煤层渗透率_煤样渗透率测试

渗流孔非均质性对渗透性的影响

渗流孔指煤中孔径大于100nm的中、大孔。渗流孔的非均质性对煤层气的渗透性具有重要影响。目前国内外有大量研究煤的孔隙分形维数的报道，主要是用煤的分形维数来研究煤的破环程度（赵爱红等，1998）、煤的结构演化特征（Mahamudet al.，2003），以及煤的孔径分类（王文峰等，2002；傅雪海等，2005）等，同时也有一些关于煤的分形维数与煤级、煤岩组分和煤岩类型的关系（Prinzet al.，2004）的报道。但很少有关于煤的孔隙结构分形维数对煤的渗透性能影响的系统报道。笔者研究分析了我国北方10多个煤田或盆地的34件煤岩样品，这些样品的采样点、煤岩、煤质和反射率等详细数据如表2.14所示。通过对煤样的压汞实验测试数据来分析煤的渗流孔隙的结构的非均质特征，探讨它对煤层气渗流的意义。

表2.14 研究煤样的煤岩、煤质和煤级测定结果

续表

注：x代表含量少于0.1％。

2.6.2.1 渗流孔分形维数计算

前人在对砂岩、页岩及活性炭等的压汞实验研究发现，通过压汞法测试的岩石的孔隙结构具有明显的分形特征（Mahamudet al.，2003，2004；Friesenet al.，1995；傅雪海等，2005；Zhanget al.，2006），并提出了采用压汞法计算岩石孔隙的分形维数的三种主要的数学模型，包括Pfeifer等（1983）和Friesen等（1987）模型，Neimark模型（1990）和Zhang等（1995，2006）模型等。其中，Pfeiferetal.（1983）和Friesenetal.（1987）模型是应用较广的一种计算模型，其计算方法简便，可以计算任意孔径段的分形维数。用这种方法计算的分形维数，主要与孔表面积和孔结构有关，是一种孔隙分形维数。Neimark模型（1990）是一种基于吸附理论的热力学方法，这种方法需要有实测表面积数据值，应用起来较为不便。Zhang等（1995，2006）提出了一种不需要孔表面数据的分形热力学计算方法，但是这种方法仅能计算整个压汞孔径段的分形维数，而不能够计算各个孔径段的分形维数。综合分析，笔者采用Friesen等（1987）的计算方法。

煤是由各种孔径级别的复杂的孔隙结构组成的多孔物质，因此煤孔隙的分形维数可通过Menger海绵分形模型来计算（Mandelbrot，1983）。Pfeifer等（1983）提出了基于压汞数据的分形维数的计算方法，该方法基于压汞的进汞体积及其对应的孔径之间的双对数关系而建立，可简要的总结为方程2.6：

煤储层精细定量表征与综合评价模型

式中：Vr为累积进汞体积；r为某进汞压力下所能探测到的主力孔径；Ds为孔隙分形维数。将方程2.6与方程2.2联立，可以得到汞体积、压力和分形维数关系：

煤储层精细定量表征与综合评价模型

其中Vp是在汞压力P下的累积进汞体积。通过方程2.7可在不需要计算压汞孔隙表面积的情况下求得渗流孔隙的分形维数。具体方法为，将测得的各个数据点的汞压力和累积进汞体积绘制在双对数坐标系统中，如果煤样具有分形特征，则两个双对数数据lg（dV/dp）和lg（p）具有显著的线性相关性，否则不具有分形特征。煤的孔隙分形维数则可通过该线型曲线的斜率A来计算，其计算式为：D＝4＋A。图2.45给出了不同煤级的四个代表性样品的渗流孔分形维数的计算曲线。

值得指出的是，虽然按照压汞原理，本次实验中可探测到0.1～100μm的所有孔隙，但是并不是在所有孔径段的孔隙都具有分形特征或者在不同孔径段的分形维数代表了不同物理或力学机制（Suuberget al.，1995）。一般在计算压汞分形维数时会将初始压力段和高压段的数据剔除，其原因是：在低压处，汞刚刚压入煤孔隙的行为并不符合自然界的分形规律；而在高压处，由于煤是一种高弹性体，煤的孔隙分形维数会在一定程度上反映煤的压缩性行为，因此不完全是煤的孔隙分形维数，这时计算的分形维数值将大于3，超出煤的孔隙分形维数的意义（Friesenet al.，1995；Mahamudet al.，2003；傅雪海等，2005；Zhanget al.，2006）。本次研究对实验数据的各个孔径段分析后发现，在孔径范围为0.1～500μm的尺度内，煤的孔隙具有明显的分形特征，而孔径小于0.1μm和大于50μm的孔隙的分形特征不明显。因此这里对渗流孔分形研究的尺度范围即设定为0.1～50μm。

在孔径0.1～50μm的尺度内对采集的34块煤样进行了压汞分形维数计算。结果表明，所测煤样的分形维数普遍较高，一般都为2.61～2.98（表2.15），这个结果与赵爱红等（1998）和王文峰等（2002）的计算结果一致。所有计算得出煤的分形维数都在2.6以上，也说明煤具有相对其他岩石类型较高的分形维数，意味着煤的孔隙结构或孔表面积比其他岩石更复杂，这也是煤的微观非均质性较高的主要原因。

图2.45 四个代表煤样的压汞进汞体积和进汞压力的双对数曲线

表2.15 煤岩渗透率测试值及压汞分形维数的计算结果

注：n代表该样品未进行渗透分析或样品存在裂隙，因此渗透率数据舍去；A代表lg（dV/rdp）和lgp）拟合直线的斜率；D为分形维数。

2.6.2.2 煤的渗流孔分形维数与渗透率的关系

为了进一步分析煤的孔隙分形维数与渗透率的关系，笔者对20件样品进行了煤岩渗透率分析，结果如表2.15所示。所测煤样的渗透率均为中、低值，一般都在（0.016～19.2）×10-3μm2之间，其中采自畔畔塔矿的PPT2的样品的渗透率出现异常值，为73.5×10-3μm2。分析发现，该样品由于在运输或制样过程中人为造成了微裂隙，所以渗透率出现异常高值。在分析样品的分形维数和渗透率的关系时，该样品未纳入分析系列。

煤岩渗透率与煤渗流孔分形维数的关系如图2.46所示，其中图2.46a为所有测试样品（Ro＝0.43％～4.21％）的统计数据，而图2.46b为所有中高煤级煤样（Ro＝1.47％～4.21％）的统计数据。总体来看，煤的渗流孔的分形维数越高煤的渗透率越低，说明煤的孔分形维数越高，渗流孔隙的结构越复杂，煤的渗透率越低。比较图2.46a和图2.46b发现，分形维数和渗透率的负相关关系在中、高煤级样品中尤为明显。

进一步分析发现，煤级对煤的渗透率影响较大，一般煤级越高渗透率越低。褐煤、长焰煤和气煤的渗透率一般都大于1×10-3μm2，部分样品甚至大于4×10-3μm2，而低级烟煤和无烟煤的渗透率一般都小于1×10-3μm2（表2.15）。煤级对煤的渗透率影响较大，这已被国内外大量的研究所证实。高煤级煤储层普遍的低渗透率和高非均质性成为当前高煤级煤层气储层开发的主要问题。为了进一步研究高煤级煤储层低渗透的主要原因，下文对不同煤级的煤的分形维数进行了深入分析，力求从煤的渗流孔分形特征的角度来阐述煤级对煤的渗透率的影响。

图2.46 煤岩渗透率与煤的渗流孔的分形维数的关系

图2.47 研究煤样的孔分形维数与煤级的关系

2.6.2.3 煤的渗流孔分形维数与煤变质程度的关系

煤的渗流孔的分形维数反映了煤的孔表面和孔结构的本质特征，对比不同煤级煤的孔分形维数的大小，可以研究不同煤级煤的渗透率差异的本质原因。煤的孔分形维数与煤级呈多项式的关系（图2.47）。当煤的镜质组反射率Ro1.2％时，煤级越高煤的孔分形维数越低，这与Prinz等（2004）的研究结果一致；当煤的镜质组反射率在1.2％～2.1％之间时，煤级越高煤的孔分形维数越高；当煤的镜质组反射率Ro2.1％时，煤的孔分形维数保持高值，一般都在2.9以上。煤级对煤的孔分形维数的影响主要是在煤化作用过程中，煤的物理和化学结构的改变引起了煤的组成（如水分、灰分等）和煤的孔隙结构的变化，进而影响了煤的分形维数。

在褐煤和长焰煤阶段（Ro介于0.43％～0.64％之间）时，煤中含有大量的羟基和羧基官能团（韩德馨，1996）。这时煤的亲水能力非常强，煤中水分含量非常高。在该阶段煤的水分含量一般都在6％以上（表2.14和图2.48a），而煤的水分含量和煤的孔分形维数呈正相关关系（图2.48b），表明煤的内在水分含量会降低煤的孔分形维数。因此该阶段煤的分形维数一般较高（大于2.85）。在气煤—焦煤阶段（Ro介于0.6％～1.2％之间），即处于第一和第二次煤化作用跃变之间时，随煤级增高原生大孔隙急剧减少，热变气孔逐渐增多，羟基和羧基官能团大量脱落，水分含量也迅速下降（表2.14和图2.48a）。一方面该阶段随着煤级增高，煤的水分含量从约5.6％降到了0.4％。水分的丢失造成了煤的孔表面和孔结构的变化，从而降低了煤的孔分形维数。另一方面该阶段煤中的微孔是逐渐减小的（Bustinet al.，1998；GürdalandYal?1n，2001），微孔含量的降低造成了煤的孔表面更加平坦、孔径分布更加均匀，从而降低了煤的渗流孔隙分形维数。在焦煤—贫煤阶段（Ro介于1.2％～2.1％之间），即位于第二与第三次煤化作用跃变之间时，几乎所有的含氧官能团都脱落，煤的芳环总和逐渐增大，排列逐渐有序（韩德馨，1996），煤的微孔隙增多、比表面积显著增加（Bustinet al.，1998；GürdalandYal?1n，2001）。同时，煤的水分含量在该阶段变化不大。因此，煤的微孔表面的逐渐增加和微孔隙的逐渐发育导致了煤的渗流孔隙的分形维数迅速升高。在半无烟煤—低级无烟煤阶段（Ro介于2.1％～4.2％之间），即位于第三次与第四次煤化作用跃变之间时，煤中的中孔、微孔体积达到极大值，同时水分含量也开始增长（图2.48a）。这两个原因造成了煤的渗流孔的分形维数始终维持在一个高值的区间（图2.47）。关于超无烟煤阶段煤的研究，由于数据有限，未得出明显的规律。仅个别数据显示在超无烟煤阶段，渗流孔的分形维数会略微下降。

图2.48 研究煤样的煤级、水分含量和分形维数的关系

通过对煤的渗流孔分形维数随煤级的变化规律的研究，可以进一步得出煤级对煤的渗透率影响的本质原因：高煤级煤一般具有较高的渗流孔分形维数，渗透率一般较低，而非均质性却较高；中等变质程度的气、肥、焦煤的渗流孔的分形维数较低，渗透率一般较高。煤层气储层评价过程中，煤的渗流孔分形维数可以作为代表煤储层渗透率和非均质性评价的定量指标之一。

煤储层地质特征

煤层气储层是由孔隙、裂隙组成的双重结构系统(Tremain et al.，1990;Kulander et al.，1993;Laubach et al.，1998;张慧，2001;苏现波等，2009)(图4-6)。煤层被理想化为由一系列裂隙切割成规则的含微孔隙的基质块体，煤中的基质孔隙，是吸附态和游离态煤层气的主要储集场所，气体的吸附量与煤的孔隙发育程度和孔隙结构特征有关。煤基质孔隙孔径小，数量多，是孔内表面积的主要贡献者，为煤层气的储集提供了充足的空间，煤储层的裂隙系统是煤中流体渗透的主要通道。

图4-6 煤储层几何模型

一、煤储层孔隙系统

1.煤储层孔隙分类

煤孔隙特征往往以下列指标参数予以表征:孔隙大小，形态，结构，类型，孔隙度，孔容，比表面积及孔隙的分形特征。在目前技术条件下，多采用普通显微镜和扫描电镜(SEM)观测，以及压汞法及低温氮吸附法测试等方法来研究煤的孔隙特征。

煤基质孔隙有两种分类方法:成因分类和大小分类。

不同研究者对煤基质孔隙的成因分类的方案也不相同。郝琦(1987)划分的成因类型为植物组织孔、气孔、粒间孔、晶间孔、铸模孔、溶蚀孔等。张慧(2001)以煤岩显微组分和煤的变质和变形特征为基础，参照扫描电镜观察结果，按成因特征将煤的孔隙分为原生孔、变质孔、外生孔及矿物质孔等四大类十小类。此外陈萍等(2001)研究了煤孔隙的形态分类，桑树勋等(2005)分别探讨了煤中固气作用类型分类，傅雪海等对煤孔隙进行了分形及自然分类(表4-1)。孔隙的成因类型及发育特征是煤储层生气储气和渗透性能的直接反映。煤孔隙成因类型多，形态复杂，大小不等，各类孔隙都是在微区发育或微区连通，它们借助于裂隙而参与煤层气的渗流系统。

表4-1 煤岩孔隙分类

注:分类未标明者均为直径，单位为nm。(转引自汤达祯等，2010)

煤基质的孔径分类一般采用霍多特(Ходот)(1961)的分类方案。霍多特对煤的孔径结构划分是在工业吸附剂的基础上提出的，主要依据孔径与气体分子的相互作用特征。煤是复杂多孔介质，煤中孔隙是指煤体未被固体物(有机质和矿物质)充填的空间。霍多特(1961)曾经按空间尺度将煤孔隙分为大孔(＞1000nm)、中孔(100～1000nm)、小孔(10～100nm)、微孔(＜10nm)。气体在大孔中主要以层流和紊流方式渗透，在微孔中以毛细管凝结、物理吸附及扩散现象等方式存在。考虑到煤层气中主要成分甲烷分子的有效分子直径为0.38nm的运聚特征和分类影响范围等因素，研究者主要采用霍多特的分类。

2.煤孔隙定量描述

煤基质孔隙可用3个参数定量描述:总孔容，即单位质量煤中孔隙的总体积(cm3/g);孔面积，即单位质量煤中孔隙的表面积(cm2/g);孔隙率，即单位体积煤中孔隙所占的体积(%)。对煤层而言，按常规油气储层的分类多属致密不可渗透储层或低渗透储层，煤层气的运移又是通过裂隙实现的，基质孔隙中煤层气的运动仅是扩散。因此，煤层气的研究中一般不采用有效孔隙率这一名词，而采用裂隙孔隙率，用于评价煤层气的运移情况。绝对孔隙度则用于评价储层的储集性能。煤的总孔容一般在0.02～0.2cm3/g之间，孔面积一般在9～35cm2/g之间，孔隙率在1%～6%之间。

3.煤孔隙影响因素

煤的孔隙度、孔径分布和孔比表面积与煤级关系密切。

镜质组反射率增高，煤的孔隙度一般呈高—低—高规律变化。低煤级时煤的结构疏松，孔隙体积大，大孔占主要地位，孔隙度相对较大;中煤级时，大孔隙减少;高煤级时，孔隙体积小，微孔占主要地位。宁正伟等(1996)对华北焦作、淮南、安阳、唐山、平顶山等矿区石炭-二叠系45个煤样压汞及氦气的测试表明，高变质程度的贫煤、无烟煤微孔发育，占总孔隙体积的50%以上，大、中孔所占比例较低，平均小于总孔隙体积的20%。中变质程度的肥煤、焦煤、瘦煤，大、中孔发育，尤以焦煤最高，可占总孔隙体积的38%左右，微孔相对较低，小于总孔隙体积的50%。因此中演化变质程度的煤大、中孔发育，对煤层气的降压、解吸、扩散、运移有利，是煤层气储层评价中最有利的煤级。

煤的孔径分布和煤化程度有着密切的关系。根据陈鹏(2001)研究，褐煤中不同级别孔隙的分布较为均匀;到长焰煤阶段，微孔显著增加，而大孔、中孔则明显减少。到中等煤化程度的烟煤阶段，其孔径分布以大孔和微孔占优势，而中孔比例较低。到高变质煤阶段如瘦煤、无烟煤，微孔占大多数，而孔径大于100nm的中孔、大孔仅占总孔容的10%左右。

孔比表面积是表征煤微孔结构的一个重要指标。一般微孔构成煤的吸附空间，对应于基质内部微孔隙，具有很大的比表面积;小孔构成煤层毛细凝结和扩散区域;中孔构成煤层气缓慢渗流区域;大孔则构成强烈层流区域，对应于割理缝及构造裂隙等。大的比表面积表明其吸附煤层气的能力强，而比表面积的主要贡献者为微孔。一般认为，煤对气体的吸附能力随着煤级的增高而增大。按照这一规律，煤的比表面积也应当随着煤级的增高而增加。但对我国部分煤样进行低温氮测试的结果发现却不完全如此(图4-7)。可以看出，我国部分煤样低温氮测试的比表面积和煤级的关系，与煤的孔隙度和煤级的关系相类似。在中、低煤级阶段，随着煤变质程度的增高，煤的比表面积逐渐降低;到无烟煤阶段，煤的比表面积又开始增加。比表面积的最小值位于烟煤与无烟煤的交界处(Ro=2.5%)。而Bustin等(1998)所进行的CO2等温吸附实验显示，煤级增高，煤样的微孔孔容和表面积先减后增，在烟煤阶段出现最小值。

图4-7 煤的比表面积与煤级的关系

二、煤储层微裂隙系统与煤储层渗透率

1.煤储层裂缝系统分类

煤的裂隙与孔隙共同构成了煤层气在煤储层内的赋存空间和运移通道。王生维等(1997)从煤层气产出特征分析的需要出发，广泛地研究了煤裂隙与孔隙的特征后，提出了适用于煤储层岩石物理研究和煤层气产出特征分析的煤储层孔隙、裂隙分类与命名方案(表4-2)。霍永忠(2004)提出了煤储层显微孔裂隙的分类方案(表4-3)。

表4-2 煤储层孔隙、裂隙系统划分及术语

(据王生维等，1997)

表4-3 煤储层显微孔—裂隙分类

(据霍永忠，2004)

在显微尺度下识别的微裂隙按照其延展性和开放性，可从实用角度划分为A、B、C、D四类(表4-4)。

表4-4 煤储层微裂隙实用分类简表

(据姚艳斌等，2007)

2.煤储层裂缝系统形成影响因素与煤孔隙受到煤变质作用影响一样，煤裂缝同样受到煤变质作用影响。张胜利(1995;张胜利等，1996)研究认为，中等变质的光亮煤和半亮煤中割理最发育，这些煤层分布区是煤层气勘探开发的优选靶区。Law等(1993)认为割理频率与煤阶存在函数关系，割理频率从褐煤到中等挥发分烟煤随煤阶升高而增大，然后到无烟煤时随煤阶上升而下降。宁正伟等(1996)经过研究也发现，中等变质程度的煤层内生裂隙最为发育，提高了煤的渗透性和基质孔隙连通性，煤储层物性条件好，在勘探开发过程中易降压，有利于煤层气的解吸、扩散和运移，是最有利于煤层气开发的煤级。王生维等(1995)也认为，煤中孔隙的发育除了受控于煤相之外，还受煤阶和变质作用类型的控制;微裂隙的发育受煤岩成分和煤变质双重因素的控制;内生裂隙的发育除了受煤岩成分影响外，还受煤变质的制约。毕建军等(2001)通过研究认为，割理的密度主要取决于煤级，一般在镜质组反射率为1.3%左右时割理密度最大;割理在高煤级阶段发生闭合主要是由于次生显微组分的充填和胶合作用所致。

随着埋藏深度的增加，煤储层受到较大的地应力作用，煤储层渗透性将变差。从美国圣胡安盆地、黑勇士盆地、皮申斯盆地煤储层绝对渗透率随深度的变化趋势，可以看出这一明显趋势(图4-8)。

图4-8 美国部分地区煤储层渗透率与埋藏深度的关系

3.煤储层渗透率

煤储层的渗透率是反映煤层中气、水的流体渗透性能的重要参数，它决定着煤层气的运移和产出。它是煤储层物性评价中最直接的评价指标。煤层气勘探初期的渗透率主要有试井渗透率和煤岩(实验室)渗透率两种。在煤储层评价时，一般将试井渗透率作为评价渗透率的首选参数，而当研究区没有试井渗透率资料时，可选取煤岩渗透率作为替代参数。试井渗透率是在现场通过试井直接测得的。对煤储层而言，多采用段塞法和注水压降法(Zuber，1998)。试井渗透率最能反映储层原始状态下的渗透性，因此是比较可靠的渗透率确定方法。

据现有资料，国外的煤储层的渗透率一般较高，一般都在10×10-3μm2以上，如拉顿盆地渗透率为(10～50)×10-3μm2，黑勇士盆地为(1～25)×10-3μm2，圣胡安盆地为(5～15)×10-3μm2，粉河盆地高达(500～1000)×10-3μm2(Zuber，1998;AyersJr.，2002)。与国外相比，国内的煤储层渗透率一般都低于1×10-3μm2，较好的煤储层也一般都在(1～10)×10-3μm2之间，大于10×10-3μm2的储层很少。根据《中国煤层气资源》(叶建平，1998)数据统计，我国煤储层渗透率变化于(0.002～16.17)×10-3μm2之间，平均为1.273×10-3μm2。其中:渗透率小于0.10×10-3μm2的层次占35%，介于(0.1～1.0)×10-3μm2之间的层次占37%，大于1.0×10-3μm2的层次占28%，小于0.01×10-3μm2和大于10×10-3μm2的层次均较少(图4-9)。我国的煤层渗透率以(0.1～1.0)×10-3μm2等级为主。煤层渗透率普遍较低，即使是在目前已经投入商业化开发的沁水盆地东南部的渗透率一般也都在(1～10)×10-3μm2之间。

煤岩渗透率又称实验室渗透率，是通过实验室的常规煤岩心分析获得的。相对于试井渗透率，实验室测试的渗透率有许多局限之处。最主要的是实验室测得的渗透率由于环境条件的变化往往不能反映真实情况等。首先，实验室的渗透率一般在常温、常压下测得，与煤储层的高温、高压的原始状态不符;其次，实验室渗透率由于样品大小过小而降低了测试的精度。最后，即使足够大的煤样也不能够完全反映煤储层的大的外生裂隙，因此实验室渗透率可能低估煤储层的实际渗透率;另一方面，煤样运送、制样过程中也可能造成人工裂隙，这时实验室渗透率值又将高估煤储层的实际渗透率。

虽然煤岩渗透率在用于储层渗透率评价时存在许多不足之处，但由于其比较容易获得，一直作为煤储层渗透率评价的主要指标。特别是对处于煤层气勘探初期且还未实施煤层气钻井的区域进行评价时，可选择煤岩渗透率作为评价储层渗透性的重要指标。对我国山西、陕西、河南、沈阳和安徽等省煤田的大量煤岩样品的渗透率测试发现，煤岩渗透率在大部分情况下可以反映煤储层渗透率的真实情况。图4-10为选取的我国11个重点煤层气矿区的实测煤岩渗透率分布的高低箱图。各矿区的渗透率平均值一般都在(0.1～1)×10-3μm2之间，部分矿区可高达1×10-3μm2以上。

图4-9 中国主要矿区(煤田)试井渗透率分布

图4-10 中国主要煤田(盆地)煤岩实测渗透率分布箱式图

对比图4-9和图4-10可以发现，各矿区的煤岩渗透率值与试井渗透率值的取值区间基本相近，且煤岩渗透率和试井渗透率具有较好的正相关关系。因此，在对煤储层渗透率进行评价时，选择以试井渗透率值为主，而煤岩渗透率值为辅，将二者有机结合起来实现对煤储层的评价。

核磁共振T2谱分析结果与恒速压汞结果的相互验证

为了进一步证实核磁孔径分析结果的可信性，这里采用恒速压汞测试结果进行分析。恒速压汞技术是目前国际上用于岩石微观孔隙结构特征分析的最先进的技术之一。常规压汞实验采用的是恒压法，只能得出孔隙大小的体积分布而不能解决喉道的问题；而事实上，在对渗透率的贡献上，孔隙喉道的意义远比孔隙大小的意义重大。鉴于此，Gauler（1971）和Yuan等（1989）提出了一种基于恒定速度的压汞实验方法，这种方法可以有效地区分孔隙中的孔道和喉道，并获得两者的定量化信息，因此对于孔隙型储层特别是低孔、低渗储层的意义重大。近两年来，随着国内低孔、低渗储层逐渐进入主流开发阶段，这种技术也被逐渐引入到了国内油气储层的研究中来，并在我国的大庆和长庆油田的低渗透储层研究中取得了成功的应用（王金勋等，2003；于俊波等，2006；胡志明等，2006；杨正明等，2006）。这里将探讨恒速压汞技术在煤样研究中的应用，同时对核磁共振物性分析结果进行验证。

4.4.3.1 恒速压汞技术

常规压汞技术是在恒定某一进汞压力下，计算喉道半径，通过计量进汞量，计算对应于汞压力的喉道控制体积；通过进汞压力实验，给出岩样中喉道大小分布。常规压汞实验只是给出了某一级别的喉道所控制的孔隙体积，并没有直接测量喉道数量，因此只能给出喉道半径及对应的喉道控制体积分布。而这个分布由于掺杂了孔道体积的因素，所以并非是准确的喉道分布。而恒速压汞技术在实验过中可测量喉道数量，并克服常规压汞技术的不足。由于恒速压汞技术能同时得到孔道和喉道的信息，更适用于孔、喉性质差别很大的低渗透、特低渗透储层。

恒速压汞技术的进汞速度低，可保证准静态进汞过程的发生。在此过程中，界面张力与接触角保持不变；进汞端经历的每个孔隙形状的变化，都会引起弯月面形状的改变，从而引起系统毛细管压力的改变，当压力上升到主喉道处的压力时即可获得一个完整的孔隙单元的信息（于俊波等，2006）。恒速压汞通过检测汞注入过程中的压力涨落将岩石内部的孔隙和喉道分开，恒速压汞的测试结果能够分别提供孔隙和喉道的毛管压力曲线，提供孔隙半径分布、喉道半径分布、孔隙-喉道半径比分布等岩石微观孔隙结构特征参数。

本次研究中采用ASPE-730恒速压汞仪分析了G2、WL7和STJ1-10三个样品，实验中恒定的进汞速度为0.00005mL/min，最大进汞压力为6.2MPa，对应的最小喉道半径为0.12μm，测得的部分孔隙和喉道参数结果如表4.4。

表4.4 煤样的孔隙和喉道的恒速压汞测试结果

注：分选系数越小，说明喉道大小分布越集中于平均值，孔隙结构越均匀；主流喉道半径为采用喉道对渗透率累积贡献率达80％以前喉道半径的加权平均值；主流喉道半径下限为喉道对渗透率累积贡献率达80％时的喉道半径。

由分析的三个样品可知，随着渗透率增高，平均孔隙半径、平均喉道半径和主流喉道半径和主流喉道半径下限均相应增大。其中渗透率为0.067×10-3μm2的样品的平均喉道半径只有2.22μm，主流喉道半径只有1.51μm；而渗透率为14.9×10-3μm2的样品的平均喉道半径高达7.14μm，主流喉道半径高达9.28μm。此外，相对分选系数有随渗透率增高而增加的趋势。说明煤样的渗透率越大，孔隙越不均匀。

如图4.20为G2号样的孔喉和孔隙分布的直方图。该样的平均孔隙半径达到180μm，平均喉道半径达到7.14μm，且各喉道的频率分布较均匀，说明该样的孔隙和喉道都非常发育且连通性好。该样在T2谱上呈一个类似砂岩T2谱的连续的单峰分布，同时离心实验表明可动流体含量占有绝对比例（图4.7g），因此核磁共振结果与恒速压汞结果吻合较好。

图4.20 G2号样喉道半径和孔隙半径分布频率直方图

图4.21a为恒速压汞孔喉毛管半径与汞饱和度增量的关系，汞饱和度增量的多少反映了孔隙含量的高低；图4.21b为采用离心-T2c法计算的与恒速压汞结果相对应的赝孔径分布（仅部分孔径段）段各孔隙的百分含量。由图中可知，在恒速压汞所测量的孔隙（孔喉半径约0.1～12μm）范围内，两种方法测定的孔隙相对含量较一致。

如图4.22为WL7号样的孔喉和孔隙分布的直方图。该样的平均孔隙半径和平均孔喉都较G2号样低，且孔喉分布不均匀，孔隙的连通性差。该样在在T2谱上呈三峰分布，其中裂隙或大孔的峰较明显，其他两个峰较小，峰与峰之间存在明显的波谷，恰好反映了孔隙结构的不均匀特征（图4.7a），核磁共振结果与恒速压汞结果符合较好。图4.23为该样恒速压汞孔喉分布结果与核磁共振孔径分布结果对比图，两者的对应性也较好。

图4.21 G2号样恒速压汞孔喉测定结果与核磁共振孔径测定结果对比图

图4.22 WL7号样喉道半径和孔隙半径分布频率直方图

图4.23 WL-7号样恒速压汞孔喉测定结果与核磁共振孔径测定结果对比图

如图4.24为STJ-10号样的孔喉和孔隙分布的直方图。该样的平均孔道隙半径和平均孔喉都较前两个样更低，平均孔隙半径约130μm，平均喉道半径只有2.2μm，且各喉道的频率分布较不均匀，说明该样的孔隙和喉道的连通性一般或较差，这与核磁共振T2谱的分析结果也较一致（图4.7b）。该样由于孔隙和喉道较小，因此采用恒速压汞测试的结果较差，仅能测试到非常有效的孔隙范围，本实验中仅为0.1～4μm，因此恒速压汞结果无法跟核磁共振结果对比分析。

从分析的三个样品的恒速压汞测试结果来看，恒速压汞可以有效的反映煤的孔隙和喉道的详细信息，但其存在较多缺陷。首先是这种方法所测量的孔隙范围非常有限。由于恒速压汞的最高进汞压力仅为6MPa，所以仅能探测0.1μm以上的孔隙。对于孔裂隙发育较好的样品来说，这种方法还可适用。然而对于特低孔、低渗的样品，有时候仅能测到非常有限的孔隙范围，因此实用性较差。其次，这种方法无法反映裂隙的信息。最后，该方法测试周期较长，一个样品往往要一周的时间才能完成。相比较，核磁共振方法测试的孔隙范围较宽，可以有效反映裂隙的信息，适用范围较广，且具有无损和快速的特点，因此较恒速压汞方法具有较大优势。

图4.24 STJ1-10号样喉道半径和孔隙半径分布频率直方图

不同煤体结构煤储层物性差异分析

李 松 汤达祯 许 浩 陶 树 蔡佳丽

( 中国地质大学 ( 北京) 能源学院 北京 100083)

摘 要: 本次研究以不同煤体结构的煤储层物性的差异分析为切入点，运用各种实验测试手段，探讨了煤体结构和煤储层物性的耦合关系。结果表明: 煤岩随着应力的增强，吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。渗流孔隙和微裂隙随着应力的增强在初碎裂煤阶段骤减，而后增加，在碎裂煤阶段最为发育，而到了糜棱煤阶段，煤岩发生塑性变形，其发育程度再次减小，碎裂煤对煤层气的产出最为有利。煤体结构变形可分为五个阶段，包括裂隙闭合阶段、微裂隙产生阶段、宏观裂隙产生阶段、沿某破裂面破坏阶段和流变破坏阶段，表述了各阶段煤岩渗透率的变化规律。

关键词: 煤体结构 储层物性 孔隙 裂隙

基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目 ( 40730422) ; 国家科技重大专项课题 34 ( 2011ZX05034) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助

作者简介: 李 松，1985 年生，男，江苏省沛县人，博士研究生，从事能源地质方面的研究。E-mail: lisong85@ 126. com

Coal Reservoir Property Differences Analysis of Different Coal Structure

LI Song TANG Dazhen XU Hao TAO Shu CAI Jiali

( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

Abstract: This paper focused on the influence of coal structure types on the coal reservoir properties，using a variety of testing methods studied the connection between coal structure types and properties. The results showed that: with the stress increasing，the coal reservoir adsorption capacities improved，and the adsorption pores changed from enclosed types to open pores which are conducive to the adsorption，desorption and diffusion of the coalbed methane. Seepage pores and microfracures firstly sharply decreased with the stress increasing in the proto- cataclastic coal stage，then increased and most developed in the cataclastic coal stage，while in the mylonitic coal stage the seepage pores and microfractures reduced again，thus，the cataclastic coals are most favorable to the production of coalbed methane. The evolution of the coal structure can be divided into five stages，including the closing stages of fractures，the microfractures development stage，cracks development stage，damage along cer- tain fracture plane and rheological destruction stage.

Keywords: coal structure; reservoir properties; porosity; cracks

我国的含煤盆地具有复杂的构造演化史，尤其在中国南方地区，煤层受多期构造运动的叠加改造，不仅导致煤盆地结构发生变化，也使煤层结构发生了强烈变形，煤储层物性发生了根本性的变化，煤储层非均质性增强，从而加大了我国煤层气勘探和开发的难度(姜波等，1998;琚宜文等，2002;傅雪海等，1999)。目前我国在对构造煤储层物性特征方面缺乏深入研究和探讨，由于构造复杂，甚至将构造煤视为煤层气开发的“禁区”(杨陆武等，2001)。针对这一问题，本次研究采集了不同煤体结构的煤岩样品进行了各种测试及实验，以不同煤体结构的煤储层物性的差异分析为切入点，力求在煤体结构和煤储层物性的相互关系方面取得突破。

样品采自云南省老厂地区箐地沟煤矿，样品涵括了原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤。为了对具有不同煤体结构煤岩样品的物性特征进行多技术综合表征，本次研究设计并开展了多项测试及实验，对采集煤样的孔裂隙系统及物性参数进行了系统的分析。首先，从四种不同煤体结构的煤岩样品中分别钻取2个直径约25mm的岩心柱样，一套柱样用于压汞孔隙测试，另一套用于煤岩常规孔渗分析;然后将钻取柱样时剩余的块状样品用于制作煤岩光片，进行煤岩显微裂隙测定;剩余的颗粒状样品用于煤岩液氮比表面、孔径测试、工业分析和甲烷等温吸附实验。

1 煤储层孔隙结构特征

1.1 吸附孔隙结构特征

煤的吸附孔是指孔径小于100nm的孔隙，包括小孔、微孔等孔隙空间(XoДoTBBetal.，1996)。液氮吸附法能够非常有效地区分吸附孔中的微孔和小孔，对研究煤储层吸附孔径结构具有一定的优势(陈萍等，2001)。四块煤样的液氮吸附实验结果呈现出很好的规律性(表1)，原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤所受到的构造应力依次增大，随着应力条件的增强，各煤岩样品的BET比表面积和BJH总孔体积依次升高。微孔和小孔含量也随着应力的增大发生相应的变化，箐地沟煤矿煤的演化程度已经达到无烟煤阶段，因此该煤矿的原生结构煤的微孔含量较高，达83.3%，随着应力作用的增强，微孔趋于闭合，小孔变为更小的孔隙，部分大中孔变为小孔，相对来说，微孔数量的减少要大于小孔数量的减少，因此小孔含量相对增加。从原生结构煤到糜棱煤小孔含量从16.7%变为65.4%，平均孔直径也从10.6nm增大到17.8nm。

表1 液氮吸附实验测试数据表

四块煤样的液氮吸/脱附曲线呈现不同的形态，尤其糜棱煤与其他煤样存在较大的差异(图1)。糜棱煤的吸附曲线从压力接近P0时开始迅速增加，曲线变陡，吸附量迅速增大，最大吸附量可达2.0mL/g;而原生结构煤、初碎裂煤和碎裂煤的最大吸附量较小，均在0.6mL/g以下，吸附曲线整体比较平缓，吸附能力糜棱煤碎裂煤初碎裂煤原生结构煤。随着应力的增加，煤岩小孔含量逐渐高于微孔，煤储层的BET比表面，BJH总孔体积和平均孔直径相对增高，煤岩吸附能力随之增大。糜棱煤和碎裂煤的吸/脱附曲线都存在较为明显的吸附回线，反映的孔隙类型是开放型的圆筒孔和平行板状孔;而原生结构煤和初碎裂煤的吸/脱附曲线近乎重合，孔隙多为一端封闭型孔。总体而言，随着应力的增强，煤岩吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，应力的增大使得煤岩吸附孔隙的吸附能力和孔隙类型变好，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。

图1 典型液氮孔隙模型

1.2 渗流孔隙结构特征

煤储层中孔径大于100nm的孔隙为渗流孔隙，主要由大孔和中孔组成，其孔径结构对煤的渗透性及开发阶段煤层气的产出具有重要意义。本文研究煤储层渗流孔隙结构采用了压汞测试方法，压汞法可以定量得到孔径大于3.75nm的孔隙参数，这种方法在测试煤的大孔和中孔的孔径结构上具有一定的优势［7］。煤样的压汞测试结果表明:四块煤样的微小孔含量基本相当，但大中孔含量差异较大(表2)，表明应力作用对煤岩的渗流孔隙的发育具有较强的控制作用。其中煤岩大孔含量碎裂煤糜棱煤原生结构煤初碎裂煤，碎裂煤的大孔含量最高，达15.53%，其他三块样品的大孔含量均低于5%，原生结构煤的大孔含量为3.53%，初始的应力使得部分大孔转化为中孔，初碎裂煤的大孔含量相对减少，为2.97%，随着应力的增大，煤岩开始破裂，产生大量裂隙和大孔径孔隙，大孔含量明显增高，为15.53%，随着应力的进一步增大，煤岩变为糜棱煤，煤岩结构被严重破坏，大孔含量再次减少到4.71%。

表2 压汞孔隙测试数据表

在通过压汞测试的进、退汞曲线形态分析煤的渗流孔隙结构时，发现四块样品的压汞测试的进、退汞曲线形态显示出较大的差异(图2)。碎裂煤的进汞饱和度和退汞效率最高，而其他样品的进汞饱和度都较低，在30%左右，糜棱煤退汞效率最低，为32.35%，而其他样品的退汞效率均在60%左右。排驱压力碎裂煤糜棱煤初碎裂煤原生结构煤。碎裂煤的进汞饱和度和退汞效率都较高，排驱压力低，渗流条件最好，而糜棱煤的进汞饱和度和退汞效率都较低，排驱压力高，渗流条件最差，原生结构煤和初碎裂煤基本相当，渗流条件一般。研究表明煤岩中孔径大于1000nm的大孔对煤层气渗流的贡献要优于其他孔隙，碎裂煤的大孔含量最高，对煤层气的开发最为有利。

图2 典型压汞曲线类型

2 煤储层微裂隙结构特征

微裂隙是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁，其发育程度影响煤储层的渗透性能，借助于光学显微镜可直观地观测到煤岩中微裂隙的大小与形态。微裂隙可划分为A、B、C和D四种类型(Yao，Y.B.etal.，2009):类型A(宽度w5μm且长度L10mm)是宏观能清晰辨认的裂隙;类型B(w5μm且10mm≥11mm)是连续且较长的裂隙;类型C(w5μm且1mm≥1300μm)是时断时续的裂隙;类型D(w5μm且≤1300μm)是短裂隙。实验方法是首先将煤岩样品抛光制作成规格为30mm×30mm的煤岩光片，然后在50倍荧光显微镜下将该煤岩光片划分成10mm×10mm的9个微区，分别统计各级别微裂隙的发育程度。

2.1 微裂隙密度

四块煤岩样品的微裂隙发育密度差别较大，微裂隙以D型为主，C型和B型次之，而A型微裂隙极少见(表3)。其中，碎裂煤的微裂隙密度最大，可达165条/9cm2;初碎裂煤的微裂隙发育密度最小，仅为14条/9cm2;糜棱煤为25条/9cm2;而原生结构煤的微裂隙密度为67条/9cm2。原生结构煤和初碎裂煤都未见A型裂隙发育;碎裂煤和糜棱煤中存在A型裂隙，研究表明后期的构造应力作用是产生A型裂隙的主要因素。

表3 微裂隙类型和密度统计表

图3 微裂隙的显微镜下特征

2.2 微裂隙特征

原生结构煤以D型微裂隙和C型微裂隙为主，两者交叉分布，联通性一般;初碎裂煤的微裂隙密度非常小，镜下特征显示为几条孤立存在的D型裂隙，B和C型裂隙极少，未见A型裂隙发育，连通性最差;碎裂煤的微裂隙相对较发育，且裂隙方向杂乱无章，分布极不规律，但裂隙之间的连通性非常好，有利于煤层气的渗流;糜棱煤的微裂隙多呈树枝状，其中类型B宽度较大，多为树枝状裂隙的树干部分，而裂隙C多较细而且延伸远，为树枝状裂隙的树枝部分。

3 煤储层吸附性和渗流能力

3.1 煤储层吸附性

通常用等温吸附实验的兰氏(Langmuir)参数来评价煤储层的吸附性能，常用参数有兰氏体积和兰氏压力(姚艳斌等，2007;张群等，1999):兰氏体积是煤层气储层的极限吸附量，代表煤层气储层的吸附能力;兰氏压力是实际吸附量达到极限吸附量50%时的压力，代表煤层气储层吸附气体的难易程度。等温吸附测试结果表明:四块煤岩的原煤兰氏体积在26.87～30.96m3/t之间，可燃基兰氏体积在30.45～38.94m3/t之间，兰氏压力在1.22～2.37MPa之间(表4)。煤的变质程度对煤的吸附性能具有决定性的作用，四块煤样的变质程度高，因此煤岩兰氏体积普遍较高，随煤级增高，煤中孔隙结构发生规律性变化，其中大孔、中孔逐渐闭合，而小孔和微孔逐渐增加，大量的小孔和微孔为甲烷气体提供了更多的吸附空间，提高了煤的吸附能力。碎裂煤的可燃基兰氏体积最低，原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤依次增高，糜棱煤最大，达到38.94m3/t。而原煤兰氏体积糜棱煤最低，为26.87m3/t，这是因为该块样品灰分含量极高，达到27.73%，显著高于其他样品，影响了其煤岩整体吸附能力。碎裂煤、原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤的兰氏压力依次升高，其煤岩吸附难易程度依次降低。

表4 等温吸附和工业分析数据表

3.2 煤储层渗流能力

原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤的渗透率依次为0.0078mD、0.0028mD、3.53mD和0.00037mD，其中碎裂煤的渗透率最高，而其他煤样的渗透性较差。大孔含量、微裂隙密度与煤岩渗透率存在较好的正相关关系，大孔含量越高，微裂隙越发育，煤岩渗透性越好(图4)。碎裂煤的气测渗透率值为3.53mD，裂隙广泛发育是导致该样品的实测渗透率较高的主要原因。

煤体结构变形可分为五个阶段，包括AB段(裂隙闭合阶段)、BC段(微裂隙产生阶段)、CD段(宏观裂隙产生阶段)、DE段(沿某破裂面破坏阶段)和EF段(流变破坏阶段)(图5)。AB段(裂隙闭合阶段):煤岩在应力作用下裂隙受压闭合，其应力相对较小，而煤岩应变量较大，渗透率降低;BC段(微裂隙产生阶段):初期除产生弹性变形外，还表现为部分微裂隙摩擦滑动，开始不稳定扩展破裂，微裂隙的出现使得渗透率增大，随后随着应力作用的增强，煤岩非弹性体积增长，微裂隙大量出现并扩展，此阶段对应碎裂煤形成阶段，是渗透率增加速率最大阶段;CD段(宏观裂隙产生阶段):当扩容发生到一定程度时，煤岩便开始产生肉眼可以识别的宏观裂隙，此阶段对应碎裂煤，是渗透率极大值阶段;DE段(沿某破裂面破坏阶段):被贯通裂隙分割后煤岩沿贯通裂隙发生滑移，并有新裂隙面扩展贯通，此阶段对应碎裂煤晚期和碎粒煤早期，渗透率开始降低;EF段(流变破坏阶段):裂隙面不断扩展，形成流变破坏，对应糜棱煤阶段，渗透率急剧降低。

图4 渗透率的控制因素

图5 不同煤体结构煤岩渗透率变化特征

4 结论

将煤体结构变形分为五个阶段，包括裂隙闭合阶段、微裂隙产生阶段、宏观裂隙产生阶段、沿某破裂面破坏阶段和流变破坏阶段;原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤所受的应力依次增大，随着应力的增强，煤岩吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。渗流孔隙和微裂隙随着应力的增强在初碎裂煤阶段骤减，而后增加，在碎裂煤阶段最为发育，而到了糜棱煤阶段，煤岩发生塑性变形，其发育程度再次减小，碎裂煤对煤层气的产出最为有利。碎裂煤、原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤的兰氏压力依次升高，其煤岩吸附难易程度依次降低;煤岩大孔含量及微裂隙密度与渗透率有较好的正相关关系。

参 考 文 献

陈萍，唐修义 . 2001. 低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研究 ［J］ . 煤炭学报，26 ( 5) : 552 ～556

傅雪海，陆国祯，秦杰等 . 1999. 利用测井响应值进行煤层气含量拟合和煤体结构划分的研究 . 测井技术，23( 2) : 112 ～ 11

姜波，秦勇，宋党育等. 1998. 高煤级构造煤的 XRD 结构及其构造地质意义. 中国矿业大学学报，27 ( 2) : 115 ～118

琚宜文，王桂梁 . 2002a. 煤层流变及其与煤矿瓦斯突出的关系 . 地质论评，48 ( 1) : 96 ～105

杨陆武，孙茂远 . 2001. 中国煤层气藏的特殊性及其开发技术要求 . 天然气工业，21 ( 6) : 17 ～19

姚艳斌，刘大锰，黄文辉，汤达祯，唐书恒 . 2006. 两淮煤田煤储层孔 － 裂隙系统与煤层气产出性能研究 ［J］ .煤炭学报，31 ( 2) : 163 ～168

姚艳斌，刘大锰 . 2007b. 华北重点矿区煤储层吸附特征及其影响因素 . 中国矿业大学学报，( 3) : 308 ～314

张群，杨锡禄 . 1999. 平衡水分条件下煤对甲烷的等温吸附特性研究 . 煤炭学报，24 ( 6) : 566 ～570

XoДoT B B. 宋世钊，王佑安译 . 1996. 煤与瓦斯突出 ［M］ . 北京: 中国工业出版社，27 ～ 30

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