Question

孔渗发育特征及主控因素

Answer 1

2.3.1.1 孔隙度发育及主控因素

以华北地区重点煤层气区为例，根据氦气法实测孔隙度结果，煤的孔隙度一般都在2％～10％之间，平均为4％。从统计的矿区来看，矿区间差别不大，孔隙度最高的是河东煤田和大同煤田，最低的是两淮煤田（图2.11）。

研究发现，煤的孔隙度与煤的变质程度具有一定的相关性，如河东煤田石炭系—二叠系煤的孔隙范围最宽，为3％～15％，反映了该区从褐煤到无烟煤的孔隙度分布区间；渭北煤田位于鄂尔多斯盆地南缘，煤级主要是瘦煤以上，煤的孔隙度大都在6％以下；淮南煤田和淮北煤田的气煤—焦煤的孔隙度较低，都在4％以下；沁水盆地的阳泉和晋城矿区为无烟煤样品，其孔隙度都在6％以下；大同煤田样品以气煤和肥煤为主，其孔隙度在2％～8％之间。

图2.11 华北地区主要矿区煤的孔隙度实测值分布

图2.12 煤的孔隙度与镜质组反射率的关系

华北地区晚古生代煤的孔隙发育主要与煤的变质程度有关。如图2.12所示，随着煤的镜质组随机反射率（R_o）的增高，煤的氦测孔隙度呈高—低—高的变化规律。在R_o<0.6％的长焰煤的开始阶段，煤的结构疏松，煤中发育的孔隙主要为原生大孔隙，且含有大量羟基和羧基官能团，煤的孔隙度较大；在由低煤级到中煤级过渡（R_o介于0.6％～1.2％之间）时，即处于第一和第二次煤化作用跃变之间时，随煤级增高，煤中的原生大孔隙急剧减少，热变气孔逐渐增多，在这个过程中相对于微孔的增加，大孔的减少占绝对优势，因此煤的孔隙度随煤镜质组反射率的增大而降低；当Ro介于1.2％～2.3％之间时，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，煤的芳环逐渐增大，排列逐渐有序。大孔含量减少趋势变缓，而煤的微孔隙的增加逐渐占据优势。这一阶段煤的孔隙度随微孔和小孔含量的增高又呈增高的趋势，并在R_o约为2.3％时达到极大值，当R_o>2.3％之后，煤的孔隙度又呈缓慢降低的趋势（图2.12）。

煤的孔隙度与煤中矿物含量及煤中的灰分含量均呈现一定的负相关关系。由于煤级对煤的孔隙度高低具有建设性的影响，所以在考虑灰分含量的影响时将样品按照R_o的大小分成三组进行分析。如图2.13所示，对于三组煤样来说，灰分含量高的样品的孔隙度均较低，基本上两者呈一个线性的负相关关系。灰分含量高于20％的样品的孔隙度一般都在5％以下。煤的灰分是煤中矿物质的衍生物，它虽然不是煤中的固有组分，但它的多少在一定程度上反映了煤中矿物含量的高低。对煤中矿物含量与煤的反射率关系的研究发现，两者也呈负相关的关系。同时在R_o<1.2％的低中变质煤阶段，煤的反射率随煤中灰分或矿物含量的增高而降低的规律非常明显。由此可见，对于华北地区的煤来说，矿物充填作用可能对煤的孔隙发育产生了重要的影响，一些矿物通过矿化作用充填了部分孔隙，使煤的孔隙度降低。

华北地区煤的孔隙度的大小变化范围较大，总体上主要受煤变质程度的高低所控制，同时煤中矿物充填作用，在一定程度上降低煤的孔隙度。

图2.13 煤的孔隙度与煤中灰分含量的关系

2.3.1.2 渗透率发育及主控因素

根据实测的煤岩样品的气体渗透率结果，华北地区晚古生代煤的渗透率普遍较低，一般都在5×10^-3μm²以下，而大部分都在1×10^-3μm²以下（图2.14）。个别高渗透率的样品出现在河东煤田和大同煤田，这些样品的煤级一般较低。研究区内样品渗透率的非均质性非常高，即使在同一个矿区，样品的渗透率差异都可能达到1～2个数量级。

统计结果发现，华北地区煤的渗透率主要与孔隙度有关，两者呈现显著的幂指数正相关关系（图2.15）。一般孔隙度高的样品，渗透率也较高，在所有的样品中，孔隙度小于4.5％的煤岩渗透率值都在0.01×10^-3μm²以下，为特低渗煤储层。也就是说，煤的孔隙度的大小综合反映了煤的渗透率的大小。

以我国商业化开发的沁南地区为例，按照单井产量2000m³/d的标准，产量所对应的煤储层渗透率一般都大于0.5×10^-3μm²。根据孔隙度和渗透率的关系，如图2.15所示，若按照大于0.5×10^-3μm²的渗透率标准，则其对应的煤的孔隙度应在6％以上。对照图2.12发现，如果按照孔隙度与煤级的关系，那么对于大部分中高煤级来说煤的孔隙度都在6％以下，因此其渗透率都应在0.5×10^-3μm²以下。显然，这种结论很难解释我国沁南地区（高级煤）一些井的渗透率都在0.5×10^-3μm²以上的这种现象。原因，是煤的孔隙度由两部分组成：一部分为煤中的孔隙空间部分，一般具有相对较差的连通性和方向性；而另一部分为煤的裂隙所占的自由空间体积，具有较好的连通性和方向性。虽然煤的裂隙所占的孔隙空间有限，但它却是煤层气渗流的主要通道。特别是对煤储层来说，裂隙是煤层气渗透的最主要的贡献者。

图2.14 华北地区主要矿区煤的煤岩实测渗透率

为了进一步探究煤样的渗透率与孔隙发育的关系，笔者对各样品的液氮比表面积数据进行了分析。如图2.16所示，煤的渗透率似乎与样品的比表面积呈现一定的正相关关系。特别是对于R_o<1.2％的样品来说，比表面积高的样品的渗透率也较高。对于R_o值介于1.2％～2.3％之间的样品来说，这种规律不明显。而对于R_o>2.3％的样品来说，似乎比表面积高的样品的渗透率反而低，但规律不太明显。造成这种现象的原因主要与煤中的孔隙结构随着煤变质程度增高的演化过程有关。根据笔者的实测结果，煤的比表面积随着煤变质程度的增高呈现了急剧降低和缓慢升高两个过程，而中间的转折端是R_o值为1.2％的第二个煤化作用跃变点附近。在R_o值约为1.2％时，煤样的比表面积值最小，均在1m²/g以下，这与Gürdal和Yal?1n（2001）的研究结果一致。根据这个结果，对于R_o<1.2％的煤样来说，各煤样之间的比表面积差异较大。这是各个样品间渗透率相差较大的原因之一。根据液氮测试分析原理，这种方法主要探测了煤中的微小孔部分的信息。由此可见，对于低、中煤级煤来说，煤的渗透性不仅取决于煤中的大孔和裂隙，还取决于煤中的微小孔部分的发育程度；高煤级煤的渗透性对煤的微小孔部分的依赖较小，主要取决于大孔或裂隙的发育程度。

图2.15 煤的孔隙度与渗透率的拟合关系

图2.16 煤的渗透率与孔比表面的关系

为了进一步探究煤的渗透性与微裂隙发育的关系，笔者对各样品的微裂隙密度进行了分析。根据统计结果，除淮北张集矿的ZJ13-1号样品的微裂隙密度为266条/9cm²之外，其他样品的微裂隙密度都在110条/9cm²以内。据笔者以往的研究结果，凡是微裂隙密度大于200条/9cm²之上的煤的结构均在一定程度上反映了构造煤的特征，即这些样品极易破碎，完全不具备煤的原生结构。这种高微裂隙密度的样品由于极易破碎，造成渗透率制样困难，因此渗透率统计中这样的样品较少。ZJ13-1号样虽然微裂隙密度较高，但由于其连通性、方向性和微裂隙宽度都非常差，因此，渗透率仅有0.0013×10-3μm²，孔隙度仅为1％。像ZJ13-1号样这种具有极高微裂隙密度却具有极低渗透率的样品，在国内其他煤矿区都很普遍，这种煤低渗的原因也已在前文进行了详细说明。

图2.17统计了除ZJ13-1号样之外的所有样品的微裂隙密度与渗透率的关系。对于三个煤级的煤来说，煤的渗透率与微裂隙密度均呈现较好的正相关关系。特别是对于中-高变质程度的煤来说，煤的渗透率随煤的微裂隙密度增加而变高的规律非常明显。一般微裂隙密度小于30条/9cm²的煤样的渗透率都在0.1×10^-3μm²以下；而微裂隙密度大于65条/9cm²的煤样的渗透率都在0.5×10^-3μm²以上。由此可见，相对于孔隙，煤的微裂隙在煤的孔隙空间中所占的比例虽较小，但它具有孔隙无法比拟的连通性和方向性，对渗透率贡献较大。特别是对于高煤级煤，由于其孔隙一般较低且以对渗透率贡献较小的微孔为主，因此高煤级煤的渗透率主要取决于煤的裂隙的发育程度。

图2.17 煤的渗透率与微裂隙密度的关系

华北地区煤的渗透性具有低渗透率和高非均质性的特点。渗透性的高低主要与煤的裂隙发育程度有关，其次与孔隙发育程度有关。低煤级煤的渗透率主要受煤的裂隙和各级孔隙的影响；高煤级煤的渗透率主要受裂隙的影响，孔隙的影响相对较小，而且在很大程度上是受孔隙结构的影响。