赵 宇

（河南理工大学土木工程学院，河南焦作454003）

煤储层渗透性研究现状及展望

赵 宇*

（河南理工大学土木工程学院，河南焦作454003）

煤储层渗透率是控制煤层气开采的主要储层参数之一，对研究煤层气的产出及运移规律有着重要意义，总结其影响因素对于有效预测煤储层渗透率、寻找有利勘探区块具有重要的实际价值。在系统整理国内外有关研究资料的基础上，对储层物理模型、煤层气渗流模型、煤储层渗透性影响因素等方面的研究进展进行了梳理总结。对今后的煤储层渗透性研究工作提出了作者的一些看法。

煤储层；渗透率；煤层气；影响因素

煤储层主要指吸附一定的甲烷气体且发育有连通的孔、裂隙系统，煤层气在压降作用下能够发生流动的三维煤岩体。美国是较早进行煤层气开发利用的国家，煤层气工业起步于20世纪70年代，20世纪80年代实现了大规模的商业开发，其煤层气开发最成功的是圣胡安盆地，渗透率比较高，约为5～15mD。我国煤层气勘探起步较晚，勘探开发明显落后于美国，从20世纪80年代才开始进行现代煤层气技术的研究和开发试验工作。我国煤盆地一般都经历复杂的热演化和构造演化，构造样式复杂多样，煤储层物性差异较大，渗透率偏低，富产煤层气的煤级是几个高级煤、无烟煤和贫煤[1]。我国煤层气储层与美国等在储层物性上的巨大差异导致在引进别国开发煤层气经验的初始阶段收效不明显，甚至限制了我国煤层气产业的发展。

煤储层渗透性是反映煤层中气、水等流体的渗透性能的重要参数，决定着煤层气的运移和产出。大量的研究和生产实践表明，煤储层渗透率与储层孔裂隙体系、现代构造应力场的性质和大小、煤化作用和构造演化历史、地下水活动等关系密切。近三十年来，大量学者针对我国煤层气储层的特征进行了一系列的研究，在煤储层物性方面取得了丰硕的成果，这对于有效预测煤储层渗透率，寻找有利勘探区块具有一定的实际意义和参考价值。

1 煤储层物理模型研究进展

煤体是一种非均质的、各向异性的多孔介质，长期以来研究者一直将煤储层看成是由孔隙、裂隙组成的“双重孔隙”结构系统，其中基质孔隙是煤层气的赋存空间，割理和裂隙对煤层气运移和产出具有决定作用[2]。傅雪海等[3]认为，“双重孔隙”结构的认识将孔隙与裂隙截然割裂开来，无法系统定义其线性特征，因此提出了“三元裂隙—孔隙系统”概念，认为孔隙是煤层气的主要储集场所，宏观裂隙是煤层气的运移通道，而显微裂隙则是沟通孔隙与裂隙的桥梁。王生维等[4]系统研究了晋城成庄矿发育的外生裂隙、气胀节理和内生裂隙组成的大裂隙系统的发育特征及其控制机理。刘大锰等[5]对安鹤煤田储层物性进行精细描述，并划分了煤层气有利分布区。许浩等[6]系统研究了沁水盆地煤储层孔隙系统发育的4种模型，并探讨了其对煤层气渗透性的贡献。姚艳斌等[7]对我国华北重点煤层气区煤储层的孔—裂隙系统进行了精细、定量描述，并探讨了它们对煤层气储集及开采的意义。

早期人们注意到煤层中含有大量的游离瓦斯（主要成份为CH4），故煤储层被当成一种气—固双相介质。然而煤在成岩、煤化作用过程中逐渐变成多孔物质，其内部微孔十分发育，具有巨大的表面积，对CH4产生很强的吸附作用，实验统计分析表明，煤储层中75%～90%的瓦斯是呈层状吸附于煤内孔、裂隙的内表面，孔、裂隙空间的游离瓦斯只占有10%～20%[8]，在一定温压条件下吸附瓦斯与游离瓦斯处于动态平衡状态，因此，煤储层是一种由固态、吸附态和气态组成的三相介质[9]。

2 煤储层渗透性影响因素综述

2.1 割理系统

煤储层割理系统是煤层气开采过程中水和气产出的主要渗流路径，是影响煤储层渗透率的主要因素。割理是煤层通过煤化作用、岩化作用、干缩作用和构造应力等过程而形成的天然裂隙，割理可以分为面割理、端割理。面割理连续性好，端割理连续性差且终止于面割理。大量的研究结果表明，渗透率主要与裂隙的延伸方向、裂隙的宽度、密度、裂隙的连通性有关。Levine J R（1996）[10]实验分析认为煤储层渗透率与割理宽度的立方成正比,与割理间距成反比。

式中：K——绝对渗透率，10-3μm2；

w——割理缝宽，mm；

S——割理间距，mm；

C——割理粗糙系数。

樊明珠等（1997）[11]制定了割理的类型划分方案与平面组合，认为其他条件比如地层压力和煤体结构等相似时，渗透性最好的是具有网状割理的煤层，具有孤立—网状的煤层渗透性一般，最差的是具有孤立状的煤层。傅雪海等（2003）[12]通过对沁水盆地中南部煤储层渗透性数值模拟表明,煤储层渗透率随割理面密度的增加呈指数形式增大。

式中：K——裂隙面密度模拟渗透率，10-3μm2；

Sf——裂隙面密度，条/m2；

a、b——拟合系数。

总体来讲，裂隙延伸方向、裂隙宽度、裂隙密度、裂隙的连通性是影响煤储层渗透性的关键特征，裂隙延伸方向上渗透率较高，裂隙宽度越大、密度越大、连通性越好,渗透率越高，目前割理特征与渗透率的定性关系已基本达成共识，但尚未形成统一的相关的渗透率预测定量模型，综合考虑各项特征参数，选择理想的数据处理方法，将会推动渗透率预测的定量化研究进程。

2.2 煤体结构及埋深

煤体结构就是在一系列的大地地质构造运动以后，煤的构造和结构均遭到一定的破坏后它们保持原样的程度。煤岩学上把煤体结构划分为原生结构、碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构4类。原生结构煤，煤层基本上未遭受后期构造运动的破坏，煤的原生层理和结构形态保存完整，清楚可见，有少量裂缝存在；糜棱结构煤，煤层的原生层理和结构被完全破坏，煤层中构造镜面很发育，煤成粉末状或鳞片状，手搓捻即成煤粉；碎裂结构煤和碎粒结构煤，其特征介于上述二者之间。

煤体结构间接反映了渗透率，它是煤储层在构造应力下的产物。研究表明原生结构煤与碎裂结构煤中，由于原生的或后期区域性的不太强构造应力作用所形成的裂缝系统的存在，裂缝保存着较好的开启性和连通性，因而使煤层具有比较好的渗透性能。如果裂隙被压缩变形导致不存在，煤粉把裂隙给部分堵塞从而降低了渗透性，因此碎粒结构煤和糜棱结构煤的渗透性一般比较差，吴频等（1997）[13]实验研究验证了煤储层是碎粒、糜棱结构时渗透性显著变差，煤储层的渗透性随煤体结构破坏的严重程度而变差。张慧（2001）[14]通过对辽中地区研究提出块煤率与渗透率的相关性，块煤率高的地区煤储层的渗透性好，块煤率高的地区煤层一般都是原生结构和碎裂结构，块煤率低的地区煤储层的渗透性差，块煤率基本上可以反映渗透性。郭德勇等（1998）[15]深入研究了原生结构煤和构造煤的孔隙度与渗透率的关系,发现原生结构煤在围压下孔隙度和渗透率的变化相对较小,而构造煤的孔隙度和渗透率在围压下变化显著,而且粒度不同、不同煤种发生的变化有差别。对于糜棱煤，在围压下渗透率急剧降低，且不可进行强化作业，目前被认为是煤层气开发的禁区。

岩层的密度远大于孔隙中流体的密度，致使垂直应力的增加幅度较大，傅雪海等（2001）[16]研究认为煤储层渗透率具有随埋深加大呈指数减小的趋势，但需指出的是，拟合出的理论关系式中所提煤层埋深参数为未经构造抬升的最终埋深，未考虑煤岩经历多期构造演化的影响。但是埋深对煤层渗透率的影响机理与有效应力的影响相近，即随着埋藏深度的增加上覆地层的重力对裂隙的压迫作用增强，使有效应力增加，反而不利于煤储层的裂隙发育，从而渗透性降低。故埋深依然是影响煤储层渗透率的重要因素。

2.3 煤变质作用

在煤化作用过程中，煤的组成及结构发生一系列变化，随着这些变化煤的孔隙特征也表现出特有的演化规律，从而影响渗透性。Ammosov等[17]在研究割理密度与煤级之间的关系时发现，割理密度从褐煤向烟煤（肥煤、焦煤）方向增大，而从烟煤向无烟煤方向减小，呈正态分布，即低变质和高变质程度的煤割理欠发育，中变质程度的煤割理发育。另外，秦建中等按霍多特提出的煤岩孔隙分级标准，对煤岩孔隙与镜质体反射率的关系进行了探讨，发现煤岩大孔隙在中煤级（0.5%＜R0＜2.0%）阶段比低煤级和高煤级阶段发育，从这一方面来讲，可以认为在中煤级阶段渗透性较好。但Law[18]在对阿伯拉契亚盆地群和落矶山盆地群的研究中发现，从褐煤到无烟煤阶段割理间距与镜质体反射率的倒数呈指数关系，即从褐煤到烟煤阶段，割理密度迅速增大，从烟煤至无烟煤阶段基本不变。这与Ammosov提出的呈正态分布的理论有所不同。Law认为是构造形变背景的差异所致，而毕建军等解释在高煤级阶段割理不发育是由于次生显微组分的充填和胶合作用使割理发生闭合。

笔者认为，从煤的机械性质上讲，硬度和脆度同属抵抗外来应力的量度。煤层在由低变质煤向中变质煤演化的过程中，脆度逐渐增强，容易生成裂缝；但在中变质煤逐渐向高变质煤演化的过程中，硬度逐渐增大，脆度逐渐变小，不易形成裂缝，并且在高变质阶段，一般埋藏较深、温度较高，上覆地层的压实作用、充填与胶合作用会使割理发生闭合，从而降低煤层的渗透性。

2.4 有效应力

煤岩不同于常规天然气储集岩，煤岩塑性强，应力敏感性强,随着有效应力的增加，割理会变窄，从而降低煤储层的渗透性。张广洋等[19]在实验中发现渗透率与平均有效应力呈现指数关系，Enever等（1997年）[20]发现澳大利亚煤储层渗透率与有效地应力也呈指数关系。Mckee等（1988年）[21]在对美国黑勇士盆地煤层渗透率和埋深关系中发现，随埋深和有效应力的增加，割理宽度变小，渗透率呈指数降低趋势。何伟钢等（2000年）[22]在对中国平顶山、沁源、韩城、阳泉、峰峰等矿区煤层进行渗透率与原地最小主应力研究发现，煤储层渗透率与原地最小主应力呈指数关系。Levine等研究发现，随着有效应力的增大，渗透率成指数降低趋势，当应力达到一定数值，导致裂隙完全闭合，渗透率就不会再呈指数降低了。

大量的研究表明，煤储层的渗透率与有效应力之间存在幂函数关系，随着有效应力的升高，渗透率通常呈指数形式降低：

式中：K——某个应力下的渗透率，10-3μm2；

K0——初始应力下的渗透率，10-3μm2；

a——系数，取决于主应力的类型；

σ——初始应力到某个应力下，在这个变化过程中有效应力的变化值。

2.5 煤基质的收缩作用

基质收缩效应指当储层压力低于临界解吸压力后，吸附的煤层气发生解吸导致煤基质收缩，储层物性改善的效应。Gray认为，由于煤层气解吸时，煤基质会收缩使得裂隙扩张，从而导致煤层渗透率的增大[23]；Harpalani等通过室内试验发现，气体压力减小时，煤层气解吸，煤基质体积减小，且煤基质体应变与解吸的气体量呈线性关系[24]；Harpalani和Chen通过室内试验研究了与解吸有关的煤岩体基质体积变化后得出，解吸引起的煤基质收缩变化远大于基质的压缩率[25]；Mavor等利用美国SanJuan盆地的现场实测数据验证了“基质收缩理论”的正确性[26]；苏现波等（1998）[27]提出了收缩作用使渗透性改变值Δk的关系式。

3 煤储层渗透性研究趋势

（1）煤储层渗透率研究涉及三相、非均质、各向异性、三重孔裂隙介质，无论是室内实验还是数值模拟研究，目前均是对某些方面进行假设简化，得到某一条件下的渗透率。如何根据煤岩体所处的热力学环境（温度和压力）以及煤岩微构造（孔隙、裂纹等）建立符合真实地层条件下的地质模型、数学模型还有待进一步深入研究。

（2）构造应力场是产生煤层构造裂缝的主要因素，对煤储层的渗透性既有建设性作用，也有破坏性作用。原生结构煤由于不太强构造应力作用所形成的裂缝系统的存在，裂缝保存着较好的开启性和连通性，因而使煤层具有比较好的渗透性能。而构造煤由于强烈的构造应力场使得裂隙被压缩变形导致不存在，煤粉把裂隙给部分堵塞从而降低了渗透性，因此渗透性一般比较差，且大都无法压裂，目前被认为是煤层气开发的禁区，但构造煤中煤层气（瓦斯）含量较大，如何突破构造煤是煤层气开发的禁区，提高构造煤储层渗透率需要进一步研究。

（3）前人研究表明，煤层气富集煤体在超声波参数、弹性参数、强度参数、电阻率等物理特性上存在着明显的差异，研究变温变压条件下，多相介质煤岩体超声波参数（波速、品质因子Q及弹性参数等）与储层渗透率之间的关系，尝试通过地球物理方法进行煤（煤层气）储层渗透率预测。

（4）煤储层渗透性在煤层气抽采过程中不断发生变化，是煤基质变形和有效应力变化两种因素综合作用的结果，必须考虑流—固耦合模型来综合评价储层渗透性。

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P618.11

A

1004-5716（2015）01-0136-04

2014-03-03

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”专项子课题“煤层各向异性与渗透性”（编号：2011ZX05040-005-004）。

赵宇（1981-），男（汉族），河南永城人，河南理工大学在读博士研究生，研究方向：构造煤。