煤巖氣相滲透率變化類型及判別模式

李俊乾，盧雙舫，薛海濤，王偉明，張鵬飛

(中國石油大學(xué)(華東) 非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東 青島　266580)

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煤巖氣相滲透率變化類型及判別模式

李俊乾，盧雙舫，薛海濤，王偉明，張鵬飛

(中國石油大學(xué)(華東) 非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東 青島266580)

摘要：煤巖氣相滲透率變化類型具有多樣性。針對我國32個煤礦的不同變質(zhì)程度煤巖樣品(制備54個巖心柱)，開展氣相(CO2)滲透率動態(tài)變化規(guī)律研究，基于氣體反彈壓力和滲透率傷害率2項指標(biāo)，劃分了煤巖氣相滲透率變化類型；結(jié)合煤巖煤質(zhì)數(shù)據(jù)，建立了滲透率變化類型判別模式。我國煤巖氣相(CO2)滲透率變化主要表現(xiàn)為下降型、反彈型和上升型3大類，包括8個小類；通過最大鏡質(zhì)組反射率—初始滲透率、惰鏡比(惰質(zhì)組含量與鏡質(zhì)組含量之比)—初始滲透率、固灰比(固定碳含量與灰分產(chǎn)率之比)—初始滲透率和惰鏡比—固灰比交會圖法，可有效識別煤巖氣相滲透率變化類型，為優(yōu)選有利的煤層氣開發(fā)儲層提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氣相滲透率；反彈壓力；滲透率傷害率；煤巖；煤層氣

煤儲層滲透率是影響煤層氣產(chǎn)量的重要儲層參數(shù)之一，關(guān)于煤儲層滲透性地質(zhì)控制因素及高滲區(qū)的預(yù)測已受到廣泛關(guān)注[1-8]。但在煤層氣開發(fā)實踐過程中，已逐漸認(rèn)識到煤儲層滲透率為動態(tài)滲透率，隨煤層氣井的排采而發(fā)生變化，特別是在產(chǎn)氣階段，煤巖氣相滲透率變化趨勢及控制因素更為復(fù)雜。針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量實驗研究，發(fā)現(xiàn)在壓降過程中煤巖氣相(吸附性氣體)滲透率變化具有多樣性[9]，且滲透率變化受有效應(yīng)力、基質(zhì)收縮和氣體滑脫三大地質(zhì)效應(yīng)的綜合影響[9-14]，基于有效應(yīng)力和/或基質(zhì)收縮效應(yīng)建立了多種滲透率變化的預(yù)測模型[1,15-23]。然而，對于我國不同變質(zhì)程度煤巖，在什么樣的煤里會出現(xiàn)怎樣的滲透率變化，仍有待解決。本文基于大量煤巖氣相(CO2)滲透率實驗，將滲透率變化過程作為一個整體進(jìn)行考慮，系統(tǒng)劃分了我國煤巖氣相滲透率變化類型，通過分析不同滲透率變化類型煤巖之間的物性和煤巖煤質(zhì)差異，建立了滲透率變化類型的判別模式，為尋找有利的煤層氣開發(fā)儲層提供依據(jù)。

1樣品及實驗

煤巖樣品取自三江—穆棱河含煤區(qū)(鶴崗、雞西和勃利盆地及綏濱坳陷)、霍州盆地、鄂爾多斯盆地渭北煤田以及沁水盆地東南部的32個煤礦(表1)。實驗之前，將煤巖樣品制備成直徑為2.5 cm的巖心柱，共計54個，在空氣條件下進(jìn)行干燥。本次滲透率實驗采用CO2氣體，圍壓恒定為5.0 MPa，出口壓力為大氣壓，調(diào)節(jié)進(jìn)口氣體壓力由4.0 MPa逐漸降至1.0 MPa，步長為0.5 MPa，共計8個壓力點，在每個氣體壓力下測定氣體流量。本次實驗參數(shù)設(shè)計用于模擬煤層氣體排采過程，實驗儀器及流量測試方法參見文獻(xiàn)[24]。對測試完滲透率的巖心進(jìn)行粉碎、制樣，在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)煤儲層物性實驗室進(jìn)行煤巖顯微組分、鏡質(zhì)組反射率以及工業(yè)分析等測試。

表1　恒定圍壓(5 MPa)條件下煤巖氣相(CO2)滲透率變化類型

注：Ro,max為最大鏡質(zhì)組反射率；K0為初始進(jìn)口壓力(4.0 MPa)下的氣相滲透率；η=(K0-K1)/K0，代表氣相滲透率傷害率，其中K1為進(jìn)口氣體壓力0.5 MPa時的氣相滲透率；Pt為氣體反彈壓力。上標(biāo)⊥為巖心柱垂直于層理方向； a為鶴崗盆地；b為沁水盆地；c為霍州盆地； d為雞西盆地； e為勃利盆地； f為渭北煤田； g為綏濱坳陷。

2實驗結(jié)果與討論

2.1煤巖氣相滲透率變化類型劃分

實驗結(jié)果顯示，在氣體壓力降低過程中，CO2氣體滲透率變化趨勢具有多樣性。為了將壓降過程中滲透率變化趨勢進(jìn)行有效分類，采用了氣體反彈壓力和滲透率傷害率2個定量指標(biāo)。①氣體反彈壓力，即在氣體壓力降低過程中煤巖氣相滲透率開始反彈時對應(yīng)的氣體壓力。由于測試壓力點有限(8個)，反彈壓力采用區(qū)間范圍。因此，本文將滲透率反彈時對應(yīng)的進(jìn)口氣體壓力總結(jié)為0.5~1，1~1.5，1.5~2，2~2.5，>4 MPa。②滲透率傷害率，即枯竭壓力時煤巖氣相滲透率與初始?xì)庀酀B透率之比值。本文枯竭壓力為0.3 MPa(即進(jìn)口氣體壓力0.5 MPa)，初始?xì)怏w壓力為2.05 MPa(進(jìn)口氣體壓力為4.0 MPa)。在5 MPa圍壓條件下，54個煤巖心氣相(CO2)滲透率傷害率范圍為-20%~99%。

根據(jù)氣體反彈壓力和滲透率傷害率2個指標(biāo)，將壓降過程中煤巖氣相滲透率變化分為下降型(類型Ⅰ)、反彈型(類型Ⅱ)和上升型(類型Ⅲ)3大類，其中類型Ⅱ可細(xì)分為3個小類(類型Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3)以及3個過渡類型(類型Ⅱ1-Ⅰ、Ⅱ2-Ⅰ和Ⅱ3-Ⅲ)，典型樣品見圖1。Ⅰ型煤巖氣相滲透率隨氣體壓力降低而逐漸降低，滲透率傷害率最大，范圍為66%~99%(平均83%)，在測試范圍內(nèi)未出現(xiàn)反彈。Ⅱ型煤巖氣相滲透率先降低后反彈升高：①Ⅱ1-Ⅰ和Ⅱ1型煤巖的氣體反彈壓力為0.5~1 MPa，該2種類型煤巖滲透率傷害率較高，前者為48%~71%(平均59%)，后者為17%~50%(平均35%)；②Ⅱ2-Ⅰ和Ⅱ2型煤巖的反彈壓力主要為1~1.5MPa，Ⅱ2-Ⅰ型僅出現(xiàn)于1個煤巖心，滲透率傷害率為46%；Ⅱ2型煤巖滲透率傷害率較低，為1%~35%(平均18%)；③Ⅱ3和Ⅱ3-Ⅲ型煤巖的反彈壓力較高，在1~1.5,1.5~2，2~2.5 MPa范圍均有出現(xiàn)，兩者滲透率傷害率均小于0，分別為-1%~-18%和-26%。Ⅲ型煤巖的氣體反彈壓力最高，大于4 MPa，滲透率傷害率最小，為-34%。由下降型→反彈型→上升型，煤巖的氣體反彈壓力逐漸升高，但滲透率傷害率逐漸降低(圖2)。

圖1　5 MPa圍壓條件下煤巖氣相(CO2)滲透率變化類型

從滲透率變化類型對煤層氣排采的影響而言，上升型好于反彈型，后者又好于下降型，而且氣體反彈壓力越高、滲透率傷害率越低，對煤層氣排采越有利。因此，煤巖滲透率變化類型由好至差依次為：Ⅲ型(出現(xiàn)頻率1.85%)、Ⅱ3-Ⅲ型(1.85%)、Ⅱ3型(3.7%)、Ⅱ2型(18.5%)、Ⅱ2-Ⅰ型(1.9%)、Ⅱ1型(29.6%)、Ⅱ1-Ⅰ型(18.5%)和Ⅰ型(24.1%)。其中，Ⅱ3、Ⅱ3-Ⅲ和Ⅲ型煤巖的氣體反彈壓力較高，滲透率傷害率較低，為有利的滲透率變化類型，也是煤層氣開發(fā)首選儲層類型，但出現(xiàn)頻率較低，僅為7.4%；Ⅱ2和Ⅱ2-Ⅰ型煤巖的氣體反彈壓力較高，滲透率傷害率中等，為較有利的滲透率變化類型，出現(xiàn)頻率為20.4%，該類型煤巖可重點考慮；Ⅱ1、Ⅱ1-Ⅰ和Ⅰ型煤巖的氣體反彈壓力較低，滲透率傷害率較高，屬于不利的滲透率變化類型，該類型出現(xiàn)頻率較高，達(dá)72.2%。由實驗結(jié)果可初步判斷，我國煤儲層多表現(xiàn)為不利的滲透率變化類型。

圖2　不同變化類型煤巖的滲透率傷害率

2.2不同滲透率變化類型煤巖的差異性

2.2.1煤變質(zhì)程度

本文測試的煤巖最大鏡質(zhì)組反射率(Ro,max)范圍為0.707%~3.318%(圖3)，煤類覆蓋氣煤至無煙煤。對于3種不利的滲透率變化類型，Ro,max大于和小于1.5%的煤巖均有存在，其中Ⅰ型煤主要出現(xiàn)于0.799%~1.060%(肥氣煤—肥煤)和2.353%~3.290%(貧煤—無煙煤)范圍內(nèi)；Ⅱ1-Ⅰ型煤主要出現(xiàn)于0.707%~1.089%(氣煤—肥煤)之間，在2.550%~2.915%(無煙煤)之間也有出現(xiàn)；Ⅱ1型煤多出現(xiàn)于0.747%~1.173%(氣煤—肥煤)，1.899%~2.057%(貧煤)和2.738%~3.318%(無煙煤)3個范圍內(nèi)。對于3種有利的滲透率變化類型以及較有利的滲透率變化類型Ⅱ2，主要出現(xiàn)于Ro,max大于1.5%的煤中，其中Ⅱ2型煤的鏡質(zhì)組反射率范圍為1.481%~3.054%(焦煤—無煙煤)。

圖3　不同變化類型煤巖的變質(zhì)程度

類型鏡質(zhì)組含量/%惰質(zhì)組含量/%殼質(zhì)組含量/%礦物質(zhì)含量/%水分含量(空氣干燥基)/%灰分產(chǎn)率(干燥基)/%固定碳含量(干燥無灰基)/%I68.2~95.081.10.6~16.57.40.0~13.33.12.1~15.58.60.58~1.811.093.78~31.4813.3766.24~89.5279.32Ⅱ1-Ⅰ61.5~91.773.10.2~28.315.30.0~10.62.32.6~33.79.30.65~1.451.084.38~34.0214.1265.78~91.5275.94Ⅱ169.2~95.487.10.0~17.94.80.0~4.30.82.8~15.47.30.55~2.421.367.55~30.2317.6855.28~90.3980.10Ⅱ2-Ⅰ*85.15.60.09.30.9317.6871.29Ⅱ267.5~90.784.10.6~8.14.10.05.6~30.311.80.33~2.070.8411.08~52.3821.6055.45~89.8281.04Ⅱ3*78.4~93.04.1~4.30.02.7~17.50.6~1.444.18~25.9168.01~89.85Ⅱ3-Ⅲ*87.40.80.011.60.6117.8887.47Ⅲ*83.36.20.010.60.3819.7480.23

注：*表示數(shù)據(jù)點較少。分式表示最小值～最大值/平均值。

2.2.2煤巖物質(zhì)組成

8種滲透率變化類型煤巖的有機顯微組分均以鏡質(zhì)組分為主(占60%以上)，其次為惰質(zhì)組分，殼質(zhì)組含量最低(表2)。殼質(zhì)組含量主要出現(xiàn)于3種不利的滲透率變化類型煤巖中，且Ⅰ型煤>Ⅱ1-Ⅰ型煤>Ⅱ1型煤。Ⅱ1型煤鏡質(zhì)組含量占絕對優(yōu)勢(平均87.1%)，惰質(zhì)組、殼質(zhì)組和礦物含量則相對較低。Ⅱ1-Ⅰ型煤的鏡質(zhì)組含量最低(平均73.1%)，而惰質(zhì)組含量最高(平均15.3%)?？傮w而言，不同滲透率變化類型煤巖之間的顯微組分差異性不顯著。

從煤質(zhì)角度而言，由于同一滲透率變化類型煤巖往往覆蓋多種煤類，因此各種變化類型煤巖的固定碳含量、水分含量和灰分產(chǎn)率分布范圍均較寬。總體上，固定碳含量在50%以上，水分含量在1%左右。與3種有利變化類型和較有利變化類型(Ⅱ2)煤巖相比，3種不利變化類型的煤巖固定碳含量和灰分產(chǎn)率略低，而水分含量略高。其中，Ⅰ型煤巖特低灰—高灰均有出現(xiàn)；Ⅱ1-Ⅰ型煤巖以特低灰和中灰為主；Ⅱ1型煤巖以低灰—中灰為主；Ⅱ2型煤巖以中灰為主；3種有利變化類型的煤巖以中灰為主。

2.2.3煤巖初始滲透率

實驗條件下的煤巖初始滲透率代表了煤層氣井產(chǎn)氣階段開始時對應(yīng)的煤儲層初始滲透率。但實驗結(jié)果顯示，煤巖氣相滲透率變化類型與初始滲透率之間相關(guān)性不明顯，即在相同初始滲透率條件下，可能出現(xiàn)多種滲透率變化類型(圖4)。Ⅰ型煤巖初始滲透率在7.3×10-8~3.4×10-5μm2之間；Ⅱ1-Ⅰ型煤巖初始滲透率主要分布于2.5×10-7~1.3×10-3μm2之間；Ⅱ1型煤巖主要集中在1.7×10-6~5.0×10-5μm2之間，少量達(dá)10-4~-10-3μm2和10-8~10-7μm2級別；Ⅱ2型煤巖初始滲透率主要為7.5×10-6~1.5×10-4μm2，少量達(dá)10-8μm2級別。其他類型煤巖樣品出現(xiàn)頻率較低，初步估計Ⅱ3型煤巖初始滲透率接近或小于10-7μm2級別；Ⅱ3-Ⅲ和Ⅲ型煤巖初始滲透率位于10-5~10-4μm2級別。

圖4　不同變化類型煤巖的初始滲透率

2.3煤巖氣相滲透率變化類型判別模式

通過上述分析可以看出，煤變質(zhì)程度、初始滲透率、顯微組分和煤質(zhì)等指標(biāo)對于識別滲透率變化類型具有一定指示意義，但每個指標(biāo)都不能明確劃分出滲透率變化類型。因此，需要綜合考慮多項指標(biāo)以識別滲透率變化類型。研究已經(jīng)顯示[9-11]：煤巖氣相(CO2)滲透率變化受氣體滑脫、基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力三大地質(zhì)效應(yīng)的綜合影響，氣體滑脫主要在低壓下引起滲透率明顯增加，通常稱之為正效應(yīng)；有效應(yīng)力的增加引起滲透率降低，通常稱之為負(fù)效應(yīng)；基質(zhì)收縮作用較為復(fù)雜，隨煤變質(zhì)程度升高，基質(zhì)收縮引起的滲透率增加則逐漸顯著，正效應(yīng)逐漸明顯。對于本次研究，在圍壓保持不變、CO2氣體壓力降低過程中，有效應(yīng)力和基質(zhì)收縮效應(yīng)導(dǎo)致煤巖骨架變形，引起煤巖氣相滲透率變化[11]。煤巖骨架變形特征與煤巖顯微組分、煤質(zhì)密切相關(guān)[25]，因此本文提取了惰鏡比(惰質(zhì)組含量/鏡質(zhì)組含量)和固灰比(固定碳含量/灰分產(chǎn)率)2個反映煤巖變形的指標(biāo)。另外，三大效應(yīng)均與煤巖孔滲性相關(guān)，隨煤巖滲透性增加，有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)影響減弱；基質(zhì)收縮正效應(yīng)引起的滲透率增量變大；氣體滑脫正效應(yīng)影響減小。因此，在繪制交會圖時應(yīng)充分考慮煤巖孔滲性參數(shù)。由上述可見煤巖氣相滲透率變化的復(fù)雜性，單因素難以有效識別滲透率變化類型。在本次研究過程中繪制了最大鏡質(zhì)組反射率—初始滲透率、惰鏡比—初始滲透率、固灰比—初始滲透率和惰鏡比—固灰比交會圖(圖5)，根據(jù)不同煤巖之間的變形及滲透性差異，劃分出滲透率變化類型，從而建立滲透率變化類型判別模式。

2.3.1煤變質(zhì)程度與初始滲透率判別模式

煤變質(zhì)程度影響煤的物質(zhì)組成和孔—裂隙系統(tǒng)[26]，通過交會煤巖初始滲透率，可以在一定程度上判別煤巖滲透率變化類型。隨最大鏡質(zhì)組反射率增加，煤巖初始滲透率逐漸降低，但對不同滲透率變化類型煤的影響程度表現(xiàn)出差異性(圖5a)。當(dāng)Ro,max小于1.5%時，隨Ro,max增大，3種不利的滲透率變化類型煤巖初始滲透率逐漸降低，降低程度由高至低依次為Ⅱ1-Ⅰ型、Ⅰ型和Ⅱ1型；當(dāng)Ro,max大于1.5%時，3種不利的滲透率變化類型煤巖初始滲透率緩慢降低，而對于較有利的滲透率變化類型(Ⅱ2)煤巖，其初始滲透率隨Ro,max增大而顯著降低。另外，在交會圖上3種有利滲透率變化類型(Ⅱ3、Ⅱ3-Ⅲ和Ⅲ)煤的出現(xiàn)頻率較低，因此未顯示出明顯規(guī)律。

2.3.2煤巖顯微組分與初始滲透率判別模式

滲透率變化類型在惰鏡比—初始滲透率交會圖(圖5b)上亦表現(xiàn)出一定規(guī)律性。在類型上接近的煤巖，其具有的儲層物性和煤巖學(xué)特征也相近，因此在交會圖上顯示出相鄰分布的特征，如作為Ⅱ1型和Ⅰ型煤的過渡類型，Ⅱ1-Ⅰ型煤出現(xiàn)于Ⅱ1型和Ⅰ型煤分布區(qū)周圍，主要位于右上部(具有較大惰鏡比和初始滲透率)，少量分布于左下角(具有較小惰鏡比和初始滲透率)。Ⅱ1型煤分布范圍相鄰于Ⅰ型煤，兩者有一定重疊，整體上前者滲透率(大于10-5μm2)較后者(小于10-5μm2)高。較有利的滲透率變化類型Ⅱ2型煤分布范圍主要出現(xiàn)于Ⅱ1型煤范圍內(nèi)部，且具有較小的惰鏡比(<0.1)。根據(jù)這一規(guī)律，推測3種有利的滲透率變化類型Ⅱ3、Ⅱ3-Ⅲ和Ⅲ型煤可能出現(xiàn)于Ⅱ2型煤范圍附近，圖5c和圖5d亦表現(xiàn)出類似特征。

2.3.3煤質(zhì)與初始滲透率判別模式

在固灰比—初始滲透率交會圖(圖5c)上，Ⅰ型煤分布成片出現(xiàn)，于其上下兩側(cè)附近出現(xiàn)Ⅱ1-Ⅰ型和Ⅱ1型煤。在Ⅰ型煤上側(cè)，Ⅱ1型煤分布范圍相鄰于Ⅱ1-Ⅰ型煤，且集中出現(xiàn)于后者分布范圍之內(nèi)，具有較小的固灰比(<7.5)；Ⅱ2型煤相鄰Ⅱ1型煤，但兩者重疊部分較多，難以進(jìn)行區(qū)分。

圖5　煤巖氣相(CO2)滲透率變化類型判別模式

2.3.4煤巖顯微組分與煤質(zhì)判別模式

不同煤巖顯微組分具有不同的孔—裂隙特征，反映了煤巖孔滲性差異，與煤質(zhì)參數(shù)交會，必然在滲透率變化類型上有所反映。在固灰比—惰鏡比交會圖(圖5d)上，從Ⅱ2-Ⅰ型煤→Ⅰ型煤→Ⅱ1型煤→Ⅱ2型煤，分布范圍逐漸由惰鏡比和固灰比高值區(qū)向低值區(qū)偏移。較有利的滲透率變化類型Ⅱ2型煤分布于Ⅱ1型煤范圍附近，整體上具有較小的惰鏡比和固灰比。有利的滲透率變化類型主要分布于Ⅱ2型范圍附近。

綜上所述，在對煤儲層有利和較有利滲透率變化類型進(jìn)行預(yù)測時，可參考不利滲透率變化類型分布范圍。同時，需要采用多種判別模式圖進(jìn)行綜合確定。

3結(jié)論

(1)我國煤巖氣相(CO2)滲透率變化主要表現(xiàn)為下降型(Ⅰ)、反彈型(Ⅱ)和上升型(Ⅲ)3大類，其中類型Ⅱ可細(xì)分為3個小類(Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3)以及3個過渡類型(Ⅱ1-Ⅰ、Ⅱ2-Ⅰ和Ⅱ3-Ⅲ)。有利的滲透率變化類型(Ⅱ3、Ⅱ3-Ⅲ和Ⅲ)占7.4%；較有利的滲透率變化類型(Ⅱ2-Ⅰ和Ⅱ2)占20.4%；不利的滲透率變化類型(Ⅱ1、Ⅱ1-Ⅰ和Ⅰ)達(dá)72.2%。

(2)煤變質(zhì)程度、初始滲透率、顯微組分和煤質(zhì)等指標(biāo)對于識別滲透率變化類型具有一定指示意義。通過繪制最大鏡質(zhì)組反射率—初始滲透率、惰鏡比—初始滲透率、固灰比—初始滲透率和惰鏡比—固灰比交會圖，可有效識別煤巖氣相滲透率變化類型。

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(編輯韓彧)

Change types of coal permeability to gas and its identification pattern

Li Junqian, Lu Shuangfang, Xue Haitao, Wang Weiming, Zhang Pengfei

(UnconventionalOil&GasandRenewableEnergyResearchInstitute,ChinaUniversityofPetroleum,

Qingdao,Shandong266580,China)

Abstract:Coal shows a variety of permeabilities to gas flow. Coal samples of different ranks were collected from 32 mines in China, and were prepared into 54 cylindrical cores to investigate coal permeability to gas (CO2) flow. The results were classified based on rebound pressure and permeability damage rate. Furthermore, apattern of change types was established. These included “declining type”, “rebounding type” and “increasing type”, which could be further sub-divided into 8 types. The permeability change types can be identified from cross-plots of “maximum vitrinite reflectance-initial permeability”, “ratio of inertinite content to vitrinite content-initial permeability”, “ratio of fixed carbon content to ash yield-initial permeability” and “ratio of inertinite content to vitrinite content-ratio of fixed carbon content to ash yield”.

Key words:permeability to gas; rebounding pressure; permeability damage rate; coal; coalbed methane

基金項目：國家科技重大專項(2011ZX05034-001, 2011ZX05062-006)和山東省自然科學(xué)基金(ZR2014DP007)聯(lián)合資助。

作者簡介：李俊乾(1987—)，男，博士，講師，從事非常規(guī)油氣儲層研究。E-mail:lijunqian1987@126.com。

收稿日期：2014-09-13；

修訂日期：2015-09-10。

中圖分類號：TE132.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-6112(2015)06-0802-07doi：10.11781/sysydz201506802