煤儲(chǔ)層滲透率影響因素

劉慧盈

摘 要：煤儲(chǔ)層滲透率對研究煤層氣的產(chǎn)出及運(yùn)移規(guī)律有著重要的意義，理清其影響因素對于有效預(yù)測煤儲(chǔ)層滲透率、尋找有利勘探區(qū)具有重要的實(shí)際價(jià)值。該文從裂隙系統(tǒng)、構(gòu)造應(yīng)力、煤巖類型、煤變質(zhì)程度、煤體結(jié)構(gòu)、溫度、有效應(yīng)力、基質(zhì)的收縮效應(yīng)、層理等方面對煤儲(chǔ)層滲透性的影響進(jìn)行了分析，并得出了具有針對性的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：煤層氣 滲透率 影響因素 綜述

中圖分類號：P618 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-0-02

煤層氣是以吸附狀態(tài)富集在煤儲(chǔ)層中的一種“自生自儲(chǔ)”式非常規(guī)天然氣，我國煤層氣資源豐富，儲(chǔ)量居于世界前列，開發(fā)利用的前景廣闊。滲透率是煤層氣開發(fā)中的關(guān)鍵因素之一，直接關(guān)系到煤層氣的產(chǎn)出能力，同時(shí)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(yùn)移規(guī)律也有著重要的意義。煤儲(chǔ)層滲透率主要受裂隙系統(tǒng)的發(fā)育程度、基質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)等內(nèi)部因素以及多種外部因素的影響，筆者在系統(tǒng)分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了不同地質(zhì)條件下煤儲(chǔ)層滲透率的主控因素，這對于有效預(yù)測煤儲(chǔ)層滲透率、尋找有利勘探區(qū)具有一定的實(shí)際意義和參考價(jià)值。

1 煤儲(chǔ)層滲透率的控制因素

1.1 裂隙系統(tǒng)

煤儲(chǔ)層的裂隙系統(tǒng)一般分為內(nèi)生裂隙（割理）和外生裂隙、繼承性裂隙三部分。裂隙系統(tǒng)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(tǒng)的發(fā)育程度和連通程度[1]，經(jīng)前人研究發(fā)現(xiàn)，裂隙發(fā)育的煤儲(chǔ)層與裂縫不發(fā)育的煤儲(chǔ)層相比，滲透率相差1～2個(gè)數(shù)量級，且裂隙越發(fā)育，連通性越好，越利于流體的滲流，這對煤層氣可采性評價(jià)有極其重要的指導(dǎo)意義。

煤儲(chǔ)層裂縫的形成主要受構(gòu)造應(yīng)力、煤巖類型、煤變質(zhì)程度等因素的影響。

1.1.1 構(gòu)造應(yīng)力

由于煤的低楊氏模量，性軟而脆的力學(xué)性質(zhì)，所以外部條件對裂縫的產(chǎn)生及對滲透率的影響是通過煤儲(chǔ)層自身形變而實(shí)現(xiàn)的，而應(yīng)力的改變最易引起形變。有學(xué)者認(rèn)為是古構(gòu)造應(yīng)力是控制割理發(fā)育程度的主控因素，成煤期后的構(gòu)造活動(dòng)是產(chǎn)生煤層構(gòu)造裂縫的主要因素，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度的大小對煤儲(chǔ)層的滲透性既有建設(shè)性作用，也有破壞性作用。

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

構(gòu)造應(yīng)力場的最大主應(yīng)力方向控制著煤儲(chǔ)層的滲透性：當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力方向與儲(chǔ)層的優(yōu)勢裂隙組發(fā)育方向一致時(shí)，裂隙受到張應(yīng)力的作用，裂隙寬度增大，滲透率增高，此時(shí)滲透率最大；當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力方向與煤儲(chǔ)層的優(yōu)勢裂隙組發(fā)育方向垂直時(shí)，裂隙受到壓應(yīng)力的作用，裂隙寬度減小，滲透率降低，此時(shí)滲透率最?。划?dāng)構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力方向與煤儲(chǔ)層的優(yōu)勢裂隙組發(fā)育方向斜交時(shí)，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(fā)育，暗淡煤中也可見割理，但其割理密度遠(yuǎn)小于光亮煤。畢建軍等[5]也發(fā)現(xiàn)，割理一般發(fā)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(zhì)組含量越高，割理越發(fā)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(zhì)程度

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。一些學(xué)者在研究割理密度與煤級之間的關(guān)系時(shí)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，且割理越發(fā)育，滲透率越大[6]。

1.2 煤體結(jié)構(gòu)

煤體結(jié)構(gòu)是煤層氣滲透率評價(jià)和預(yù)測的基礎(chǔ)，煤體結(jié)構(gòu)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(yuǎn)低于其他巖石，所以在成煤作用過程中后期，含煤系統(tǒng)經(jīng)歷了不同期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，使得煤儲(chǔ)層發(fā)生了不同程度、不同性質(zhì)的變形，其結(jié)果是：依次將原生結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)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(jié)構(gòu)煤體，滲透率低，但可通過壓裂強(qiáng)化增透；

2）彈性階段：原生結(jié)構(gòu)煤體，微裂隙摩擦滑動(dòng)，出現(xiàn)破裂，導(dǎo)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(xiàn)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(dá)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(dǎo)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(yīng)力

孔隙內(nèi)部的流體有分散上覆巖石壓力的作用，從而改變巖石的應(yīng)力，隨著孔隙流體壓力的增加，巖石的應(yīng)力減小。巖石在成巖過程中，隨著所受壓力的增加，當(dāng)巖石不可壓縮時(shí)，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(yīng)力的作用下，巖石的滲透率有隨有效應(yīng)力增加而降低的趨勢，并且在有效應(yīng)力較小時(shí)，降低更快，反之則慢

一些[8]。

有研究表明，不同外圍應(yīng)力條件下，溫度對煤基質(zhì)具有外膨脹和內(nèi)膨脹兩種影響效應(yīng)，進(jìn)而使?jié)B透率呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律[9]：

滲透率隨溫度的升高呈現(xiàn)兩種不同的變化規(guī)律，即在高應(yīng)力條件下，滲透率隨溫度的升

高而降低；在低應(yīng)力條件下，煤體滲透率隨溫度的升高而升高。如圖，當(dāng)σef<1.7-2.0 MPa時(shí)，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(dāng)σef>2.0 MPa時(shí)，各等有效應(yīng)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(fā)現(xiàn)，變化相同的有效應(yīng)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(jìn)而使得滲透率變化幅度也變大，可見溫度的升高使?jié)B透率對有效應(yīng)力變化的敏感程度大大增加。

1.4 基質(zhì)的收縮效應(yīng)

在煤儲(chǔ)層正常未開采情況下，若不經(jīng)受大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(tài)遭受破壞，導(dǎo)致滲透率發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)表明，煤層氣開發(fā)過程中，當(dāng)儲(chǔ)層壓力降低至臨界解吸壓力以下時(shí)，煤層氣開始解析，此時(shí)煤基質(zhì)開始收縮，從而導(dǎo)致水平應(yīng)力下降，有效應(yīng)力相應(yīng)減小，裂隙寬度增加，滲透率增加[1]。

1.5 層理的影響

煤儲(chǔ)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??；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(shí)的2～10倍?，F(xiàn)象表明，受原始沉積層理的影響，滲透性在煤儲(chǔ)層的不同方向上存在著差異。

2 結(jié)語

綜上所述，煤儲(chǔ)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(nèi)部因素，包括煤儲(chǔ)層的內(nèi)生裂隙、有機(jī)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(chǔ)層的外生裂隙、變質(zhì)程度、煤體結(jié)構(gòu)、地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力、有效應(yīng)力、溫度及基質(zhì)的收縮效應(yīng)。因此在進(jìn)行煤儲(chǔ)層滲透性的預(yù)測時(shí)，要具體分析不同因素對滲透率的影響。

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

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

一般來說，由于煤儲(chǔ)層從形成至今，一直在受外部環(huán)境的改造作用，所以外部因素對煤儲(chǔ)層滲透率的最終預(yù)測具有更重要的意義。當(dāng)然，如果一個(gè)地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場穩(wěn)定，煤儲(chǔ)層被改造程度小，此時(shí)，內(nèi)部因素對煤儲(chǔ)層滲透性的預(yù)測具有更主導(dǎo)的地位。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇現(xiàn)波，陳江峰，孫俊民，等.煤層氣地質(zhì)學(xué)與勘探開發(fā)[M].北京：科學(xué)出版社，2001：22-36.

[2] 張泓，王繩祖，鄭玉柱，等.古構(gòu)造應(yīng)力場與低滲煤儲(chǔ)層的相對高滲區(qū)預(yù)測[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004，29（6）：708-711.

[3] 員爭榮.構(gòu)造應(yīng)力場對煤儲(chǔ)層滲透性的控制機(jī)制研究[J].煤田地質(zhì)與勘探，2004，32（4）：23-25.

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

[5] 畢建軍，蘇現(xiàn)波，韓德馨，等.煤層割理與煤級的關(guān)系[J].煤炭學(xué)報(bào)，2001，26（4）：346-349.

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

[7] 倪小明，蘇現(xiàn)波，張小東.煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.12：27-31.

[8] 周遠(yuǎn)田.巖石滲透率與其應(yīng)力的關(guān)系及應(yīng)用[J].礦物巖石，1999，19（1）：34.

[9] 李志強(qiáng)，鮮學(xué)福.煤體滲透率隨溫度和應(yīng)力變化的實(shí)驗(yàn)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2009（28）：156-158.

[10] 王錦山.煤層氣儲(chǔ)層兩相流體滲透率試驗(yàn)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（1）：26.