煤储层渗透率影响因素

摘 要：煤储层渗透率对研究煤层气的产出及运移规律有着重要的意义，理清其影响因素对于有效预测煤储层渗透率、寻找有利勘探区具有重要的实际价值。该文从裂隙系统、构造应力、煤岩类型、煤变质程度、煤体结构、温度、有效应力、基质的收缩效应、层理等方面对煤储层渗透性的影响进行了分析，并得出了具有针对性的结论。

关键词：煤层气 渗透率 影响因素 综述

中图分类号：P618 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-0-02

煤层气是以吸附状态富集在煤储层中的一种“自生自储”式非常规天然气，我国煤层气资源丰富，储量居于世界前列，开发利用的前景广阔。渗透率是煤层气开发中的关键因素之一，直接关系到煤层气的产出能力，同时煤层气渗透率对研究煤层气的赋存、压力分布、解吸排放及运移规律也有着重要的意义。煤储层渗透率主要受裂隙系统的发育程度、基质显微结构等内部因素以及多种外部因素的影响，笔者在系统分析前人研究成果的基础上，总结了不同地质条件下煤储层渗透率的主控因素，这对于有效预测煤储层渗透率、寻找有利勘探区具有一定的实际意义和参考价值。

1 煤储层渗透率的控制因素

1.1 裂隙系统

煤储层的裂隙系统一般分为内生裂隙（割理）和外生裂隙、继承性裂隙三部分。裂隙系统是煤层气在煤层中的渗透路径，煤层的渗透性取决于裂隙系统的发育程度和连通程度[1]，经前人研究发现，裂隙发育的煤储层与裂缝不发育的煤储层相比，渗透率相差1～2个数量级，且裂隙越发育，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。

煤储层裂缝的形成主要受构造应力、煤岩类型、煤变质程度等因素的影响。

1.1.1 构造应力

由于煤的低杨氏模量，性软而脆的力学性质，所以外部条件对裂缝的产生及对渗透率的影响是通过煤储层自身形变而实现的，而应力的改变最易引起形变。有学者认为是古构造应力是控制割理发育程度的主控因素，成煤期后的构造活动是产生煤层构造裂缝的主要因素，构造活动强度的大小对煤储层的渗透性既有建设性作用，也有破坏性作用。

适度的断裂和褶皱等构造作用可以增加煤层的割理密度，提高渗透率，所以构造裂缝发育地带可以是高渗透煤层发育带[2]。另外，成煤演化过程中产生的内生裂隙在后期构造作用下，会成为煤岩体中的破裂带，而形成应力集中，演生为构造裂隙[3]。

构造应力场的最大主应力方向控制着煤储层的渗透性：当构造应力场最大主应力方向与储层的优势裂隙组发育方向一致时，裂隙受到张应力的作用，裂隙宽度增大，渗透率增高，此时渗透率最大；当构造应力场最大主应力方向与煤储层的优势裂隙组发育方向垂直时，裂隙受到压应力的作用，裂隙宽度减小，渗透率降低，此时渗透率最小；当构造应力场最大主应力方向与煤储层的优势裂隙组发育方向斜交时，则渗透率介于最大值与最小值之间。

1.1.2 煤岩类型

前人[4]研究表明，光亮煤中割理比较发育，暗淡煤中也可见割理，但其割理密度远小于光亮煤。毕建军等[5]也发现，割理一般发育在光亮煤分层中，极少延伸到暗淡煤分层中。因此，从显微组分的组成上讲，镜质组含量越高，割理越发育，渗透性越好。从煤岩类型看，光亮煤的渗透性为最好，其次为半亮煤、半暗煤、暗

淡煤[6]。

1.1.3 煤变质程度

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。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[6]。

1.2 煤体结构

煤体结构是煤层气渗透率评价和预测的基础，煤体结构的好坏很大程度上影响着渗透率的高低。

由于煤是一种低杨氏模量高泊松比的岩石，其抗变形能力远低于其他岩石，所以在成煤作用过程中后期，含煤系统经历了不同期次的构造运动，使得煤储层发生了不同程度、不同性质的变形，其结果是：依次将原生结构煤储层破坏成碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤煤体[7]。

1）裂隙闭合阶段：原生结构煤体，渗透率低，但可通过压裂强化增透；

2）弹性阶段：原生结构煤体，微裂隙摩擦滑动，出现破裂，导致渗透率增加；

3）弹塑性阶段：碎裂煤体，岩石非弹性体积增长，岩石即将出现宏观断裂破坏，是渗透率增加速率最大的阶段；

4）塑性阶段：碎裂煤体形成阶段，渗透率达到极大值；

5）沿某破裂面破坏阶段：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，导致渗透率降低；

6）流变破坏阶段：糜棱煤阶段，渗透率急剧下降。

1.3 有效应力

孔隙内部的流体有分散上覆岩石压力的作用，从而改变岩石的应力，随着孔隙流体压力的增加，岩石的应力减小。岩石在成岩过程中，随着所受压力的增加，当岩石不可压缩时，颗粒之间越来越紧密，孔隙空间越来越小，孔隙之间的连通性越来越差。所以可以看出，在有效应力的作用下，岩石的渗透率有随有效应力增加而降低的趋势，并且在有效应力较小时，降低更快，反之则慢

一些[8]。

有研究表明，不同外围应力条件下，温度对煤基质具有外膨胀和内膨胀两种影响效应，进而使渗透率呈现不同的变化规律[9]：

渗透率随温度的升高呈现两种不同的变化规律，即在高应力条件下，渗透率随温度的升

高而降低；在低应力条件下，煤体渗透率随温度的升高而升高。如图，当σef<1.7-2.0 MPa时，55 ℃的煤体渗透率大于30 ℃的渗透率，45 ℃的渗透率介于以上两者之间；当σef>2.0 MPa时，各等有效应力条件下，煤体渗透率随着温度的升高而降低。

此外，对比不同温度的渗流曲线还可以发现，变化相同的有效应力值，55 ℃的渗透率曲线比30 ℃、45 ℃的渗透率曲线下降幅度要大，而45 ℃曲线的下降幅度又大于30 ℃。这是由于温度的升高，煤体孔隙的可压缩量变大，进而使得渗透率变化幅度也变大，可见温度的升高使渗透率对有效应力变化的敏感程度大大增加。

1.4 基质的收缩效应

在煤储层正常未开采情况下，若不经受大的构造运动的影响，其渗透率基本上为一定值，然而伴随着煤层气的开采，其平衡状态遭受破坏，导致渗透率发生变化。实验表明，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[1]。

1.5 层理的影响

煤储层原生层理对其渗透率也有着较大的影响，同一块煤样在相同条件下测定渗透率，渗透压力的方向如果与煤样的层理面垂直，则渗透率最小；渗透压力的方向如果与煤样的层理面平行，则渗透率最大[10]，且平行层理的渗透率是垂直层理时的2～10倍。现象表明，受原始沉积层理的影响，渗透性在煤储层的不同方向上存在着差异。

2 结语

综上所述，煤储层渗透率的影响因素可归纳为两大类：一类是由成岩过程所决定的内部因素，包括煤储层的内生裂隙、有机组分及原生层理；另一类是由外部条件所决定的外部因素，包括煤储层的外生裂隙、变质程度、煤体结构、地区构造应力、有效应力、温度及基质的收缩效应。因此在进行煤储层渗透性的预测时，要具体分析不同因素对渗透率的影响。

同一个地区（小范围）的煤储层所处的外部环境相同，小范围内煤储层受外界条件改造的程度近乎一致，这种情况下，内部因素的差异对煤储层渗透率的影响占主要地位。

而不同地区（大范围）的煤储层由于所处外部环境不同，其受不同外界条件改造程度不同，所以不同地区煤储层渗透率变化较大，且渗透率变化规律也有一定的差别。因此，在这种情况下对煤储层渗透性进行预测时，内部因素和外部因素的影响要综合考虑。

一般来说，由于煤储层从形成至今，一直在受外部环境的改造作用，所以外部因素对煤储层渗透率的最终预测具有更重要的意义。当然，如果一个地区构造应力场稳定，煤储层被改造程度小，此时，内部因素对煤储层渗透性的预测具有更主导的地位。

参考文献

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