煤储层渗透率影响因素

煤层气储层渗透率影响因素

摘要：煤层气作为一种新型能源，而且我国煤层气储量丰富，因此其开采利用可以很大程度上缓解我国常规天然气需求的压力。煤储层的渗透率是煤岩渗透流体能力大小的度量，它的大小直接制约着煤层气的勘探选区及煤层气的开采等问题。因此掌握煤储层渗透率的研究方法及影响因素，对于指导煤层气开采具有重要的指导意义。本文主要在前人的基础上，从裂隙系统、煤变质程度、应力及当前其他领域的技术对渗透率的研究的理论、认识及存在的问题等进行总结，对煤储层渗透率的预测有一定的理论指导意义。

Abstract: Our country is rich in the CBM which is a new resource. So the development of CBM can lighten our pressure for the requirement of conventional gas.The permeability of the coal reservoir is a measure of fluid’s osmosis permeability, restricting the exploration area and mining of CBM. Therefore, controlling the method of mining and the effect factoring has an important guiding significance for mining .This article is summarized from fracture system,the degree of coal metamorphism, stress for the theory, matters and so on of permeability’s study which is based on the achievement of others，having a great guiding significance for the permeabilityprediction. 关键词：煤层气；渗透率；影响因素

1、引言

煤层气是指赋存在煤层中常常以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解在煤层水中的烃类气体。美国是最早开发煤层气并取得成功的国家，其富产煤层气的煤级主要是气、肥、焦煤，即中级煤。我国煤盆地一般都具有复杂的热演化史和构造变形史，构造样式复杂多样，煤储层物性差异较大，孔渗性偏低，富产煤层气的煤级是几个高级煤、无烟煤和贫煤。因此我们不能照搬美国的理论来指导我国煤层气的生产。近十几年来，我们在实践中不断认识到这种差异，并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，已初步形成了一套研究的理论与方法。渗透性是制约煤层气勘探选区的最重要的参数之一，有效预测煤储层渗透性对我国煤层气的勘探开发具有重要意义。笔者主要从煤储层裂隙系统、煤变质程度、有效应力等方面作以阐述。

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2、煤储层渗透率的影响因素

2.1煤储层裂隙系统

傅学海等（1999）认为，煤储层系由宏观裂隙、微观裂隙和空隙组成的三元孔、裂隙介质，空隙是煤层气的主要储集场所，宏观裂隙是煤层气运移的通道，而显微裂隙则是沟通孔隙和裂隙的桥梁。煤层的渗透性取决于裂隙系统的发育程度和连通程度，裂隙越发育，连通性越好，越利于流体的渗流，这对煤层气可采性评价有极其重要的指导意义。傅雪海等在对沁水盆地各煤样的研究中发现，煤样渗透率随裂隙面密度的增加而呈指数形式增大。

煤储层的裂隙系统又主要受围岩压力、煤岩成分、地质控制等因素有关。 2.1.1 围岩压力

裂隙是由内应力（煤化作用过程中，凝胶化组分收缩应力和超高孔隙流体压力）或由外应力（构造应力、重力和热应力等）或有内应力与外应力二者综合作用形成的。试验结果研究表明：随着围岩压力增加，煤岩渗透率降低。这是因为在孔隙压力不变的条件下，增大围压意味着煤岩所受有效应力增大，煤样受到压缩，孔隙变小，微裂缝闭合，最终导致煤岩渗透率下降。相反，如果围压降低，则孔隙压力大于围压，就会使煤样向外膨胀，使孔隙、微裂隙扩大。因此在煤层气抽采过程中，要进行前期的排水降压过程，进而降低围压。

2.1.2 煤岩成分

煤的孔隙率大小与煤阶有关，变化在2%～25%之间。褐煤的孔隙率最高，12%～25%；中等煤阶烟煤孔隙率最低，2%～6%左右；高煤阶烟煤以后，由于分子排列规则化，孔隙率又有升高，约为5%～10%。褐煤与低煤阶烟煤以大孔为主，而高煤阶烟煤和无烟煤则以微孔为主，中煤阶烟煤则以小孔为主，部分为中孔和微孔。煤的孔隙性与煤岩成分有关。丝炭的孔隙率比镜煤大3～4倍且以中孔、大孔为主，镜煤则以微孔和小孔为主。

2.1.3 地质控制因素

煤的孔隙发育主要和煤化程度、类型及矿物质含量有关。在煤化作用早期阶段，煤中芳环层细小、随机分布，孔隙发育；到中等煤化程度烟煤阶段其孔径分布曲线表现出先陡后缓而再陡的变化形态；到高变质煤如瘦煤、无烟煤，微孔占大多数，而孔径大于100 nm 的中孔、大孔较少。当煤层存在大量矿物质时，由于矿物对煤层气的吸附能力远低于煤，所以总体不利于煤层气吸附赋存。大量资料表明，随矿物含量增高，煤的孔隙率逐渐降低，特别

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是大、中孔隙的减少更为迅速。

裂隙的连通性重要受煤层结构和厚度的影响，但是古构造应力场和构造变样形式则分别对裂隙的方位起控制和改造作用，静水压有利于裂隙张开，而一定矿化度的水常生成大量自生矿物，造成裂隙充填。 2.2 煤变质程度的影响

一些学者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，且割理越发育，渗透率越大。我国也有一些学者认为：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。由于我国煤层气主要富集在高煤阶煤层中，下面主要对高煤阶煤煤层气开采过程渗透率的影响因素作以阐述。

2.2.1 高煤阶煤粉的影响

高煤阶煤层气井在钻井、开采过程中由于机械碰撞、气液冲刷、压力波动等外力作用，不可避免的会产生煤粉，煤粉的产出一方面有利于形成气液产出通道，但另一方面如果过快、过多的产出使气、水流动出现障碍，引起产气量下降。有学者通过实验研究表明，较低的排采速度可以降低煤粉对煤层渗透率的伤害，有利于煤层气长久开采控制排采速度、控制井底压力可以控制煤粉产出而且排采过程要尽量避免反复停产、生产等激动条件的产生。

2.2.2 煤储层动态变化的影响

由于我国高煤级煤层气井单井产量衰减较快，严重制约了煤层气规模开发，所以我们必须用一定的数值模拟手段来研究煤储层渗透率的动态变化情况，这样才能更科学、经济的实现煤层气的抽采。有关学者通过数值模拟实验研究发现：煤储层渗透率受煤层气井采动状况影响较大。煤储层渗透率随煤层气井排采时间呈指数规律衰减。与室内物理模拟结果：渗透率随有效应力的关系具有相似的规律，说明在煤层气的排采过程中，有效应力对储层渗透率的控制占着主导地位。

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2.3 动力变化对渗透性的影响

由于煤层气在排采过程中，煤储层裂隙的开合主要受控于有效应力和煤基质的收缩膨胀效应两个直接动力学因素，一方面煤层气解吸产出和地层水产出，使煤储层孔隙流体压力下降，有效应力降低，煤基质发生收缩，诱导煤储层裂隙面相对拉张，渗透率相对增高；另一方面，孔隙流体压力降低造成煤层围压相对增大，煤层裂隙相对受压而宽度减小，甚至闭合，导致渗透率相对降低，有学者就对其影响做一数值模拟进行评估，研究结果表明，有效

应力负效应随煤级和流体压力的降低逐渐减弱；煤基质收缩正效应随煤级和流体压力的降低逐渐增强；渗透率综合变化率值随着煤级和流体压力的降低逐渐变大

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2.3.1 有效应力的影响

煤储层的力学性质不同于常规砂岩，尽管煤基质块的泊松比很高，但煤中天然裂隙的发育大大降低了煤的强度，使之比其他岩石更易被压缩、破碎。因此在钻井或开采过程中，很小的应力变化都会引起渗透率的较大变化

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。由于煤岩的塑性很强，随着储层埋深的增

加，上覆围岩应力增大，使煤层所受压力增大，煤层会被进一步受到压实，从而造成煤层中的空裂隙变小、变窄，最终导致煤储层渗透率降低。如傅雪海等(2OO1)发现煤割理压缩形变与有效应力的关系符合朗格缪尔方程形式，割理宽度随有效应力的增加呈指数形式降低。煤储层渗透率与初始割理宽度、割理产状和割理受力状态有关，初始割理宽度越大，渗透率越大；有效应力愈小，渗透率越大[12]。

2.3.2 煤基质收缩效应的影响

有学者研究表明，在煤层气开发过程中，当储层压力降低至临界解吸压力以下时，煤层气开始解析，此时煤基质开始收缩，从而导致水平应力下降，有效应力相应减小，裂隙宽度增加，渗透率增加[14]。

通过研究有效应力与煤基质的收缩效应对预测煤储层渗透率的变化有很重要的意义。在该项研究中前人取得了丰硕的成果，理论上取得重大的进展，但并未能有效地应用于指导生产实践，究其原因，一方面是设备的性能、测量的精确性；另一方面是测试设备不统一[3]。

3、结论

3.1 煤储层渗透率受煤阶、煤变质程度、构造变质作用、有效应力变化及煤基质收缩效应等多方面的综合因素控制，并且各因素间存在相互影响，在进行渗透性的预测时应综合考

虑。

3.2 由于我国煤层气富集煤阶和国外的有很大差异，所以不能直接引进国外的一些技术理论，造成我国煤储层渗透性等技术仍处于研究阶段。

3.3 在煤阶及变质程度等基本条件确定的条件下，利用数值模拟技术对排水降压、煤基质收缩等可变条件进行科学准确预测，对我国煤层气勘查与抽采具有十分重要的意义。

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