煤儲層滲透性研究現(xiàn)狀及展望

趙 宇

（河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作454003）

煤儲層滲透性研究現(xiàn)狀及展望

趙 宇*

（河南理工大學(xué)土木工程學(xué)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(shù)之一，對研究煤層氣的產(chǎn)出及運移規(guī)律有著重要意義，總結(jié)其影響因素對于有效預(yù)測煤儲層滲透率、尋找有利勘探區(qū)塊具有重要的實際價值。在系統(tǒng)整理國內(nèi)外有關(guān)研究資料的基礎(chǔ)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(jié)。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(fā)育有連通的孔、裂隙系統(tǒng)，煤層氣在壓降作用下能夠發(fā)生流動的三維煤巖體。美國是較早進行煤層氣開發(fā)利用的國家，煤層氣工業(yè)起步于20世紀(jì)70年代，20世紀(jì)80年代實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)開發(fā)，其煤層氣開發(fā)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(fā)明顯落后于美國，從20世紀(jì)80年代才開始進行現(xiàn)代煤層氣技術(shù)的研究和開發(fā)試驗工作。我國煤盆地一般都經(jīng)歷復(fù)雜的熱演化和構(gòu)造演化，構(gòu)造樣式復(fù)雜多樣，煤儲層物性差異較大，滲透率偏低，富產(chǎn)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(dǎo)致在引進別國開發(fā)煤層氣經(jīng)驗的初始階段收效不明顯，甚至限制了我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(shù)，決定著煤層氣的運移和產(chǎn)出。大量的研究和生產(chǎn)實踐表明，煤儲層滲透率與儲層孔裂隙體系、現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的性質(zhì)和大小、煤化作用和構(gòu)造演化歷史、地下水活動等關(guān)系密切。近三十年來，大量學(xué)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(yù)測煤儲層滲透率，尋找有利勘探區(qū)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(zhì)的、各向異性的多孔介質(zhì)，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(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其中基質(zhì)孔隙是煤層氣的賦存空間，割理和裂隙對煤層氣運移和產(chǎn)出具有決定作用[2]。傅雪海等[3]認為，“雙重孔隙”結(jié)構(gòu)的認識將孔隙與裂隙截然割裂開來，無法系統(tǒng)定義其線性特征，因此提出了“三元裂隙—孔隙系統(tǒng)”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(tǒng)研究了晉城成莊礦發(fā)育的外生裂隙、氣脹節(jié)理和內(nèi)生裂隙組成的大裂隙系統(tǒng)的發(fā)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(qū)。許浩等[6]系統(tǒng)研究了沁水盆地煤儲層孔隙系統(tǒng)發(fā)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(qū)煤儲層的孔—裂隙系統(tǒng)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(dāng)成一種氣—固雙相介質(zhì)。然而煤在成巖、煤化作用過程中逐漸變成多孔物質(zhì)，其內(nèi)部微孔十分發(fā)育，具有巨大的表面積，對CH4產(chǎn)生很強的吸附作用，實驗統(tǒng)計分析表明，煤儲層中75%～90%的瓦斯是呈層狀吸附于煤內(nèi)孔、裂隙的內(nèi)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(tài)平衡狀態(tài)，因此，煤儲層是一種由固態(tài)、吸附態(tài)和氣態(tài)組成的三相介質(zhì)[9]。

2 煤儲層滲透性影響因素綜述

2.1 割理系統(tǒng)

煤儲層割理系統(tǒng)是煤層氣開采過程中水和氣產(chǎn)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(gòu)造應(yīng)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(xù)性好，端割理連續(xù)性差且終止于面割理。大量的研究結(jié)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(guān)。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(shù)。

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(jié)構(gòu)等相似時，滲透性最好的是具有網(wǎng)狀割理的煤層，具有孤立—網(wǎng)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(shù)值模擬表明,煤儲層滲透率隨割理面密度的增加呈指數(shù)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(shù)。

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(guān)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(guān)系已基本達成共識，但尚未形成統(tǒng)一的相關(guān)的滲透率預(yù)測定量模型，綜合考慮各項特征參數(shù)，選擇理想的數(shù)據(jù)處理方法，將會推動滲透率預(yù)測的定量化研究進程。

2.2 煤體結(jié)構(gòu)及埋深

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

煤體結(jié)構(gòu)間接反映了滲透率，它是煤儲層在構(gòu)造應(yīng)力下的產(chǎn)物。研究表明原生結(jié)構(gòu)煤與碎裂結(jié)構(gòu)煤中，由于原生的或后期區(qū)域性的不太強構(gòu)造應(yīng)力作用所形成的裂縫系統(tǒng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)煤和糜棱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)時滲透性顯著變差，煤儲層的滲透性隨煤體結(jié)構(gòu)破壞的嚴(yán)重程度而變差。張慧（2001）[14]通過對遼中地區(qū)研究提出塊煤率與滲透率的相關(guān)性，塊煤率高的地區(qū)煤儲層的滲透性好，塊煤率高的地區(qū)煤層一般都是原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)，塊煤率低的地區(qū)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(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤的孔隙度與滲透率的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)原生結(jié)構(gòu)煤在圍壓下孔隙度和滲透率的變化相對較小,而構(gòu)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(fā)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(yè)，目前被認為是煤層氣開發(fā)的禁區(qū)。

巖層的密度遠大于孔隙中流體的密度，致使垂直應(yīng)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(shù)減小的趨勢，但需指出的是，擬合出的理論關(guān)系式中所提煤層埋深參數(shù)為未經(jīng)構(gòu)造抬升的最終埋深，未考慮煤巖經(jīng)歷多期構(gòu)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(yīng)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(yīng)力增加，反而不利于煤儲層的裂隙發(fā)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(zhì)作用

在煤化作用過程中，煤的組成及結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列變化，隨著這些變化煤的孔隙特征也表現(xiàn)出特有的演化規(guī)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(guān)系時發(fā)現(xiàn)，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(tài)分布，即低變質(zhì)和高變質(zhì)程度的煤割理欠發(fā)育，中變質(zhì)程度的煤割理發(fā)育。另外，秦建中等按霍多特提出的煤巖孔隙分級標(biāo)準(zhǔn)，對煤巖孔隙與鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系進行了探討，發(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn)，從褐煤到無煙煤階段割理間距與鏡質(zhì)體反射率的倒數(shù)呈指數(shù)關(guān)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(tài)分布的理論有所不同。Law認為是構(gòu)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(fā)育是由于次生顯微組分的充填和膠合作用使割理發(fā)生閉合。

筆者認為，從煤的機械性質(zhì)上講，硬度和脆度同屬抵抗外來應(yīng)力的量度。煤層在由低變質(zhì)煤向中變質(zhì)煤演化的過程中，脆度逐漸增強，容易生成裂縫；但在中變質(zhì)煤逐漸向高變質(zhì)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(zhì)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(fā)生閉合，從而降低煤層的滲透性。

2.4 有效應(yīng)力

煤巖不同于常規(guī)天然氣儲集巖，煤巖塑性強，應(yīng)力敏感性強,隨著有效應(yīng)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(fā)現(xiàn)滲透率與平均有效應(yīng)力呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，Enever等（1997年）[20]發(fā)現(xiàn)澳大利亞煤儲層滲透率與有效地應(yīng)力也呈指數(shù)關(guān)系。Mckee等（1988年）[21]在對美國黑勇士盆地煤層滲透率和埋深關(guān)系中發(fā)現(xiàn)，隨埋深和有效應(yīng)力的增加，割理寬度變小，滲透率呈指數(shù)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(qū)煤層進行滲透率與原地最小主應(yīng)力研究發(fā)現(xiàn)，煤儲層滲透率與原地最小主應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系。Levine等研究發(fā)現(xiàn)，隨著有效應(yīng)力的增大，滲透率成指數(shù)降低趨勢，當(dāng)應(yīng)力達到一定數(shù)值，導(dǎo)致裂隙完全閉合，滲透率就不會再呈指數(shù)降低了。

大量的研究表明，煤儲層的滲透率與有效應(yīng)力之間存在冪函數(shù)關(guān)系，隨著有效應(yīng)力的升高，滲透率通常呈指數(shù)形式降低：

式中：K——某個應(yīng)力下的滲透率，10-3μm2；

K0——初始應(yīng)力下的滲透率，10-3μm2；

a——系數(shù)，取決于主應(yīng)力的類型；

σ——初始應(yīng)力到某個應(yīng)力下，在這個變化過程中有效應(yīng)力的變化值。

2.5 煤基質(zhì)的收縮作用

基質(zhì)收縮效應(yīng)指當(dāng)儲層壓力低于臨界解吸壓力后，吸附的煤層氣發(fā)生解吸導(dǎo)致煤基質(zhì)收縮，儲層物性改善的效應(yīng)。Gray認為，由于煤層氣解吸時，煤基質(zhì)會收縮使得裂隙擴張，從而導(dǎo)致煤層滲透率的增大[23]；Harpalani等通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，氣體壓力減小時，煤層氣解吸，煤基質(zhì)體積減小，且煤基質(zhì)體應(yīng)變與解吸的氣體量呈線性關(guān)系[24]；Harpalani和Chen通過室內(nèi)試驗研究了與解吸有關(guān)的煤巖體基質(zhì)體積變化后得出，解吸引起的煤基質(zhì)收縮變化遠大于基質(zhì)的壓縮率[25]；Mavor等利用美國SanJuan盆地的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證了“基質(zhì)收縮理論”的正確性[26]；蘇現(xiàn)波等（1998）[27]提出了收縮作用使?jié)B透性改變值Δk的關(guān)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(zhì)、各向異性、三重孔裂隙介質(zhì)，無論是室內(nèi)實驗還是數(shù)值模擬研究，目前均是對某些方面進行假設(shè)簡化，得到某一條件下的滲透率。如何根據(jù)煤巖體所處的熱力學(xué)環(huán)境（溫度和壓力）以及煤巖微構(gòu)造（孔隙、裂紋等）建立符合真實地層條件下的地質(zhì)模型、數(shù)學(xué)模型還有待進一步深入研究。

（2）構(gòu)造應(yīng)力場是產(chǎn)生煤層構(gòu)造裂縫的主要因素，對煤儲層的滲透性既有建設(shè)性作用，也有破壞性作用。原生結(jié)構(gòu)煤由于不太強構(gòu)造應(yīng)力作用所形成的裂縫系統(tǒng)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(gòu)造煤由于強烈的構(gòu)造應(yīng)力場使得裂隙被壓縮變形導(dǎo)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(fā)的禁區(qū)，但構(gòu)造煤中煤層氣（瓦斯）含量較大，如何突破構(gòu)造煤是煤層氣開發(fā)的禁區(qū)，提高構(gòu)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(shù)、彈性參數(shù)、強度參數(shù)、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(zhì)煤巖體超聲波參數(shù)（波速、品質(zhì)因子Q及彈性參數(shù)等）與儲層滲透率之間的關(guān)系，嘗試通過地球物理方法進行煤（煤層氣）儲層滲透率預(yù)測。

（4）煤儲層滲透性在煤層氣抽采過程中不斷發(fā)生變化，是煤基質(zhì)變形和有效應(yīng)力變化兩種因素綜合作用的結(jié)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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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(fā)”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(xué)在讀博士研究生，研究方向：構(gòu)造煤。