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本文作者：劉占勇1鄭柏平1丁述理2徐博會(huì)2作者單位：1中國(guó)煤炭地質(zhì)總局2河北工程大學(xué)

煤儲(chǔ)層滲透性

在4個(gè)試井對(duì)目標(biāo)煤儲(chǔ)層進(jìn)行了滲透率實(shí)驗(yàn)測(cè)試。從滲透率測(cè)試結(jié)果來(lái)看，2+3#煤層的滲透率較低（0.0067~0.268mD），平均不到0.1mD；10#煤層滲透率稍高（0.011~0249mD），平均為0.1118mD；試井獲得的滲透率分析結(jié)果與前人實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)論基本一致，即本區(qū)煤層的滲透率偏低（表1）。前人對(duì)本勘探區(qū)外圍臺(tái)頭礦2+3#煤層和張節(jié)塔礦10#煤層中的暗煤分層進(jìn)行了滲透率測(cè)試，其中2+3#煤層的滲透率為0.011mD，10#煤層的滲透率為0.02mD，二者均低于0.1mD[6]。說(shuō)明本區(qū)域煤層的滲透率普遍較低?？紤]本區(qū)主煤層以光亮煤、半亮煤為主且割理相對(duì)發(fā)育的事實(shí)，認(rèn)為煤層的實(shí)際滲透率應(yīng)高于上述測(cè)試值。

影響煤儲(chǔ)層滲透性的因素

1裂隙、孔隙

在煤儲(chǔ)層的孔隙、裂隙二重介質(zhì)擴(kuò)散滲流模型中，基質(zhì)孔隙是煤層氣擴(kuò)散吸附的場(chǎng)所，而裂隙是由割理組成的網(wǎng)絡(luò)，起到連通孔隙的作用，是煤層氣滲流的通道[7]。煤儲(chǔ)層的裂隙系統(tǒng)是其滲透性優(yōu)劣的決定性要素，裂隙包括內(nèi)生裂隙(割理)和外生裂隙(節(jié)理)和繼承性裂隙。內(nèi)生裂隙是煤化作用過(guò)程中凝膠干縮作用的結(jié)果，外生裂隙由古構(gòu)造應(yīng)力引起，繼承性裂隙屬二者的過(guò)渡型。內(nèi)生裂隙，即割理包括面割理和端割理，二者相互垂直或近垂直將煤層分割成煤粒基質(zhì)塊體，對(duì)煤層滲透率貢獻(xiàn)大，是煤儲(chǔ)層滲透性的決定性因素。外生裂隙(節(jié)理)對(duì)儲(chǔ)層滲透性起改善作用。因此煤儲(chǔ)層的滲透率決定于裂隙系統(tǒng)的發(fā)育和連通程度，特別是割理系統(tǒng)的發(fā)育和連通程度，煤儲(chǔ)層滲透率與裂隙系統(tǒng)的發(fā)育和連通程度呈正相關(guān)性，一般認(rèn)為，煤樣滲透率隨裂隙面密度的增加而呈指數(shù)形式增大[7,8]。白額勘探區(qū)主要煤儲(chǔ)層裂隙較發(fā)育，其中內(nèi)生裂隙普遍較外生裂隙發(fā)育，偶見(jiàn)方解石充填現(xiàn)象。面割理走向NNE，與區(qū)域地層走向近乎平行，割理多為平直狀，裂隙面平整，連續(xù)性好。端割理走向NWW，與區(qū)域地層走向近乎垂直，與面割理相比，端割理裂隙面平整性較差，常為不平坦?fàn)罨螂A梯狀，被面割理切割，連續(xù)性較差。面割理切割端割理，組成內(nèi)裂隙系統(tǒng)，是煤儲(chǔ)層滲透性的主要貢獻(xiàn)者，是煤層氣運(yùn)移的良好通道。通過(guò)對(duì)4-6、1-8、3-2、25-9鉆孔煤心觀察研究發(fā)現(xiàn)，西部、南部裂隙密度較東部北部大，但面割理多閉合，北部、東部面割理開(kāi)啟性較好。以10#煤為例，4-6孔煤層的煤心以塊狀-柱狀為主，碎塊狀次之，外生裂隙2~3條/5cm，內(nèi)生裂隙5~15條/5cm；1-8孔煤層煤心以碎塊狀-短柱狀為主，內(nèi)生裂隙1~6條/5cm，外生裂隙1~3條/5cm；3-2孔煤層煤心以碎塊狀-短柱狀為主，粉末狀次之，內(nèi)生裂隙4~6條/5cm，外生裂隙2~3條/5cm；25-9孔煤層煤心以碎塊狀-短柱狀為主，內(nèi)生裂隙1~4條/5cm，外生裂隙1~3條/5cm。從裂隙發(fā)育程度來(lái)看，10#煤層裂隙發(fā)育程度較2+3#煤層高（表2），其滲透性也較2+3#煤層好。本區(qū)煤層的總孔容為36.0~67.5mm3/g，10#煤層的總孔容高于2+3#煤層。10#煤層和2+3#煤層的孔徑分布特征相似，均以大孔（Φ>1000nm）為主（孔容：16~34mm3/g），過(guò)渡孔(Φ10~100nm)次之（孔容:14~20mm3/g），微孔(Φ≤10nm)及中孔(Φ100~1000nm)所占的比例最低(孔容分別為：4~6mm3/g和1~6mm3/g)，屬過(guò)渡型孔隙類型。由于過(guò)渡孔所占比例較大及含有一定數(shù)量的微孔，故氣體在煤基質(zhì)塊體中的運(yùn)移較為困難，這一點(diǎn)也由其排驅(qū)壓力反映出來(lái)。從上述物性特征分析可以看出，煤儲(chǔ)層孔隙中大孔占有較大比例，但孔比表面積則集中在過(guò)渡孔和微孔徑段，在理論上有利于煤層氣的吸附和儲(chǔ)集，因而主煤儲(chǔ)層具有較好的儲(chǔ)集潛勢(shì)。由于煤層滲透率較低，可能致使煤層氣難于運(yùn)移，這將給煤層氣的開(kāi)發(fā)造成一定困難。

2煤巖特征

宏觀煤巖類型和有機(jī)顯微組分是影響煤儲(chǔ)層滲透率的一個(gè)重要因素。從宏觀煤巖類型看，研究區(qū)2+3#和10#煤層的宏觀煤巖類型以半亮型煤為主，煤巖成分以亮煤為主，含少量鏡煤、暗煤及絲炭少見(jiàn)，鏡煤一般呈條帶狀分布。從顯微組分看，2#煤鏡質(zhì)組為78.8％，惰質(zhì)組為21.1％；3#煤鏡質(zhì)組為82.1％，惰質(zhì)組為18.0％；10#煤層鏡質(zhì)組為82.8％，惰質(zhì)組為17.2％。2#、3#煤層鏡質(zhì)組均以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，惰質(zhì)組中的半絲質(zhì)體多于絲質(zhì)體含量，呈過(guò)渡型。10#煤層鏡質(zhì)組成分主要以均質(zhì)鏡質(zhì)體為主，基質(zhì)鏡質(zhì)體次之。從煤層顯微組分組成和煤巖類型上講，一般認(rèn)為鏡質(zhì)組含量越高，割理越發(fā)育，滲透性越好；鏡煤和亮煤含量越高，割理越發(fā)育，滲透性越好，光亮型煤的滲透性最好，其次是半亮型煤、半暗型煤和暗淡型煤[7]。2+3#、10#煤層均為半亮型煤，鏡質(zhì)組含量均較高，但10#煤層鏡質(zhì)組以均質(zhì)鏡質(zhì)體為主，而2+3#、10#煤層以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主。有機(jī)顯微組分的差異，可能是導(dǎo)致10#煤層滲透性較2#、3#煤層滲透性高的主要因素。

3煤變質(zhì)程度

煤的巖石力學(xué)性質(zhì)在不同的煤熱演化階段表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，煤儲(chǔ)層孔隙、裂隙發(fā)育也表現(xiàn)特有的規(guī)律性，從而影響煤儲(chǔ)層滲透性。畢建軍認(rèn)為煤級(jí)是割理密度的主要影響因素，割理密度一般在Rmax為1.3%左右時(shí)最大[8]。張勝利、寧正偉等認(rèn)為中變質(zhì)程度的亮煤、半亮煤中割理發(fā)育程度最好，儲(chǔ)層滲透性條件好，有利于勘探開(kāi)發(fā)[9，10]。通常隨煤化作用的進(jìn)行，從褐煤到煙煤，割理密度逐漸增大，而過(guò)煙煤階段之后割理閉合，割理密度減少。研究區(qū)各主煤層Rmax在2%左右，煤變質(zhì)程度相當(dāng)于貧瘦煤階段，從測(cè)試數(shù)據(jù)看，割理密度最大值出現(xiàn)在Rmax=2.149%時(shí)(圖2)。由于本區(qū)煤層變質(zhì)程度變化幅度小，故煤層外生裂隙密度變化也不大，在1～3條/5cm。

4埋藏深度和有效應(yīng)力

煤層是應(yīng)力敏感性地層，割理對(duì)有效應(yīng)力非常敏感，有效應(yīng)力越大，割理寬度越小，從而對(duì)滲透性產(chǎn)生負(fù)面影響。傅雪海、張延慶等通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，隨著有效應(yīng)力的增加，滲透率呈指數(shù)降低，原地應(yīng)力作用在煤層中，可以分解為垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力。埋藏深度的增加使垂直應(yīng)力增加較快，從而使?jié)B透率降低[7-12]。從測(cè)試結(jié)果（表1）看，2+3#、10#煤層滲透率都與有效應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)性(圖3)。有效應(yīng)力對(duì)滲透率起控制作用，同一煤層有效應(yīng)力越大，滲透率越小。

結(jié)束語(yǔ)

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)煤儲(chǔ)層滲透率不同程度地受到孔隙-裂隙發(fā)育程度、煤巖類型、變質(zhì)程度、埋藏深度和有效應(yīng)力的影響，煤儲(chǔ)層孔隙以大孔為主，過(guò)渡孔次之，微孔及中孔所占的比例最低，這種過(guò)渡孔隙類型往往導(dǎo)致氣體在煤基質(zhì)塊體中的運(yùn)移較為困難，煤儲(chǔ)層滲透率總體較低，10#煤層滲透率較2#、3#煤層高，這可能是10#煤層的鏡質(zhì)組含量較高，且以均質(zhì)鏡質(zhì)體為主，從而導(dǎo)致其裂隙（割理）較2#、3#煤層發(fā)育所致。