煤层气储层裂隙系统影响困素分析及其渗透性预测1 煤层气储层裂隙系统影响因素分析及其渗透性预测薄冬梅赵永军 中国石油大学( 华东) 地球资源与信息学院东营z s r o s l l摘要从有机显微组分及煤岩类型、变质程度、有效应力、煤层水、基质收缩、构造应力场七个方面探讨了煤层气储层裂隙系统发育的控制机理，并系统阐述了裂隙系统对煤储层渗透率的控制作用及预测方法。指出裂隙系统的发育程度是影响煤储层渗透率的直接因素，裂隙系统的发育受多种因素的影响，结合研究区地质情况，综合考虑多种因素，可以提高煤储层渗透率预测的准确性。关键词煤储层；裂燎系统；渗透率；控制因素 预测方法T h eR e s e a r c ho fF a c t o r sA f f e c t i n gF r a c t u r eS y s t e mD e v e l o p m e n ta n dt h eP r e d i c t i o no fP e r m e a b i l i t yi nt h eR e s e r v i o ro fC o a l b e dG a sB a oD o n g m e iZ h a oY o n g j u n C o l l e g eo fG e o r e s o u r c e sa n dI n f o r m a t i o n C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m ，D o n g y i n g2 5 7 0 6 1 A b s t r a c tT h i sp a p e re x p l o r e st h ee f f e c t si n c l u d i n gm a e e r a lc o n s t i t u e n t 1 i t h o t y p e ，m e t a m o r p h i cg r a d e ，e f f e c t i v es t r e s s ，c o a l b e dw a t e r ，c o a lm a t r i xs h r i n k a g ea n dt e c t o n i c s t r e s sf i e l d sr e s p e c t i v e l yu p o nc o a l b e df r a c t u r es y s t e md e v e l o p m e n t ，a n dd i s c u s s e st h ec o n t r o l l i n gf a c t o r so ff r a c t u r es y s t e mo np e r m e a b i l i t yI tp o i n t so u tt h a tt h ec o a l b e df r a c t u r es y s t e mi n f l u e n t sp e r m e a b i l i t yd i r e c t l ya n dv a r i e sw i t hm a n yf a c t o r s ，a n dt h ea c c u r a c yo fp r e d i c t i o nc a l lb ei m p r o v e db yc o n s i d e r a t i o no ft h ed i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s K e yw o r d sc o a lb e d ；f r a c t u r es y s t e m ；p e r m e a b i l i t y ；c o n t r o l l i n gf a c t o r ；| p r e d i c t i o nm e t h o d0 引言煤层是煤层气的源岩，也是煤层气富集的场所，其渗透率是制约煤层气可开采性的重要参数。煤层气在煤层中的渗流路径是裂隙系统。由于国外煤储层条件相对简单，一般煤储层的裂隙就被称为割理。而我国煤盆地具有复杂的构造演化史和热演化史，构造样式复杂，裂隙一般分为内生裂隙( 割理) 和外生裂隙。割理是煤化作用过程中，由干缩作用、岩化作用、煤化作用及 基金项目 国末重点基础研究规划项目( 9 7 3 项目) 中国煤层气成藏机制厦经济开发基础研究( 2 0 0 2 C B l l 7 0 2 ) 。 第一作者简介 薄冬梅，女，1 9 7 4 生，中国石油大学( 华东) 博士研究生，主要从事盆地分析与油气资源评价研究。地学与资源研究新进展古应力场等因素综合作用的结果。外生裂隙是成煤期后新的构造应力作用造成的。煤岩具有很强的塑性，割理孔隙度稍有降低就会造成渗透率的显著下降。因此裂隙系统的发育程度是控制煤储层渗透率的直接因素，探讨裂隙系统发育机理及控制因素对进一步研究煤储层渗透性具有重要意义。1 研究现状对于煤层气地质的研究，国外起步较早，美国的煤层气工业起步于2 0 世纪7 0 年代，到2 0世纪8 0 年代实现了大规模的商业开发。我国是煤炭资源大国，但煤层气勘探起步较晚，只有1 0 余年的发展历史，其开发始终未能形成工业性规模。我国煤层气勘探开发主要经历了三个阶段：一是矿井瓦斯抽放发展阶段( 1 9 5 2 1 9 8 9 ) ；二是现代煤层气技术引进阶段( 1 9 8 9 1 9 9 5 ) ；三是煤层气产业逐渐形成发展阶段( 1 9 9 6 一现在) 1 。我国在引进美国开发煤层气经验的初始阶段并未能认真比较中国和美国煤层气地质条件差异，因此收效并不明显。如美国煤层气开发最成功的是圣胡安盆地，渗透率较高，为5 1 0 _ 3 1 5 1 0 1P m 2 ，富产煤层气的煤级是气、肥、焦煤，即中级煤。我国发现的最具煤层气开发潜力的华北晚古生代煤，其渗透率大都较低，0 0 1 X 1 0 _ 3 1 0 X 1 0 。p m 2 的占到7 2 “，富产煤层气的煤级集中在几个高级煤一无烟煤和贫煤地区o ；而山西潘庄山西组煤层因受多期构造活动影响，煤层次生裂隙发育且未被充填，渗透率可达到0 1 2 3 X 1 0 。”m 2 口 。因此，影响煤储屡渗透性的主控因素因研究区地质条件的不同而存在差异。我国学者分别从煤层水、构造煤结构、煤储层厚度、有效应力、基质收缩、灰分、构造应力场、煤相等不同的方面探讨了对煤储层渗透性的影响，取得了一系列规律性的认识。但煤储层渗透性的控制机理和主控因素的获取及其综合定量预测等方面还未得到深入研究。应针对我国煤储层的具体情况对煤层气的勘探与开发基础理论展开深人研究，特别是加强煤层气储层的评价和开采工艺等方面的研究，从而推动煤层气勘探开发工业的发展。2 储层裂隙发育的主要影响因素2 1 有机显微组分和煤岩类型煤岩的显微组分由镜质组、壳质组和惰质组等大组分组成。镜质组是由支撑植物体的根、茎、叶组织中的木质索、纤维素和丹宁素等经腐化作用演变而来的，是大多数煤层中占绝对优势的显微组分。关德师( 1 9 9 5 ) 研究发现镜质组以小孔和微孔为主，张胜利( 1 9 9 5 ) 研究发现富镜质组的镜煤亮煤中割理较发育，由此镜质组的含量对煤储层割理发育起着至关重要的作用。惰质组起源于植物体中根、茎、叶的木质素，是暗淡煤中是常见的显微组分，因其煤化作用过程中较稳定，内生裂隙不甚发育。壳质组也称稳定组，主要包括植物成因的孢子、角质、木栓、树脂、蜡、脂肪和油等，是煤中孔隙最不发育的显微组分，含量很少，对孔隙度的影响很小。，在一般情况下，镜质组含量越高，内生裂隙越发育。光亮煤和半亮煤中割理最发育。在地质条件基本相似的煤层中，研究有机显微组分相对含量及煤岩类型，对寻找相对高渗区具有指导作用。煤层气储层裂隙系统影响因索分析及其渗透性预测3 2 2 煤变质程度I I A m m o s o v ( 1 9 6 0 ) 研究了割理密度与煤级之间的关系，发现从褐煤到无烟煤阶段，割理密度呈正态分布。即低变质和高变质的煤割理欠发育，中变质程度的煤割理比较发育。而L a w等( 1 9 9 3 ) 在对阿伯拉契亚盆地群和落基山盆地群的研究中发现，从褐煤( o 2 5 R 。 2 6 ) ，割理间距与镜质体反射率的倒数呈指数函数关系 4 ：f ，c = “e ，( 1 )式中：C 为割理间距；旬、c ：为拟合系数；R 。为镜质体反射率。从式( 1 ) 中可以看出割理密度随煤阶的增大迅速增大，然后基本不变。L a w 对此解释为由构造形变背景的差异所致。我国煤储层剖理发育一般呈正态分布，毕建军( 2 0 0 1 ) 解释在高级煤阶段割理不发育的原因是次生显微组分的充填和胶合作用。硬度和脆度同属抵抗外来机械作用存在的性质。对于同一套煤层来讲，随着地层埋深的增加，温度的升高，煤储层从低变质煤向中变质煤演化，脆度逐渐增强，容易生成裂缝；随着煤层进一步被埋深，中变质煤逐渐向高变质煤演化，硬度逐渐增大，不容易形成裂缝。随着上覆地层的压实作用、充填与胶合作用，割理会发生闭合。因此，从煤的机械性质可以定性地解释上述规律。2 3 有效应力与基质收缩在沉积岩层中，流体压力的降低会伴随着有效应力的增大，当流体压力大于临界饱和压力时，有效应力将主要控制割理的发育。前人曾研究了割理孔隙度与地层孔隙流体压力变化的关系，公式如下o ：= 丸 e p 一，。 “，( 2 )式中：为割理孔隙度；如为初始割理孔隙度；户为地层孔隙流体压力；A 为初始孔隙流体压力衙为孔隙压缩系数 ”为常数，一般取3 。由此可得：庐一九e _ 3 如，( 3 )式中：A a = p 。一p ，为有效应力。即随着有效应力的增加，割理孔隙度呈指数形式降低。当流体压力低于临界饱和压力时，吸附于煤基质中的煤层气发生解吸，因而基质会收缩。在这一过程中+ 割理孔隙将会有增大的趋势。这一点在国内外学者的实验研究中得到了证实o “1 。如何做好在这一动态过程中渗透率的预测，对于开采过程中调整开采速度，预防“瓶颈问题”具有重要的意义。2 4 煤层水煤岩的储层压力一般表现为煤层水的压力。一般情况下可认为水是不可压缩的，即密度不随压力而变化，水的不可压缩性决定了储层压力越高，对孔隙的支撑作用越好，越有利于原始裂隙系统的保存“。此外，煤层水中的矿物由于地质条件的变化发生沉淀会影响煤储层裂隙的连通性，降低煤储层的渗透率。4 地学与资源研究新进展2 5 构造应力场成煤演化过程中，古构造应力控制了割理样式 9 ，成煤期后构造活动是煤层构造裂隙形成的主要因素。成煤期后构造应力对煤储层的裂隙系统的发育及连通既有建设性也有破坏性。首先，构造活动的强弱是一个重要因素。适度的断裂和褶皱可以增加煤层的割理密度，同时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面，形成应力集中，演生为构造裂隙；强烈的断裂活动会严重破坏煤层的原始结构，使煤层粉煤化，阻塞连通通道。其次，构造应力场的方向也是影响煤储层的一个因素。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；当构造应为场最大主应力方向与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o “。3 裂隙特征对煤储层渗透性的预测一般煤储层渗透性较好的地区，就是煤层气的高产区。而煤层的渗透性受控于煤储层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。前人主要通过翎理特征参数对煤储层渗透性进行评价o “。割理密度反应的是割理的发育程度，割理壁距反应的是割理的张开程度，充填程度反应煤储层割理的连通程度，密度越大，壁距越大，充填程度越差，割理就越发育，连通性越好，渗透性越好 煤储层的渗透率的大小存在方向性，一般平行于面割理的方向的渗透率最大。剖理间距指相邻两条端割理或面割理之间的距离，反应的是割理密度的大小，割理间距越大，割理密度越小，渗透性越差。割理的平面组合形态一般分为网状、孤立一网状和孤立状三种( 见图1 ) 。网状组合类型端割理与面割理连通性好，割理密度较均匀；孤立一网状组合类型端割理与面割理之间的连通性不是很好，分布不均匀；孤立状组合类型只发育面割理，割理间的连通性受到限制。因此在其他条件相近时，网状割理的煤层渗透性好，孤立一网状的渗透性中等，孤立状的渗透性差。组合形态特征说明图类型任何两条相邻网的面割理之间的任何一条端割理状均与这两条面割理相交仅部分面割理哪眇之间存在与之相孤交的端割理立两大部分端割理状仅一端与面割理相交孤q少立仅发育面割理状囤l 割理组合形态分类方案( 据樊明珠，1 9 9 5 )J R L e v i r l e ( 1 9 9 6 ) 研究了有效渗透率与剖理特征参数的定量关系，发现有效渗透率与割理壁距三次方及割理问距的倒数成正比。傅雪海( 2 0 0 3 ) 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“。即：K d = c l e 。z 5 f ，( 4 )式中：K 。沩裂隙面密度模拟渗透率，1 0 。, u m 2 ；为裂隙面密度，条m 2 、屯为拟合系数。按霍永忠( 1 9 9 8 ) 对显微裂隙的分类标准。笔者在对来自江西丰城矿区、轧、水盆地阳泉矿煤层气储层裂隙系统影响因素分析及其渗透性预测5 区、汾西矿区、潞安矿区和晋城矿区的部分煤样( 见表1 ) 进行逐步回归分析时，发现存在如下线性关系：K 一一0 0 8 33 3 6 + 0 0 7 02 3 9 x 1 + 1 0 1 7 27 5 9 x 2 ，( 5 )式中：置为渗透率，1 0 。”m 2 ；z 。为构造裂隙密度，条m m 2 ；x 。为裂隙开放率，。式( 5 ) 的复相关系数为0 8 3 2 。内生裂隙、继承性裂隙、层面裂隙三个变量被剔除。再分别对构造裂隙密度、裂隙开放率作回归分析，发现渗透率与构造裂隙密度、裂隙开放率的相关系数分别为0 7 2 7 、0 7 2 88 。表l 煤样显微裂隙统计表( 据霍永忠，1 9 9 8 )显微裂隙( 条m m q )样号R “裂晾开放率渗透率l o3 t m 2内生裂豫继承性裂隙层面裂障构造裂隙F 1 616 512 203 30 6 80 9 50 9 70 1 2 43F 1 815 9O 5 30 7 00 0 60 4 7O 8 4O 1 2 5oJ f 43 5 3005 800 4 71 0 000 8 68L w 91 9 0O Z 204 30 ，1 00 6 50 9 80 1 5 90L w y 21 7 80 1 l0 2 00 2 00 5 60 6 60 0 5 40S 1 822 10 0 50 0 60 0 30150 7 90 0 6 78S w 22 9 80 0 70 4 800 31 1 11 0 00 1 8 40由此，构造裂隙和裂隙开放率与渗透率都存在较高的相关性，而在拟合渗透率的预测模型时综合考虑各关键参数可以提高预测的精度。在实际工作中，渗透性的预测逐渐由定性向定量、由单一因素向多因素综合研究发展。结合对影响裂隙发育因素的分析，综合考虑各影响因素，运用神经网络、模糊数学、灰色理论、数理统计学等现已比较成熟的方法，可实现煤储层主控因素、渗透率定量评价参数的自动获取，大大提高渗透率预测的精度。4 结论与认识( 1 ) 煤储层的镜质组含量越高，割理越发育；低变质和高变质的煤割理欠发育，中变质程度的煤割理比较发育；随着煤储层有效应力增大割理张开性会受到限制；在排采过程中，煤层气解吸，基质收缩，煤储层的裂隙系统会有所改善，提高渗透性；煤层水对煤储层裂隙系统的支撑作用，有利于裂隙的保存，同时煤层水矿物沉淀会造成割理充填，降低渗透率；构造应力场是生成构造裂隙的主要因素，它的强度与方向控制着煤储层裂隙系统的发育。( 2 ) 在实际煤储层中，裂隙的发育受多种因素的影响，通过考察研究区的实际地质情况，综台考虑各种因素的影响，结合成熟的分析方法可以更为准确地预测研究区的渗透性。参考文献1 宋岩张新民。柳少波中国煤层气基础研究和勘探开发技术新进展天然气工业，2 0 0 5 ，2 5 ( 1 ) ：1 72 扬起，汤达桢华北煤变质作用对煤含气量和渗透率的影响地球科学中国地质大学学报2 0 0 0 ，2 5( 3 ) ：2 7 9 2 7 83 孙粉锦赵庆渡，邓攀影响中国无烟煤区煤层气勘探的主要因素石油勘探与开发，1 9 9 8 ，2 5 ( 1 ) ：3 2 3 44L a wBE 煤级割理间距的关系及其在煤渗透性预测中的意义见：秦勇主编+ 煤层甲烷储层评价及生产6 地学与资源研究新进展技术徐州：中国矿业大学出版社，1 9 9 6 9 7 1 0 15 岳晓燕，谭世君，吴衷平煤层气数值模拟的地质模型与数学模型天然气工业，1 9 9 8 t 1 8 ( 4 ) ：2 8 9 16 傅雪海，李大华，秦勇，等煤基质收缩对渗透率影响的实验研究中国矿业大学学报2 0 0 2 ，3 1 ( 2 ) ：1 2 9 1 3 77H a r p a l a n iS 。C h e nG G a ss | i p p a g ea n dm a t r i xs h r i n k a g ee f f e c t so nc o a p e r m e a b i l i t y I n ；P r o c e e d i n g so fC o a l b e dM e t h a n eS y m p o s i u m T u s c a l o o s a ：T h eU n i v e r s i t yo fA l a b a m a 1 9 9 3 2 8 5 2 9 48 周志成王念喜，段春生煤层水在煤层气勘探开发中的作用天然气工业1 9 9 9 ，1 9 ( 4 ) ：2 3 2 59 张泓，王绳祖，郑玉拄，等古构造应力场与低渗煤储层的相对高渗区预测煤炭学报，2 0 0 4 2 9 ( 6 ) ：7 0 8 7 1 11 0 秦勇，张德民，傅雪海，等沁求盆地中一南部现代构造应力场与煤储层物性关系之探讨地质论评，1 9 9 9 ，4 5 ( 6 ) ：5 7 6 5 8 31 1 樊明珠，王树华煤层气勘探开发中的割理研究煤田地成与勘探，1 9 9 7 。2 5 ( 1 ) ：2 9 3 21 2 傅雪海。秦勇，姜渡，等山西沁水盆地中一南部煤储层渗透率物理模拟与数值模拟地质科学t 2 0 0 3 ，8 8( 2 ) ：2 2 1 2 2 9煤层气储层裂隙系统影响因素分析及其渗透性预测煤层气储层裂隙系统影响因素分析及其渗透性预测作者：薄冬梅， 赵永军作者单位：中国石油大学(华东)地球资源与信息学院,东营,257061 本文链接：http:/d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6194087.aspx