煤层气储层渗透率影响因素研究

张龙

摘要：面对国家能源结构调整和社会对环境保护的需求，国家相关部门对煤层气提出了更大的指导规划和更积极的财政补贴政策，使得我国煤层气勘探开发又进入一次新的发展时期。

关键词：煤层气；渗透性；影响因素

引言

目前，中国多数煤层气单井产量不高，衰减快，除了渗透率低这个客观因素外，一个很重要的原因就是对煤储层渗透率变化特征认识不全面，国内有关此类报道较少，因此加强煤层气储层的渗透性及其开发过程中动态变化特征的研究势在必行。笔者在总结前人研究的基础上，系统全面分析了煤层气储层的渗透性的相关影响因素及其变化规律。

1煤层气解吸过程

目前煤层气开采和实验研究普遍采用基于气相吸附理论的吸附—解吸模型，认为煤层中的水不利于甲烷的吸附，但实际情况是注水煤样中的液态水的存在反而增加了甲烷吸附量，符合液相吸附理论的特征，而且煤层气液相吸附的模式符合煤层气实际生产规律，可以将煤层气的解吸分为以下几个阶段：地层水脱气阶段、液相解吸阶段、气相解吸阶段和复合解吸阶段。根据液相吸附理论，煤基质（颗粒）和CH4分子是非极性分子，H2O分子是极性分子，因为二者极性不同，H2O分子将进一步推动CH4分子向煤基质方向移动，而煤基质（颗粒）与CH4分子的极性相近趋于相互吸附，使得CH4分子以高于气相吸附程度的形式更加密集地排列到煤基质（颗粒）表面，如图1所示。

根据煤层气的吸附理论，在开展排水采气作业时，由于地层水在甲烷未饱和阶段，所以煤层气井只产水不产气；当水量排至甲烷浓度和溶解度相同时，再降低压力时煤层的吸附甲烷才开始解吸，并且地层水开始脱气；水中的甲烷浓度降低，液相解吸也逐渐开始；随着地层压力的进一步降低，气相解吸出的甲烷不断进入煤层的孔隙和裂缝，产气量进一步增大；当压力降低到一定程度时，由液相解吸出来的一部分气体会出现气相吸附的现象，被称为复合解吸阶段，当液相解吸出来的甲烷无法被气相吸附时，气相解吸就会进一步释放大量的甲烷，使得煤层气的产量进一步增大，如图2所示。当然，并不是所有煤层气井的生产过程都是严格地按此流程进行，具体也要根据煤层气储层的压力、地质、生产流程等多种因素来进行分析。

2煤岩组分类型

2.1镜质组

J．C．Close认为割理常产生于镜质组分层中，终结于镜质组分层及煤与非煤岩石的交界处。镜质组（尤其是均质镜质体）致密、均匀、块体大，有利于割理顺利延伸和发展；惰质组是多孔状的、纤维状的，有释放应力、减弱割理和阻挡割理的作用，对割理发育不利；壳质组的机械强度大于镜质组和惰质组，其形变过程类似于镜质组，多数煤层含壳质组很少，故壳质组对煤层割理发育影响不大。

2.2惰质组

宏观煤岩成分主要是指用肉眼可以分辨出来的煤的基本组成部分，包括镜煤、亮煤、暗煤和丝炭4种。根据镜煤和亮煤在煤层中的含量而反映出来的总体相对光泽强度，煤岩可由强到弱划分为光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤4种类型。一般在富含镜煤和亮煤的光亮煤中镜质组含量较高，在暗煤和丝炭含量高的暗淡煤中惰质组含量高。

2.3壳质组

Macrea等通过对英国约克郡地区煤层中割理间距的研究指出：暗淡型条带状煤中的割理间距宽于光亮型条带状煤。张胜利等研究表明，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。

3储层渗透率影响因素

3.1地应力

煤层气储层与常规油气藏区别较大，其不仅是一个复杂地质条件下的三维地质体，而且是自生自储的甲烷主要吸附在煤基质孔隙表面的非常规油气层。由于煤基质的孔隙多是纳米级孔隙，所以在研究地应力对渗透率的影响时主要指的是裂隙。裂隙既是煤层气的贮存空间，又是煤层气产出和运移的主要通道。因此，对煤储层渗流规律的分析不仅需要研究煤层在地应力作用下裂隙的发育机理，而且要对岩体破坏的方式和因素进行研究，特别是对岩体中各组成单元力学性能及岩体结构的差异性导致的残余压应力和残余拉应力进行研究。

3.2煤质演化程度

国内外学者已经达成一个共识，即煤岩演化程度对于煤层渗透率具有一定的影响，在中煤级演化阶段煤层生烃量最大，收缩内应力最大，割理密度最大，渗透率最高。而对于不同热演化程度的煤岩储层，力学参数之间表现出较大的差异性。在同一应力条件下，具有弹性模量、泊松比和体积模量等参数较好的中煤级储层，存在发育较好的裂隙，并且渗透率值较高；具有弹性模量、泊松比和体积模量等参数较差的低、高煤级储层，其情况则相反。所以地应力决定储层裂隙的闭合或开启程度进而影响渗透性，煤岩热演化程度在此基础上对渗透率进行调节。同时煤质演化程度决定着煤层气储层孔隙系统、储集性能和表面粗糙程度。

3.3煤基质收缩

室内实验结果表明，煤基质在吸附气体或解吸气体过程中存在自身体积的膨胀或收缩。特别是在解吸气体时，随着解吸气量不断增大，煤基质开始收缩，侧向上由于受到围压限制，导致纵向渗透率出现大幅度减小，但应变不会发生在煤层整体的水平方向上，只是沿裂隙发生局部侧方向上，基质的收缩会引起裂缝宽度一定程度的增加，导致水平渗透率相应增大。由于煤储层在演化程度、有机质含量等基本性质的不同，收缩率的表现大相径庭。大量的研究成果都只考虑了应力敏感或基质收缩这一因素对煤层气储层渗透率的影响，忽略了基质孔隙的影响。

3.4克林伯格效应

针对煤层气储层的克林伯格效应研究还是受到常规砂岩气藏的影响，有的学者认为渗透率越小，滑脱因子越大，克林伯格效应就越显著，渗透率就越大。有的学者认为克林伯格效应仅在低压下显著，渗透率的变化是克林伯格效应和应力共同作用的结果，也是流体和煤体多孔介质的天然属性及其相互作用所导致的，由于应力变化可使煤层渗透率发生两个数量级的变化，而克林伯格效应的影响相对甚小，可以忽略不计。有的学者认为煤层气在渗流过程中，可以忽略压力梯度对甲烷黏度的影响，煤储层孔—裂隙中气体渗流时的边界层是吸附态的甲烷分子，滑脱效应在边界层之外，渗透率与压力梯度表现出来的关系是煤基质收缩效应和滑脱效应的共同作用所导致的，但是克林伯格效应对渗透率的影响地位与基质收缩效应（或吸附作用影响）根本无法相提并论，且随着压力梯度的增大，克林伯格效应的影响会变得极小。

结语

1）煤层气复合解吸模式的研究有利于解释煤层气生产特征，其中气相解吸压力点和液相解吸压力点的不同，对于认识煤层气的渗流特征带来进一步的认识。甲烷主要吸附在煤基质孔隙的表面，孔隙的表面积对煤层气的影响显著，随着排水采气作业的不断进行，大量的地层水排出孔隙，会形成大量与裂隙相连的孔隙，以往煤层渗透率的参数只考虑割理与实际情况不符。2）煤层的演化不仅对煤层气储层的孔隙结构造成影响，同时对孔隙表面的粗糙度也具有一定的影响，因此建议在设计煤层气储层渗透率实验和建立数学物理模型时，将煤层气储层的成熟度作为一个重要的研究指标或模型参数引入到相关研究中。

参考文献：

［1］朱苏阳，李传亮，杜志敏，等．煤层气的复合解吸模式研究［J］．中国矿业大学学报，2016，45（2）：319－327．

［2］陈刚，秦勇，杨青，等．不同煤阶煤储层应力敏感性差异及其对煤层气产出的影响［J］．煤炭学报，2014，39（3）：504－509．

［3］汪伟英，汪亚蓉，邹来方，等．煤层气储层渗透率特征研究［J］．石油天然气学报，2009，31（6）：127－128．