煤儲層滲透性研究現狀及展望

趙 宇

（河南理工大學土木工程學院，河南焦作454003）

煤儲層滲透性研究現狀及展望

趙 宇*

（河南理工大學土木工程學院，河南焦作454003）

煤儲層滲透率是控制煤層氣開采的主要儲層參數之一，對研究煤層氣的產出及運移規律有著重要意義，總結其影響因素對于有效預測煤儲層滲透率、尋找有利勘探區塊具有重要的實際價值。在系統整理國內外有關研究資料的基礎上，對儲層物理模型、煤層氣滲流模型、煤儲層滲透性影響因素等方面的研究進展進行了梳理總結。對今后的煤儲層滲透性研究工作提出了作者的一些看法。

煤儲層；滲透率；煤層氣；影響因素

煤儲層主要指吸附一定的甲烷氣體且發育有連通的孔、裂隙系統，煤層氣在壓降作用下能夠發生流動的三維煤巖體。美國是較早進行煤層氣開發利用的國家，煤層氣工業起步于20世紀70年代，20世紀80年代實現了大規模的商業開發，其煤層氣開發最成功的是圣胡安盆地，滲透率比較高，約為5～15mD。我國煤層氣勘探起步較晚，勘探開發明顯落后于美國，從20世紀80年代才開始進行現代煤層氣技術的研究和開發試驗工作。我國煤盆地一般都經歷復雜的熱演化和構造演化，構造樣式復雜多樣，煤儲層物性差異較大，滲透率偏低，富產煤層氣的煤級是幾個高級煤、無煙煤和貧煤[1]。我國煤層氣儲層與美國等在儲層物性上的巨大差異導致在引進別國開發煤層氣經驗的初始階段收效不明顯，甚至限制了我國煤層氣產業的發展。

煤儲層滲透性是反映煤層中氣、水等流體的滲透性能的重要參數，決定著煤層氣的運移和產出。大量的研究和生產實踐表明，煤儲層滲透率與儲層孔裂隙體系、現代構造應力場的性質和大小、煤化作用和構造演化歷史、地下水活動等關系密切。近三十年來，大量學者針對我國煤層氣儲層的特征進行了一系列的研究，在煤儲層物性方面取得了豐碩的成果，這對于有效預測煤儲層滲透率，尋找有利勘探區塊具有一定的實際意義和參考價值。

1 煤儲層物理模型研究進展

煤體是一種非均質的、各向異性的多孔介質，長期以來研究者一直將煤儲層看成是由孔隙、裂隙組成的“雙重孔隙”結構系統，其中基質孔隙是煤層氣的賦存空間，割理和裂隙對煤層氣運移和產出具有決定作用[2]。傅雪海等[3]認為，“雙重孔隙”結構的認識將孔隙與裂隙截然割裂開來，無法系統定義其線性特征，因此提出了“三元裂隙—孔隙系統”概念，認為孔隙是煤層氣的主要儲集場所，宏觀裂隙是煤層氣的運移通道，而顯微裂隙則是溝通孔隙與裂隙的橋梁。王生維等[4]系統研究了晉城成莊礦發育的外生裂隙、氣脹節理和內生裂隙組成的大裂隙系統的發育特征及其控制機理。劉大錳等[5]對安鶴煤田儲層物性進行精細描述，并劃分了煤層氣有利分布區。許浩等[6]系統研究了沁水盆地煤儲層孔隙系統發育的4種模型，并探討了其對煤層氣滲透性的貢獻。姚艷斌等[7]對我國華北重點煤層氣區煤儲層的孔—裂隙系統進行了精細、定量描述，并探討了它們對煤層氣儲集及開采的意義。

早期人們注意到煤層中含有大量的游離瓦斯（主要成份為CH4），故煤儲層被當成一種氣—固雙相介質。然而煤在成巖、煤化作用過程中逐漸變成多孔物質，其內部微孔十分發育，具有巨大的表面積，對CH4產生很強的吸附作用，實驗統計分析表明，煤儲層中75%～90%的瓦斯是呈層狀吸附于煤內孔、裂隙的內表面，孔、裂隙空間的游離瓦斯只占有10%～20%[8]，在一定溫壓條件下吸附瓦斯與游離瓦斯處于動態平衡狀態，因此，煤儲層是一種由固態、吸附態和氣態組成的三相介質[9]。

2 煤儲層滲透性影響因素綜述

2.1 割理系統

煤儲層割理系統是煤層氣開采過程中水和氣產出的主要滲流路徑，是影響煤儲層滲透率的主要因素。割理是煤層通過煤化作用、巖化作用、干縮作用和構造應力等過程而形成的天然裂隙，割理可以分為面割理、端割理。面割理連續性好，端割理連續性差且終止于面割理。大量的研究結果表明，滲透率主要與裂隙的延伸方向、裂隙的寬度、密度、裂隙的連通性有關。Levine J R（1996）[10]實驗分析認為煤儲層滲透率與割理寬度的立方成正比,與割理間距成反比。

式中：K——絕對滲透率，10-3μm2；

w——割理縫寬，mm；

S——割理間距，mm；

C——割理粗糙系數。

樊明珠等（1997）[11]制定了割理的類型劃分方案與平面組合，認為其他條件比如地層壓力和煤體結構等相似時，滲透性最好的是具有網狀割理的煤層，具有孤立—網狀的煤層滲透性一般，最差的是具有孤立狀的煤層。傅雪海等（2003）[12]通過對沁水盆地中南部煤儲層滲透性數值模擬表明,煤儲層滲透率隨割理面密度的增加呈指數形式增大。

式中：K——裂隙面密度模擬滲透率，10-3μm2；

Sf——裂隙面密度，條/m2；

a、b——擬合系數。

總體來講，裂隙延伸方向、裂隙寬度、裂隙密度、裂隙的連通性是影響煤儲層滲透性的關鍵特征，裂隙延伸方向上滲透率較高，裂隙寬度越大、密度越大、連通性越好,滲透率越高，目前割理特征與滲透率的定性關系已基本達成共識，但尚未形成統一的相關的滲透率預測定量模型，綜合考慮各項特征參數，選擇理想的數據處理方法，將會推動滲透率預測的定量化研究進程。

2.2 煤體結構及埋深

煤體結構就是在一系列的大地地質構造運動以后，煤的構造和結構均遭到一定的破壞后它們保持原樣的程度。煤巖學上把煤體結構劃分為原生結構、碎裂結構、碎粒結構和糜棱結構4類。原生結構煤，煤層基本上未遭受后期構造運動的破壞，煤的原生層理和結構形態保存完整，清楚可見，有少量裂縫存在；糜棱結構煤，煤層的原生層理和結構被完全破壞，煤層中構造鏡面很發育，煤成粉末狀或鱗片狀，手搓捻即成煤粉；碎裂結構煤和碎粒結構煤，其特征介于上述二者之間。

煤體結構間接反映了滲透率，它是煤儲層在構造應力下的產物。研究表明原生結構煤與碎裂結構煤中，由于原生的或后期區域性的不太強構造應力作用所形成的裂縫系統的存在，裂縫保存著較好的開啟性和連通性，因而使煤層具有比較好的滲透性能。如果裂隙被壓縮變形導致不存在，煤粉把裂隙給部分堵塞從而降低了滲透性，因此碎粒結構煤和糜棱結構煤的滲透性一般比較差，吳頻等（1997）[13]實驗研究驗證了煤儲層是碎粒、糜棱結構時滲透性顯著變差，煤儲層的滲透性隨煤體結構破壞的嚴重程度而變差。張慧（2001）[14]通過對遼中地區研究提出塊煤率與滲透率的相關性，塊煤率高的地區煤儲層的滲透性好，塊煤率高的地區煤層一般都是原生結構和碎裂結構，塊煤率低的地區煤儲層的滲透性差，塊煤率基本上可以反映滲透性。郭德勇等（1998）[15]深入研究了原生結構煤和構造煤的孔隙度與滲透率的關系,發現原生結構煤在圍壓下孔隙度和滲透率的變化相對較小,而構造煤的孔隙度和滲透率在圍壓下變化顯著,而且粒度不同、不同煤種發生的變化有差別。對于糜棱煤，在圍壓下滲透率急劇降低，且不可進行強化作業，目前被認為是煤層氣開發的禁區。

巖層的密度遠大于孔隙中流體的密度，致使垂直應力的增加幅度較大，傅雪海等（2001）[16]研究認為煤儲層滲透率具有隨埋深加大呈指數減小的趨勢，但需指出的是，擬合出的理論關系式中所提煤層埋深參數為未經構造抬升的最終埋深，未考慮煤巖經歷多期構造演化的影響。但是埋深對煤層滲透率的影響機理與有效應力的影響相近，即隨著埋藏深度的增加上覆地層的重力對裂隙的壓迫作用增強，使有效應力增加，反而不利于煤儲層的裂隙發育，從而滲透性降低。故埋深依然是影響煤儲層滲透率的重要因素。

2.3 煤變質作用

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。Ammosov等[17]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。另外，秦建中等按霍多特提出的煤巖孔隙分級標準，對煤巖孔隙與鏡質體反射率的關系進行了探討，發現煤巖大孔隙在中煤級（0.5%＜R0＜2.0%）階段比低煤級和高煤級階段發育，從這一方面來講，可以認為在中煤級階段滲透性較好。但Law[18]在對阿伯拉契亞盆地群和落磯山盆地群的研究中發現，從褐煤到無煙煤階段割理間距與鏡質體反射率的倒數呈指數關系，即從褐煤到煙煤階段，割理密度迅速增大，從煙煤至無煙煤階段基本不變。這與Ammosov提出的呈正態分布的理論有所不同。Law認為是構造形變背景的差異所致，而畢建軍等解釋在高煤級階段割理不發育是由于次生顯微組分的充填和膠合作用使割理發生閉合。

筆者認為，從煤的機械性質上講，硬度和脆度同屬抵抗外來應力的量度。煤層在由低變質煤向中變質煤演化的過程中，脆度逐漸增強，容易生成裂縫；但在中變質煤逐漸向高變質煤演化的過程中，硬度逐漸增大，脆度逐漸變小，不易形成裂縫，并且在高變質階段，一般埋藏較深、溫度較高，上覆地層的壓實作用、充填與膠合作用會使割理發生閉合，從而降低煤層的滲透性。

2.4 有效應力

煤巖不同于常規天然氣儲集巖，煤巖塑性強，應力敏感性強,隨著有效應力的增加，割理會變窄，從而降低煤儲層的滲透性。張廣洋等[19]在實驗中發現滲透率與平均有效應力呈現指數關系，Enever等（1997年）[20]發現澳大利亞煤儲層滲透率與有效地應力也呈指數關系。Mckee等（1988年）[21]在對美國黑勇士盆地煤層滲透率和埋深關系中發現，隨埋深和有效應力的增加，割理寬度變小，滲透率呈指數降低趨勢。何偉鋼等（2000年）[22]在對中國平頂山、沁源、韓城、陽泉、峰峰等礦區煤層進行滲透率與原地最小主應力研究發現，煤儲層滲透率與原地最小主應力呈指數關系。Levine等研究發現，隨著有效應力的增大，滲透率成指數降低趨勢，當應力達到一定數值，導致裂隙完全閉合，滲透率就不會再呈指數降低了。

大量的研究表明，煤儲層的滲透率與有效應力之間存在冪函數關系，隨著有效應力的升高，滲透率通常呈指數形式降低：

式中：K——某個應力下的滲透率，10-3μm2；

K0——初始應力下的滲透率，10-3μm2；

a——系數，取決于主應力的類型；

σ——初始應力到某個應力下，在這個變化過程中有效應力的變化值。

2.5 煤基質的收縮作用

基質收縮效應指當儲層壓力低于臨界解吸壓力后，吸附的煤層氣發生解吸導致煤基質收縮，儲層物性改善的效應。Gray認為，由于煤層氣解吸時，煤基質會收縮使得裂隙擴張，從而導致煤層滲透率的增大[23]；Harpalani等通過室內試驗發現，氣體壓力減小時，煤層氣解吸，煤基質體積減小，且煤基質體應變與解吸的氣體量呈線性關系[24]；Harpalani和Chen通過室內試驗研究了與解吸有關的煤巖體基質體積變化后得出，解吸引起的煤基質收縮變化遠大于基質的壓縮率[25]；Mavor等利用美國SanJuan盆地的現場實測數據驗證了“基質收縮理論”的正確性[26]；蘇現波等（1998）[27]提出了收縮作用使滲透性改變值Δk的關系式。

3 煤儲層滲透性研究趨勢

（1）煤儲層滲透率研究涉及三相、非均質、各向異性、三重孔裂隙介質，無論是室內實驗還是數值模擬研究，目前均是對某些方面進行假設簡化，得到某一條件下的滲透率。如何根據煤巖體所處的熱力學環境（溫度和壓力）以及煤巖微構造（孔隙、裂紋等）建立符合真實地層條件下的地質模型、數學模型還有待進一步深入研究。

（2）構造應力場是產生煤層構造裂縫的主要因素，對煤儲層的滲透性既有建設性作用，也有破壞性作用。原生結構煤由于不太強構造應力作用所形成的裂縫系統的存在，裂縫保存著較好的開啟性和連通性，因而使煤層具有比較好的滲透性能。而構造煤由于強烈的構造應力場使得裂隙被壓縮變形導致不存在，煤粉把裂隙給部分堵塞從而降低了滲透性，因此滲透性一般比較差，且大都無法壓裂，目前被認為是煤層氣開發的禁區，但構造煤中煤層氣（瓦斯）含量較大，如何突破構造煤是煤層氣開發的禁區，提高構造煤儲層滲透率需要進一步研究。

（3）前人研究表明，煤層氣富集煤體在超聲波參數、彈性參數、強度參數、電阻率等物理特性上存在著明顯的差異，研究變溫變壓條件下，多相介質煤巖體超聲波參數（波速、品質因子Q及彈性參數等）與儲層滲透率之間的關系，嘗試通過地球物理方法進行煤（煤層氣）儲層滲透率預測。

（4）煤儲層滲透性在煤層氣抽采過程中不斷發生變化，是煤基質變形和有效應力變化兩種因素綜合作用的結果，必須考慮流—固耦合模型來綜合評價儲層滲透性。

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P618.11

A

1004-5716（2015）01-0136-04

2014-03-03

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”專項子課題“煤層各向異性與滲透性”（編號：2011ZX05040-005-004）。

趙宇（1981-），男（漢族），河南永城人，河南理工大學在讀博士研究生，研究方向：構造煤。