煤储层渗透率影响因素探讨_刘峻杉

2014年3月第31卷第2期

重庆师范大学学报（自然科学版）

Journal of Chongqing Normal University （Natural Science ）

Mar. 2014Vol. 31No. 2

DOI ：10．11721/cqnuj20140222

煤储层渗透率影响因素探讨

刘峻杉

*

（1．成都理工大学地球科学学院，成都610059；2．西华师范大学网络中心，四川南充637009）

摘要：煤储层渗透性是影响煤层气开发选区和产量最重要的因素，运用资料查阅、文献综合研究等方法，分析了煤层变质、煤层厚度、煤体结构、构造曲率等因素与煤储层渗透率之间的耦合关系，结果表明，煤储层具有双重孔隙结构，割理裂隙的发育程度直接影响煤层渗透率的大小，天然裂隙的发育密度与煤岩类型条带或分层厚度呈负相关。关键词：煤储层渗透率；孔裂隙系统；动态变化效应中图分类号：P618．11

文献标识码：A

6693（2014）02-0100-05文章编号：1672-

煤层气与常规天然气有很大的不同，主要以吸附状态赋存于煤层的孔裂隙系统中，煤层既作为生气层又作

煤层气的储集和产出机理更为复杂。苏现波等基于煤层渗透性基本概念和为储集层。与常规天然气储层相比，

［1］

影响因素分析的基础上，于1998年提出了煤储层渗透性的分级与分类；傅学海等在分析煤储层三相介质及孔裂隙三元结构系统的基础上，探讨了煤层气的解吸扩散和层流机理及煤储层渗透率的实验方法，尤其强调了数

［2］

其他因素值模拟在渗透率研究中的重要作用；唐书恒等认为中国煤储层渗透率主要受原地应力状况的控制，

［3］

也有一定的影响；杨满平等通过对变形介质气藏储层渗透率影响因素的分析，说明气藏开采前后应充分考虑

［4］

这些因素对气井产能的影响；薄冬梅等认为在煤储层物性的研究中应结合中国含煤盆地的地质背景，综合分

［5］

析各因素，统一实验仪器与规范标准，从而获得有效参数，进而更为准确地预测煤储层的渗透率；傅学海、孙立冬、颜志丰和许浩等分别从不同的影响因素入手，以实验数据为依托，详细分析了沁水盆地煤层气重点区块的储

［6-9］。层物性特征

以往研究基本上都是对某一区块的主控因素进行分析，普遍适用性较差，另外前人一般将孔裂隙特征与渗

并未从整体考虑煤储层物性与影响因素的耦合关系。笔者在前人的研究基础之上，主要分析了透性分割开来，

煤层变质、煤层厚度、煤体结构、构造曲率等因素与煤储层渗透率之间的耦合关系，研究了煤层气开发过程中渗透性的动态变化规律，旨在为煤储层物性和煤层气开发方面进行提供较为详尽的理论依据。

1煤储层孔裂隙系统和渗透性的基本概念

一般认为，煤储层具有由孔隙-裂隙组成的双重孔隙结构。根据Close J C 提出的理论，双重孔隙结构中的孔隙即为基质孔隙，是煤层气呈吸附状态储存的主要空间和煤层气解吸时扩散的主要场所；裂隙即为天然裂隙系

［10］

统，亦称为割理，是煤层气渗流运移的通道。国内外学者对于裂隙或者所谓的割理均进行了更为深入的研究：

［11］

Paul 和Basil 等在研究澳大利亚鲍恩盆地煤层时，提出了一种过渡型的显微裂隙；国内的一些学者将煤储层的裂隙系统分为内生裂隙（割理）和外生裂隙，前者是煤化过程中煤中凝胶化物质体积均匀收缩产生内张力形成

后者是后期地质构造作用的产物，力学性质既可以有张性的，亦可以有压性的和剪性的；陈金刚等认为，裂隙的，

［12］

是煤岩体渗透率的主要贡献者，常作用于局部基质段或单条裂隙，能真实地反映储层实际情况。管俊芳等认为割理裂隙指的是煤化过程中形成的两组内生裂隙，延伸较远的主裂隙组称为面割理，介于主裂隙组之间的次

［13］

裂隙双重孔隙结构是将常规油气储层中的孔隙结构进行的细化与推广，裂隙组成为端割理。笔者认为孔隙-煤层中裂隙系统将煤储层分为不同大小的煤基质块，宏观裂隙、显微裂隙、端割理、面割理虽然具有不同规模不

同方向，但都是煤层气运移的通道，孔裂隙双重系统的发育程度既影响着煤层的含气性又影响着煤层气开发的难易程度。

*10-08收稿日期：2013-11-09修回日期：2013-03-10网络出版时间：2014-19：23

资助项目：国家自然科学基金（No．40972225）

E-mail ：77729166@qq．com 作者简介：刘峻杉，男，博士，研究方向为地球探测与信息技术，网络出版地址：http ：//www．cnki．net /kcms/detail/50．1165．N．20140310．1923．022．html

第2期刘峻杉：煤储层渗透率影响因素探讨

101

流体在多孔介质中的渗透性是指流体在一定压差下通过多孔介质中连通孔隙的性质，在煤储层中指的是孔裂隙系统传导流体的能力，渗透性的大小用渗透率表示，渗透率是影响煤层气产量高低的关键参数。中国煤储层非均质性较强，渗透性受控于多种因素影响，成为煤层气开发过程中亟待解决的难点与重点。

2煤储层渗透率影响因素

2．1煤变质程度与煤储层渗透率耦合关系

Law 研究发现，隔理频率与煤阶呈现函数关系，从褐煤到烟煤，隔理频率随煤阶增大，从烟煤到无烟煤，隔理

［14］

频率随煤阶下降。宁正伟等认为，内生裂隙发育程度最高的是中等变质程度的煤层，内生裂隙同时也能提高

［15］

基质的渗透性和孔隙的连通性。毕建军等研究发现，煤级在很大程度上能决定隔理的密度，当镜质组反射率大约在1．3%时，隔理密度达到最大值；而在高煤阶阶段，次生显微组分的胶合和充填作用是隔理发生闭合的主

［16］

要原因。赵兴龙等研究发现，随着煤级的增高，煤孔隙度微孔体积BET 比表面积均呈现高-低-高的变化规律，

BET 比表面积在Ｒo为2．5%左右时达到最小值，孔隙度在Ｒo为2．3%左右时达到极小值，热成因孔的普遍分布

［17］

成为高煤级煤孔隙度和BET 比表面积增大的重要原因。综合以上结论，作者认为割理等裂隙系统的发育程度对煤层的渗透性和基质孔隙连通性有直接影响，其中，内生裂隙最为发育的是变质程度中等的煤层，由于其割理密度最大，在煤层气开采过程中可以作为有利区域优先规划。2．2煤层厚度与煤储层渗透率耦合关系

秦勇等根据华北、两淮、豫西、冀东等含煤区石炭二叠系47层煤的试井资料，发现对于构造煤来说煤厚与试井渗透率之间呈现负相关关系；对于构造煤不发育的储层，当渗透率小于0．5mD 时，煤层厚度增大，渗透率总体

［18］

上增高，当渗透率大于0．5mD 时，渗透率随煤厚的增大反而降低。究其原因，作者认为主要取决于煤储层中天然裂隙发育情况与煤厚之间的关系，无论是煤层还是非煤岩层，天然裂隙的间距均要小于煤层分层的厚度，即煤储层中天然裂隙的发育密度与煤岩类型条带或分层厚度呈负相关关系。非构造煤中，渗透率大于0．5mD 时，煤中天然裂隙中巨割理与大割理占主体，发育密度与煤厚呈负相关关系，因此煤层越厚，渗透率相对变低，沉积作用对煤储层渗透率起主导作用。渗透率小于0．5mD 时，煤厚与天然裂隙之间的关系不再明显，反而地应力控

煤级和煤岩组成控制之下的裂隙发育密度等其他因素的影响较为突出。对于构造煤发育的制下的裂隙闭合度、

煤储层，沉积作用与沉积期后构造变形综合控制之下煤层厚度的变化，共同影响着煤储层的渗透率，下文将作详细论述。

2．3煤体结构与煤储层渗透率耦合关系

在研究煤体结构与煤储层渗透率二者之间的关系方面，国内也有学者对其进行深入研究，例如李松等对不同煤体结构煤岩样品进行了多项测试和实验，发现煤岩的吸附能力与应力呈正相关，煤中原有的封闭型的吸附

［19］孔隙随应力的增强变为开放型，对煤层气在煤中的扩散和吸附、解吸均有利。在糜棱煤阶段，孔隙和裂隙的发育程度由于煤岩的塑形变形而减小；当应力增大，初碎裂煤阶段的渗流孔隙和微裂隙呈现迅速减少而后增加的态势，且在碎裂煤阶段，孔隙和裂隙最为发育，因此碎裂煤阶段是煤层气产出的最优阶段。因此2．2中所述构造煤发育的煤储层，其试井渗透率主要与构造应力作用有关，煤厚可作为次要因素进行处理。2．4构造曲率与煤储层渗透率耦合关系

构造活动作为次生裂缝产生的主要原因，对煤层气的富集有建设性与破坏性的双面性作用。低渗透率分布的地区往往有这样的特点：构造应力集中、不同方向断裂结合部位、构造挤压区、逆冲推覆带；而煤层高渗透率的分布区有这样的特点：构造应力松弛、转折端是低应力的分布区。用曲率对线或面弯曲程度进行量化度量，构造

深入分析了应力场作用的结果就是产生了构造曲率。陈金刚基于沁水盆地试井渗透率和地质构造背景等资料，

［20］

结果表明，煤储层构造曲率过高或过低都不利于煤储层渗透率的提高，构造曲率对煤储层渗透率的控制作用，

构造主曲率以中等为好，对应的试井渗透率大于0．5mD 时构造曲率分布于（0．05 0．2）*10－4/m。

外力作用之后，煤岩层将发生弯曲，导致以中性面为界的煤岩层性质发生变化。中性面以上的部位在局部张应力的作用下形成裂缝，中性面以下的部位在挤压应力的作用下不会产生裂缝。在真实环境中，煤储层所处的地下可能有水环境作用。此种作用下煤层中曲率较小的储层在受到上覆地层较强压实作用后，具有了较好的保存结构与较强的力学性能，因此在后期的构造过程中改造作用较弱。而构造曲率太小将导致煤储层裂隙系统不发育，渗透率也很低。需要指出构造曲率越大并不意味这煤储层渗透率就越大，较高的构造曲率不利于提高煤储层渗透率。构造曲率较高表明地层处裂隙较为发育，煤储层在真实的地应力和水应力作用下，力学强度会

102

重庆师范大学学报（自然科学版）http ：//www．cqnuj．cn 第31卷

降低，结构也将会随之发生变化，出现煤岩的泥化和塑化现象。最终煤储层的裂隙系统被堵塞或充填，从而使得渗透率不升反降。

2．5有效应力与煤储层渗透率耦合关系

地应力是指地壳中存在的内应力，原地应力是指未受工程扰动的天然应力。煤层有效应力即原地应力与储层压力之差。国内外对地应力与煤储层渗透率的关系均作了深入研究，埃尼弗等对煤层渗透率和有效应力的关

［21］

San-系进行了研究，澳大利亚煤层渗透率与地应力呈现指数关系变化。麦基等人研究了美国Piceance Basin 、Juan Basin 、Black Warrior Basin 煤层渗透率与埋深的关系，认为煤层割理的宽度与埋深和有效应力呈负相关，渗

［22］

透率更是呈现指数下降。哈普拉尼和麦克弗森对美国中西部煤层的渗透率与地应力的关系进行了研究，对给定煤样进行了多次试验，发现试验设计的地应力变化值仅为7MPa ，渗透率发生了3个数量级的改变，呈现指数

［23］

下降的关系。何伟刚等通过对多个矿区的现场实测数据分析发现，渗透率和最小主应力呈现指数关系，对数

［24］据进一步处理后，发现煤层渗透率与有效应力存在相关性更好的幂指数关系。上述的国内外资料一直表明地应力对煤层渗透率有着显著影响，地应力的增加不利于煤层割理的发育，渗透率呈指数降低。

3煤储层渗透率动态变化效应分析

3．1克林肯勃格效应

之前人们在对比气测渗透率和液测渗透率时发现，气测渗透率总比液测渗透率要高，克林伯格通过实验解

会引起气体滑动效应，对液体来讲，在孔道中心的液体分子比靠近孔道壁表释了这一现象。气体通过煤储层时，

面的分子流速要高。而且越靠近孔壁表面，分子流速越低；气体靠近孔壁表面的分子与孔道中心的分子流速没明显区别。在岩石孔隙介质中，气体分子的平均自由程达到孔道尺寸的数量级，气体分子扩散沿孔道表面自由

［25］

导致视渗透率增加，这种效应即克林肯勃格效应。克林肯勃格效应情况下的渗透率计算公式为滑动，

k g ɕ =k g *（1+4c λ/r）（1）

式中：k g ɕ 是经滑脱效应校正后的渗透率，即克氏渗透率；k g 是气体在平均压力为p m 的渗透率值；λ是气体分子相邻两次碰撞之间的平均距离，即平均自由程；r 是岩石孔隙平均半径；c 是比例因子。

克林肯勃格实验证明，平均压力p m 增加，气体分子平均自由度下降，式（1）可以改写为

k g ɕ =k g *（1+b /pm ）（2）

式中：平均压力p m 是进口压力p i 与出口压力p o 的代数和；b 是滑脱因子。滑脱因子的定义式为

b =4c λp m /r（3）

当滑脱因子为0时，此时的流态即为达西流。

由克林肯勃格效应所引起的渗透率增量为：k 滑移=k 0gb /pm 渗透率越小，滑脱因子越大，滑脱现象越显著，渗透率的增量越大。

（4）

3．2煤基质收缩效应

基质收缩效应指的是煤层气开采的排水降压过程中，储层压力下降，当储层压力低于临界解吸压力，处于吸附状态的煤层气解吸，煤层会由于煤基质收缩发生裂隙扩张，从而导致煤储层渗透率增大。煤储层在正常未开采的情况之下，若不经受大的构造运动影响，煤储层的渗透率基本上为一定值，然而伴随着煤层气的开采，其平

［26］

导致渗透率发生变化。衡状态遭受破坏，

傅学海等利用克林肯勃格公式在围限压力情况下控制有效应力，进行了煤岩甲烷与氦气的渗透率平行实验，校正了气体滑脱效应引起的渗透率变化，将煤基质收缩效应进行单独讨论，并定量的推导了煤基质收缩效应

［27-28］

。实验结果显示，煤基质会随着气、水的产出发生收缩，因此随着煤层气的开发，煤引起的渗透率变化情况

储层渗透率增大，且增大的幅度取决于煤储层的绝对渗透率，煤基质收缩的程度与绝对渗透率呈正相关，并且随

煤基质收缩导致的渗透率增加呈对数形式增大。同时汪吉林等通过实验证明，储层压力的着流体压力的降低，

［29］

降低使得煤层气解吸，煤基质收缩而导致微裂隙张开，渗透率增大。

4结论

1）作为煤层气的生气层与储集层，煤储层具有由孔裂隙系统组成的双重孔隙结构，割理裂隙的发育程度直接影响着煤层渗透率的大小。

2）中等变质程度的煤层内生裂隙最为发育，割理密度最大，可以作为煤层气开采的有利区域进行优先规划。

第2期刘峻杉：煤储层渗透率影响因素探讨

103

3）煤储层中天然裂隙的发育密度与煤岩类型条带或分层厚度呈负相关关系，构造煤不发育的储层，渗透率大于0．5mD 时，随着煤层厚度的增加，煤储层渗透率减小。

4）初碎裂煤阶段的渗流孔隙和微裂隙呈现迅速减少而后增加的态势，且在碎裂煤阶段，孔隙和裂隙最为发育，对煤层气的产出最为有利。

5）地应力对煤层渗透率有着显著影响，地应力的增加不利于煤层割理的发育，渗透率呈指数降低。构造曲率中等最利于煤储层裂隙系统发育，渗透率较大。

6）在煤层气开采过程中，有效应力效应、克林肯伯格效应以及基质收缩效应等3种因素对煤储层渗透率有

由于煤储层的含水饱和度较高，相对而言有效应力效应对其作用更大，随着开采工程不同的作用。在开采初期，

克林肯伯格效应和基质收缩效应的主导地位将凸显，二者对煤层气的产出有积极影响，因此在产能的逐步施行，

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2

LIU Jun-shan 1，

（1．Geosciences College ，Chengdu University of Technology ，Chengdu 610059；2．Network Center ，China West Normal University ，Nanchong Sichuan 637002，China ）

Abstract ：The permeability of coal reservoir is the most important influencing factor for choosing favorable area and production of coalbed methane ，this article takes a detailed analysis of coal rank ，thickness of coal seam ，coal structure ，construct curvature ，effective stress ，Klingberg effect and matrix shrinkage effect on reservoir permeability with comprehensive information consulting ，literature review methods．The results show that coal reservoir is dual pore structure ；the degree of development of fracture directly influences the size of the coal seam permeability．The growth of natural fracture density and lithotype band or negatively correlate to the layer thickness．Key words ：coal reservoir permeability ；system of pore and fracture ；effect of dynamic changes

（责任编辑

陈

琴）