Question

煤储层特征

Answer 1

1.煤储层孔隙特征及发育机制

煤储层是由孔隙、裂隙组成的双重结构孔隙系统（Kulander et al.，1993；Laubach et al.，1998）。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。

煤基质的孔径分类，有两种划分方案：第一种是Ходот（1966）的分类方案，该方案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相互作用的特征按孔径大小将煤孔隙分成大孔（＞1000nm）、中孔（100～1000nm）、小孔（10～100nm）、微孔（＜10nm）；第二种方案是国际理论应用化学联合会1972年提出的分类方案，按孔径大小将煤孔隙分成大孔（＞50nm）、中孔（2～50nm）、微孔（0.8～2nm）和亚微孔（＜0.8nm）。目前煤炭研究部门多采用第一种分类方案，而煤层气研究为了侧重纳米孔隙多采用第二种分类方案。

煤的孔径分布与煤的变质程度密切相关，褐煤（R_o≤0.5%）的孔径大小分布较为均匀，其中9×10³～9×10⁴nm的大孔和2～10nm的中孔明显占多数，具有较高的孔隙度，分布范围为5%～25%。高变质煤，如瘦煤、无烟煤（R_o＞2.5%），微孔占大多数，中孔、大孔仅占10%左右，孔隙度较低，一般小于10%，多小于6%。高煤阶煤岩中次生孔隙发育，能够形成中孔和微孔，使得高阶煤的孔隙度增加（图 11-4）。Bustin 等（1998）所进行的CO₂等温吸附实验显示，随煤级增高，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11-5）。

图11-4 阜新盆地低煤阶煤（左）与沁水盆地高煤阶煤（右）扫描电镜下孔隙结构对比

2.煤储层裂隙系统与渗透率

煤储层裂隙的分类主要考虑裂隙大小（姚艳斌等，2007）、裂隙成因、裂隙的形态等。目前采用得较多的是综合形态和成因的分类方案（苏现波，1998），即将裂隙划分为内生裂隙（割理）、外生裂隙和继承性裂隙3类。

内生裂隙发育与煤岩组分和煤化程度密切相关，一般只发育在镜煤和亮煤分层中，不切穿上下分层。一般认为，内生裂隙是煤中凝胶化物质在煤化作用过程中受温度、压力的影响，内部结构变化，体积收缩，引起内张力而形成的，部分受到构造应力作用的影响。中变质阶段煤的内生裂隙最发育，低变质烟煤和高变质无烟煤阶段逐渐减少。内生裂隙可以分为两组大致相互垂直的主内生裂隙（面割理）和次内生裂隙（端割理）。

外生裂隙是指煤层在较强的构造应力下产生的裂隙，按成因可分为剪性外生裂隙、张性外生裂隙和劈理。继承性裂隙兼有内生裂隙和外生裂隙的双重性质，属过渡类型。

图11-5 不同R_o煤储层孔隙度

（据Rodrigues et al.，2002）

煤裂隙的发育程度及地应力双重作用控制了渗透率的大小。含煤盆地煤储层的渗透率变化较大，一般随深度增加而呈指数递减（图11-6，图11-7）。近地表煤储层渗透率可达1000×10^-3μm²，600～1000m渗透率降到0.1×10^-3μm²左右，再往深部递减速度减小。不同盆地、同一盆地不同区块渗透率变化趋势不同（Law，1993）。美国圣胡安盆地1A区块、1B区块＋1C区块、2区块、3区块煤储层渗透率分别为（15～60）×10^-3μm²、（10～35）×10^-3μm²、（5～25）×10^-3μm²、＜5×10^-3μm²，渗透率呈减小的趋势；美国粉河盆地主力煤层 Fort Union 组渗透率较大，分布在（35～1000）×10^-3μm²之间（Ayers，2002）。中国沁水盆地高变质煤渗透率，相对于其他盆地偏低，分布范围为（0.01～5.75）×10^-3μm²；鄂尔多斯盆地东缘煤储层渗透率分布范围为（0.02～85）×10^-3μm²。

图11-6 煤储层渗透率随深度的变化

图11-7 实验室模拟不同围压条件下煤储层渗透率变化