn)出規(guī)律，是開展地質(zhì)適配性開發(fā)工藝的前提。然而，煤層孔隙—裂隙連通網(wǎng)絡(luò)控制的滲透率來源和有效性尚不清楚；煤化作用階段、變質(zhì)作用類型和沉積環(huán)境對孔隙—裂隙連通網(wǎng)絡(luò)和滲透率有效性的影響機(jī)制是否具有一般規(guī)律，如何用于指導(dǎo)煤層氣開發(fā)富集高滲區(qū)的選擇，仍需進(jìn)一步研究和證實(shí)，這對我國煤層氣高效開發(fā)理論和地質(zhì)適配性開發(fā)工藝的形成具有重要意義。

（2）孔徑<10 nm 的孔隙的定量表征和觀測是煤層孔隙研究的難點(diǎn)，N2/CO2吸附試驗(yàn)、SAXS、SANS等實(shí)驗(yàn)方法可實(shí)現(xiàn)這部分孔隙孔徑結(jié)構(gòu)的半定量表征，并提出了D-A（Dubinin-Astakhov）模型、D-R（Dubinin-Radushkevich）模型、DFT（Density functional theory）模型等用于測試結(jié)果分析。目前尚無有效手段實(shí)現(xiàn)這部分孔隙的直接觀測。FESEM 對10 nm 以下的孔隙、裂隙觀測效果差，圖像模糊；TEM 是煤大分子結(jié)構(gòu)研究的有效手段，但無法直接觀測煤中孔隙，需進(jìn)行圖像分析，且觀測效果受煤中礦物影響嚴(yán)重；AFM 側(cè)重于表面形貌觀測，對三維結(jié)構(gòu)鞭長莫及，高分辨率下觀測視域小。近年，HIM、FIBSEM 等新型掃描電子顯微鏡技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用HIM、FIB-SEM等先進(jìn)測試手段實(shí)現(xiàn)孔徑<10 nm的孔隙的有效觀測，以至構(gòu)建三維孔隙結(jié)構(gòu)模型，被提上日程。

（3）煤層孔隙、裂隙的表征參數(shù)仍以孔徑分布特征、孔容、比表面積、分形維數(shù)、二維形貌等為主，這些參數(shù)很好地表征了孔隙、裂隙基本特征，但是難以描述孔隙、裂隙內(nèi)部真實(shí)三維空間結(jié)構(gòu)，無法刻畫孔隙、裂隙內(nèi)表面與煤層流體之間的界面性質(zhì)，以及孔隙—裂隙中氣—水傳質(zhì)機(jī)制，限制了對煤層中流體滲流機(jī)理的認(rèn)識。更進(jìn)一步地，不同煤巖顯微組分中孔隙、裂隙內(nèi)表面與氣—水的界面性質(zhì)存在顯著差異，產(chǎn)生微觀尺度的“非均質(zhì)性”，即不同煤巖顯微組分中流體的毛管力、摩擦阻力不同，氣、水運(yùn)移規(guī)律亦不同。因此，需要對孔隙、裂隙開展更精細(xì)的描述，并與氣—水傳質(zhì)過程密切結(jié)合，定量表征孔喉截面形狀、迂曲度、表面粗糙度、表面張力、潤濕性等關(guān)鍵參數(shù)。

（4）不同的研究手段只能開展特定尺度下的孔隙、裂隙發(fā)育特征和連通關(guān)系的研究，煤層整體連通性和煤層流體運(yùn)移產(chǎn)出規(guī)律的認(rèn)識受到限制。數(shù)字巖石物理表征技術(shù)為此打開了新的視野和思路，目前已實(shí)現(xiàn)特定尺度范圍的孔隙—裂隙三維結(jié)構(gòu)的真實(shí)刻畫，但不同表征技術(shù)、不同尺度表征結(jié)果的融合仍未突破。實(shí)現(xiàn)不同尺度孔隙、裂隙表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有機(jī)結(jié)合，甚至工程尺度地震、成像測井解析結(jié)果與表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)融合，成為新的研究方向，其中非均質(zhì)性表征、尺度升級、多尺度融合等科學(xué)問題成為關(guān)鍵，而創(chuàng)建我國主要含煤盆地數(shù)字巖石物理庫，建立“Googol Map”模式的“多尺度”孔隙—裂隙結(jié)構(gòu)表征模型是其目標(biāo)。

5 結(jié)束語

我國煤層氣資源豐富，是目前最現(xiàn)實(shí)、可靠的非常規(guī)油氣資源之一。煤層氣規(guī)模化高效開發(fā)是我國資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、能源產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級、煤炭清潔高效開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的國家重大需求。以煤層孔隙、裂隙精細(xì)表征為基礎(chǔ)，查明煤層氣富集高滲區(qū)發(fā)育機(jī)制，探究煤層氣高效開發(fā)的微觀機(jī)理，實(shí)現(xiàn)煤層氣開發(fā)甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測方法與勘探開發(fā)工藝技術(shù)的突破，是我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，也是非常規(guī)油氣沉積學(xué)的重要研究內(nèi)容，對豐富和完善非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)理論內(nèi)涵具有積極作用。本文總結(jié)了煤層孔隙、裂隙研究方法，梳理了前人對煤層孔隙、裂隙發(fā)育特征、連通關(guān)系，及其影響因素的研究成果。基于筆者的認(rèn)識，分析了煤層孔隙、裂隙研究的趨勢。限于筆者的研究工作和能力，文中不足之處，望請指正。