煤儲層滲透率影響因素

劉慧盈

摘 要：煤儲層滲透率對研究煤層氣的產出及運移規律有著重要的意義，理清其影響因素對于有效預測煤儲層滲透率、尋找有利勘探區具有重要的實際價值。該文從裂隙系統、構造應力、煤巖類型、煤變質程度、煤體結構、溫度、有效應力、基質的收縮效應、層理等方面對煤儲層滲透性的影響進行了分析，并得出了具有針對性的結論。

關鍵詞：煤層氣 滲透率 影響因素 綜述

中圖分類號：P618 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-0-02

煤層氣是以吸附狀態富集在煤儲層中的一種“自生自儲”式非常規天然氣，我國煤層氣資源豐富，儲量居于世界前列，開發利用的前景廣闊。滲透率是煤層氣開發中的關鍵因素之一，直接關系到煤層氣的產出能力，同時煤層氣滲透率對研究煤層氣的賦存、壓力分布、解吸排放及運移規律也有著重要的意義。煤儲層滲透率主要受裂隙系統的發育程度、基質顯微結構等內部因素以及多種外部因素的影響，筆者在系統分析前人研究成果的基礎上，總結了不同地質條件下煤儲層滲透率的主控因素，這對于有效預測煤儲層滲透率、尋找有利勘探區具有一定的實際意義和參考價值。

1 煤儲層滲透率的控制因素

1.1 裂隙系統

煤儲層的裂隙系統一般分為內生裂隙（割理）和外生裂隙、繼承性裂隙三部分。裂隙系統是煤層氣在煤層中的滲透路徑，煤層的滲透性取決于裂隙系統的發育程度和連通程度[1]，經前人研究發現，裂隙發育的煤儲層與裂縫不發育的煤儲層相比，滲透率相差1～2個數量級，且裂隙越發育，連通性越好，越利于流體的滲流，這對煤層氣可采性評價有極其重要的指導意義。

煤儲層裂縫的形成主要受構造應力、煤巖類型、煤變質程度等因素的影響。

1.1.1 構造應力

由于煤的低楊氏模量，性軟而脆的力學性質，所以外部條件對裂縫的產生及對滲透率的影響是通過煤儲層自身形變而實現的，而應力的改變最易引起形變。有學者認為是古構造應力是控制割理發育程度的主控因素，成煤期后的構造活動是產生煤層構造裂縫的主要因素，構造活動強度的大小對煤儲層的滲透性既有建設性作用，也有破壞性作用。

適度的斷裂和褶皺等構造作用可以增加煤層的割理密度，提高滲透率，所以構造裂縫發育地帶可以是高滲透煤層發育帶[2]。另外，成煤演化過程中產生的內生裂隙在后期構造作用下，會成為煤巖體中的破裂帶，而形成應力集中，演生為構造裂隙[3]。

構造應力場的最大主應力方向控制著煤儲層的滲透性：當構造應力場最大主應力方向與儲層的優勢裂隙組發育方向一致時，裂隙受到張應力的作用，裂隙寬度增大，滲透率增高，此時滲透率最大；當構造應力場最大主應力方向與煤儲層的優勢裂隙組發育方向垂直時，裂隙受到壓應力的作用，裂隙寬度減小，滲透率降低，此時滲透率最小；當構造應力場最大主應力方向與煤儲層的優勢裂隙組發育方向斜交時，則滲透率介于最大值與最小值之間。

1.1.2 煤巖類型

前人[4]研究表明，光亮煤中割理比較發育，暗淡煤中也可見割理，但其割理密度遠小于光亮煤。畢建軍等[5]也發現，割理一般發育在光亮煤分層中，極少延伸到暗淡煤分層中。因此，從顯微組分的組成上講，鏡質組含量越高，割理越發育，滲透性越好。從煤巖類型看，光亮煤的滲透性為最好，其次為半亮煤、半暗煤、暗

淡煤[6]。

1.1.3 煤變質程度

在煤化作用過程中，煤的組成及結構發生一系列變化，隨著這些變化煤的孔隙特征也表現出特有的演化規律，從而影響滲透性。一些學者在研究割理密度與煤級之間的關系時發現，割理密度從褐煤向煙煤（肥煤、焦煤）方向增大，而從煙煤向無煙煤方向減小，呈正態分布，即低變質和高變質程度的煤割理欠發育，中變質程度的煤割理發育，且割理越發育，滲透率越大[6]。

1.2 煤體結構

煤體結構是煤層氣滲透率評價和預測的基礎，煤體結構的好壞很大程度上影響著滲透率的高低。

由于煤是一種低楊氏模量高泊松比的巖石，其抗變形能力遠低于其他巖石，所以在成煤作用過程中后期，含煤系統經歷了不同期次的構造運動，使得煤儲層發生了不同程度、不同性質的變形，其結果是：依次將原生結構煤儲層破壞成碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤煤體[7]。

1）裂隙閉合階段：原生結構煤體，滲透率低，但可通過壓裂強化增透；

2）彈性階段：原生結構煤體，微裂隙摩擦滑動，出現破裂，導致滲透率增加；

3）彈塑性階段：碎裂煤體，巖石非彈性體積增長，巖石即將出現宏觀斷裂破壞，是滲透率增加速率最大的階段；

4）塑性階段：碎裂煤體形成階段，滲透率達到極大值；

5）沿某破裂面破壞階段：碎裂煤晚期及碎粒煤形成早期，由于裂隙的相互切割、煤沿破裂面滑移，導致滲透率降低；

6）流變破壞階段：糜棱煤階段，滲透率急劇下降。

1.3 有效應力

孔隙內部的流體有分散上覆巖石壓力的作用，從而改變巖石的應力，隨著孔隙流體壓力的增加，巖石的應力減小。巖石在成巖過程中，隨著所受壓力的增加，當巖石不可壓縮時，顆粒之間越來越緊密，孔隙空間越來越小，孔隙之間的連通性越來越差。所以可以看出，在有效應力的作用下，巖石的滲透率有隨有效應力增加而降低的趨勢，并且在有效應力較小時，降低更快，反之則慢

一些[8]。

有研究表明，不同外圍應力條件下，溫度對煤基質具有外膨脹和內膨脹兩種影響效應，進而使滲透率呈現不同的變化規律[9]：

滲透率隨溫度的升高呈現兩種不同的變化規律，即在高應力條件下，滲透率隨溫度的升

高而降低；在低應力條件下，煤體滲透率隨溫度的升高而升高。如圖，當σef<1.7-2.0 MPa時，55 ℃的煤體滲透率大于30 ℃的滲透率，45 ℃的滲透率介于以上兩者之間；當σef>2.0 MPa時，各等有效應力條件下，煤體滲透率隨著溫度的升高而降低。

此外，對比不同溫度的滲流曲線還可以發現，變化相同的有效應力值，55 ℃的滲透率曲線比30 ℃、45 ℃的滲透率曲線下降幅度要大，而45 ℃曲線的下降幅度又大于30 ℃。這是由于溫度的升高，煤體孔隙的可壓縮量變大，進而使得滲透率變化幅度也變大，可見溫度的升高使滲透率對有效應力變化的敏感程度大大增加。

1.4 基質的收縮效應

在煤儲層正常未開采情況下，若不經受大的構造運動的影響，其滲透率基本上為一定值，然而伴隨著煤層氣的開采，其平衡狀態遭受破壞，導致滲透率發生變化。實驗表明，煤層氣開發過程中，當儲層壓力降低至臨界解吸壓力以下時，煤層氣開始解析，此時煤基質開始收縮，從而導致水平應力下降，有效應力相應減小，裂隙寬度增加，滲透率增加[1]。

1.5 層理的影響

煤儲層原生層理對其滲透率也有著較大的影響，同一塊煤樣在相同條件下測定滲透率，滲透壓力的方向如果與煤樣的層理面垂直，則滲透率最小；滲透壓力的方向如果與煤樣的層理面平行，則滲透率最大[10]，且平行層理的滲透率是垂直層理時的2～10倍。現象表明，受原始沉積層理的影響，滲透性在煤儲層的不同方向上存在著差異。

2 結語

綜上所述，煤儲層滲透率的影響因素可歸納為兩大類：一類是由成巖過程所決定的內部因素，包括煤儲層的內生裂隙、有機組分及原生層理；另一類是由外部條件所決定的外部因素，包括煤儲層的外生裂隙、變質程度、煤體結構、地區構造應力、有效應力、溫度及基質的收縮效應。因此在進行煤儲層滲透性的預測時，要具體分析不同因素對滲透率的影響。

同一個地區（小范圍）的煤儲層所處的外部環境相同，小范圍內煤儲層受外界條件改造的程度近乎一致，這種情況下，內部因素的差異對煤儲層滲透率的影響占主要地位。

而不同地區（大范圍）的煤儲層由于所處外部環境不同，其受不同外界條件改造程度不同，所以不同地區煤儲層滲透率變化較大，且滲透率變化規律也有一定的差別。因此，在這種情況下對煤儲層滲透性進行預測時，內部因素和外部因素的影響要綜合考慮。

一般來說，由于煤儲層從形成至今，一直在受外部環境的改造作用，所以外部因素對煤儲層滲透率的最終預測具有更重要的意義。當然，如果一個地區構造應力場穩定，煤儲層被改造程度小，此時，內部因素對煤儲層滲透性的預測具有更主導的地位。

參考文獻

[1] 蘇現波，陳江峰，孫俊民，等.煤層氣地質學與勘探開發[M].北京：科學出版社，2001：22-36.

[2] 張泓，王繩祖，鄭玉柱，等.古構造應力場與低滲煤儲層的相對高滲區預測[J].煤炭學報，2004，29（6）：708-711.

[3] 員爭榮.構造應力場對煤儲層滲透性的控制機制研究[J].煤田地質與勘探，2004，32（4）：23-25.

[4] 張勝利，李寶芳.煤層割理的形成機理及在煤層氣勘探開發評價中的意義[J].中國煤田地質，1996，8（1）：72-77.

[5] 畢建軍，蘇現波，韓德馨，等.煤層割理與煤級的關系[J].煤炭學報，2001，26（4）：346-349.

[6] 薄冬梅，趙永軍，姜林.煤儲層滲透性研究方法及主要影響因素[J].油氣地質與采收率，2008，15（1）：20.

[7] 倪小明，蘇現波，張小東.煤層氣開發地質學[M].北京：化學工業出版社，2009.12：27-31.

[8] 周遠田.巖石滲透率與其應力的關系及應用[J].礦物巖石，1999，19（1）：34.

[9] 李志強，鮮學福.煤體滲透率隨溫度和應力變化的實驗研究[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版）.2009（28）：156-158.

[10] 王錦山.煤層氣儲層兩相流體滲透率試驗研究[J].西安科技大學學報，2006，26（1）：26.