國家科技重大專項(2011ZX05034)、國家973煤層氣項目(2009CB219605)、國家自然科學基金重點項目(40730422)、青年科學基金項目(40802032)資助。
作者簡介:曾佳瑤(1987-)，女，貴州省大方縣人，就讀於中國礦業大學(徐州)資源與地球科學學院，碩士學位，研究方向為煤層氣勘探與開發。通訊地址:江蘇省徐州市中國礦業大學南湖校區研究院壹樓5單元302室。聯系電話:1895 2246792，電子郵箱:jiaoyang haha @ 126 . com。
(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州2210082。煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州221008)
摘要:煤儲層滲透率是制約煤層氣開發的重要因素之壹。在深入研究黔西-滇東煤儲層滲透率特征的基礎上，結合大量煤田地質勘探資料，闡述了研究區控制滲透率的主要地質因素。研究表明，整個研究區的滲透率由東向西逐漸降低，黔西紀娜煤田的滲透率遠遠高於其他地區。在影響滲透性的諸多因素中，區域構造應力、煤層裂隙發育、煤層埋深和煤層厚度對煤層滲透性起著重要的控制作用。
關鍵詞:煤層滲透性、構造應力、煤層深度和煤層厚度
黔西-滇東地區煤儲層滲透率特征及地質控制因素研究
曾家窯1，2吳彩芳1，2
(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州221008。江蘇徐州煤層氣資源與成藏過程重點實驗室221008)
摘要:煤層滲透率是制約煤層氣開發的關鍵因素之壹。通過對煤層滲透性特征的分析，並參考煤田地質勘探資料，闡明了影響黔西&滇東煤層滲透性的主要地質因素。研究結果表明，整個區域的滲透率從東到西呈下降趨勢，其中貴州西部知納煤礦的滲透率明顯高於其他區域。在所有影響滲透率的因素中，區域構造應力、煤層裂隙、煤層埋深和煤層厚度具有顯著的控制作用。
關鍵詞:煤層；滲透性；構造應力；煤層埋深；煤層厚度
介紹
貴州西部煤層氣資源豐富，主要賦存於六盤水煤田和知那煤田的向斜構造中，甲烷含量超過8m3/t的“富甲烷”區資源量占貴州省總資源量的90%以上。滇東煤層氣資源量為4500億m3，占雲南省煤層氣資源總量的90%。
煤儲層滲透率是衡量煤層氣可開采性的最重要指標之壹(Telly et al .，2000)。在煤層氣氣源已經確定的前提下，煤儲層的滲透率是制約煤層氣資源開發成敗的關鍵因素之壹。在脫水降壓過程中，隨著煤層氣的解吸、擴散和排放，有效應力效應、煤基質收縮效應和氣體滑脫效應使煤儲層滲透率發生動態變化。深入分析滲透率分布特征及其地質控制因素，對於優選煤層氣有利區帶和開發措施具有重要的理論和實踐意義。
1煤層滲透性特征
1.1煤層試井滲透率
據統計，貴州省19水平有9口煤層氣井的試井資料(表1)。知納煤田兩口煤層氣參數井位於比德向斜華樂勘探區。測試煤層深度小於600m，試井滲透率較高，範圍為0.1074 ~ 0.5002 MD，平均為0.2797mD，屬於中等滲透率煤層，具有商業開發的有利條件。六盤水煤田共有7口煤層氣探井，均分布在東南部的潘關向斜和青山向斜。煤層試井滲透率0.0004~0.4800mD，大部分低於0.02mD，平均為0.0741mD，遠低於知納煤田，屬超低滲透煤層。
表1黔西地區煤層氣井試井成果
繼續的
1.2煤層滲透率分布特征
根據表1的統計結果，基於埋深小於650m的試驗煤層，貴州西部(甚至雲南東部)上二疊統煤層滲透性的區域分布規律非常明顯，總體上呈自東向西遞減的趨勢。如知南煤田比德向斜煤層平均試井滲透率為0.2797mD，六盤水煤田潘關向斜金竹坪勘探區和青山向斜螞蟻洞勘探區煤層平均滲透率約為0.15mD，再往西到滇東的洪恩、老廠、宣威向斜或煤田平均滲透率僅為0.0904 MD，壹方面， 這種區域性分布規律壹方面是聚煤期後構造變化引起煤層不同程度破壞的結果，另壹方面與區域性現代構造應力場對煤層裂隙的擠壓和封閉程度有關。
由於煤儲層埋深與相應地層有效應力的相關性，埋深越深，有效應力越大，滲透率越低(傅等，2003；周偉元，1990)，在層位上，煤層滲透率似乎沒有明顯的分布趨勢(表1)。如華樂探區1602井、涼山探區QH1井、金竹坪探區Gm2井、螞蟻洞探區MY01井，滲透率隨煤層埋深的增加有降低的趨勢。然而，在馬依東勘探區的MY03井、涼山勘探區的QH3井和華樂勘探區的3603井，煤層水平降低，試井滲透率有增加的趨勢。
2影響煤層滲透性的地質因素
影響煤層滲透性的因素很多，如構造應力場、煤層埋深、煤儲層厚度、煤儲層壓力、煤體結構、煤質特征、煤階、天然裂隙等，都對煤層滲透性有不同程度的影響，可以是多種因素綜合作用的結果，也可以是某壹因素起主要作用的結果。
2.1構造應力場對煤層滲透性的影響
黔西-滇東地區跨基底斷裂控制不同方向的褶皺斷裂帶，組合成弧形、菱形、三角形等多種構造樣式，形成統壹的區域構造格架(圖1)。其中，知納煤田位於百興三角構造中，六盤水煤田主要由Faer菱形構造和盤縣三角構造組成，構造應力場極其復雜(圖1)。對於三角形結構，應力差值在三個頂角處最大，其次是邊緣，向三角形內部減小。構造變形在隅角頂部和邊緣較強，中間較弱，符合紀娜煤田煤體構造的區域分布規律。因此，推測六盤水煤田中南部可能存在兩個煤結構較為完整的中心帶，即Faer中部的菱形構造帶和南部盤縣的三角形構造帶。其中，Faer菱形構造區構造擡升較強烈，含煤地層保存條件較差，僅零星分布。因此，貴州西部煤層滲透性好的帶可能位於兩個帶:壹個是支那煤田中部，如水公河向斜、珠藏向斜、牛場向斜；二是六盤水煤田南部的盤官向斜中央帶，大致位於盤縣北部。
黔西-滇東地區煤層物性與地應力密切相關，特別是煤的結構、煤層滲透性和煤儲層壓力，地應力場受區域構造背景控制。這種控制作用體現在地應力梯度的水平上，是煤層滲透性區域分布差異的重要地質原因。
圖1貴州西部構造格局示意圖
Enever等人(1997)通過對澳大利亞煤層滲透率與有效應力的相關性研究發現，煤層滲透率的變化與地應力的變化呈指數關系(周偉元，1990):
K/K0=e3C△δ
式中:K/K0為特定應力條件下滲透率與初始滲透率的比值；c是煤的孔隙壓縮系數；△△是從初始到某壹應力狀態的有效應力。
根據黔西-滇東煤層氣井18井36級試井資料，地應力場中最小主應力(閉合壓力)梯度減小，煤層滲透率相應增大，二者呈負冪指數關系。此外，滲透率隨著地應力和煤層原生結構破壞程度的增加而降低。區內最小主應力梯度由東向西逐漸增大，至那煤田比德向斜17~21kPa/m，六盤水煤田青山向斜12~27kPa/m，六盤水煤田潘關向斜21~33kPa/m，滇東老廠礦區65438+。越靠近康滇古陸方向，最小主應力越高。
2.2煤層埋深對滲透性的影響
巖層的密度遠大於孔隙中流體的密度，導致垂直應力大幅度增加。傅等(2001)認為煤儲層滲透率隨埋深增加呈指數遞減趨勢。另壹方面，這也反映了地應力對煤儲層滲透率的影響，即隨著埋深的增加，上覆巖層的重力會增強對裂縫的壓縮，使有效應力增大，但不利於煤儲層裂縫的發育，從而降低滲透率。
雖然煤層滲透率與埋深的關系是離散的，但負冪指數的趨勢非常明顯。同時，在測試煤層埋深相近(500 ~ 700米)的情況下，滲透率也有自東向西降低的趨勢(圖2)。滲透率與煤層埋深負冪指數關系的轉折深度約為600m，對應的滲透率約為0.05mD，壹旦煤層滲透率低於0.05 MD，滲透率與埋深就沒有確定的關系，說明滲透率極低不僅與煤層埋深有關，還與其他因素有關，其他因素對煤層滲透率的影響也很大。地面煤層氣開發難度大，如滇東的盤關向斜和洪恩向斜。青山向斜則表現出相反的趨勢，但隨著埋深的增加，煤層透氣性呈增加趨勢，礦區煤層甲烷含量在平面上有壹定的分布規律，呈現“北高南低，東高西低，深高淺”的總趨勢(彭倫等，2010)。這是由於青山向斜區與外界水力聯系較弱，水力封堵導致煤層含氣量高，煤結構完整，滲透性好，具有良好的煤層氣開發潛力。
圖2黔西-滇東地區煤層滲透性與埋深的關系
2.3煤層滲透率與儲層壓力的關系
當煤層埋深增大時，垂直地應力導致儲層壓力增大，有效應力減小，煤體彈性膨脹導致裂縫寬度和滲透率減小。研究區煤儲層壓力與煤層滲透率呈負對數關系，這與儲層壓力受煤層埋深控制有必然聯系。例如，當儲層壓力在5-7 MPa之間時，煤層滲透率的分布相對離散，沒有特定的趨勢(圖3)。
圖3黔西-滇東煤層滲透性與煤儲層壓力的關系。
圖4黔西地區煤層滲透性與煤層厚度的關系
2.4煤層厚度對滲透性的影響
Telly等(2000)發現華北石炭-二疊系煤層以0.5mD的滲透率為界，煤層厚度與滲透率的分布規律呈現兩種相反的趨勢。當滲透率小於0.5mD時，煤層厚度增加，整體滲透率增加。當滲透率大於0.5mD時，滲透率隨煤厚的增加而降低。
就黔西地區滲透率大於0.03mD的煤層而言，隨著煤層的增厚，滲透率有降低的趨勢(圖4)，這與煤厚與裂隙發育密度呈負相關關系，泥炭堆積期各種地質因素的綜合作用起著重要的控制作用。而當滲透率小於0.03mD時，煤層厚度與滲透率呈正相關關系，這顯然不能用上述原理來解釋，說明其他因素起著更重要的控制作用，如煤級和煤巖成分控制下的煤結構、裂隙開合、裂隙發育密度等。
2.5其他因素對滲透率的影響
當滲透率相對較小時，煤層埋深、煤儲層壓力和煤層厚度與滲透率的關系不是簡單的線性關系，說明煤儲層的滲透率還受煤層的孔隙、裂隙結構和煤體結構等其他因素的控制。
研究區自東北向西南，孔隙度呈現先增大後減小再增大的雙峰特征。煤儲層孔隙度低，滲透率隨孔隙度的增加而增加。孔隙度受區域變質作用影響顯著，隨著最大鏡質體反射率的增大，孔隙度先增大後緩慢減小。潘官向斜煤儲層孔隙發育，有利於煤層氣的儲存和滲流。其次，知納煤田部分儲層發育良好，大部分煤儲層極其發育，非常有利於煤層氣的儲存，但孔隙連通性差不利於煤層氣的滲流和運移。格木向斜和滇東煤儲層孔隙發育相似，孔隙類型多，差異性大，非均質性強，儲集性能相對較好，但總體上不利於煤層氣滲流運移。
貴州省不同煤田的煤結構差異很大。總的來說，六盤水煤田的煤結構是破碎的，如潘關向斜的構造煤；支那煤田煤體結構較為完整，如水公河向斜大部分煤層原生結構完整。整體結構的差異是知那煤田煤層滲透性遠高於六盤水煤田的重要原因。
3結論
綜上所述，黔西-滇東煤層滲透性受構造應力、煤層埋深、煤儲層壓力、煤層厚度等多種因素影響，其中構造應力是影響煤層滲透性的最主要因素。
(1)煤層的滲透率隨著局部應力場中最小主應力梯度的減小而增大。
(2)黔西—滇東地區煤層滲透性隨煤層埋深的增加呈指數下降。受此影響，煤儲層壓力與煤層滲透率呈負對數關系。
(3)在構造應力對煤儲層滲透率的總體控制下，還有裂縫、儲層壓力、煤層厚度、水文地質條件等多種因素，在相似的構造應力條件下，其他因素起著更重要的作用。
參考
傅，泰莉，等2001。沁水盆地中南部煤儲層滲透率主控因素分析[J].煤田地質與勘探，29(3):16~19。
傅，泰莉，江波，等2003。沁水盆地中南部煤儲層滲透率的物理模擬和數值模擬[J].地質科學，38(2):221~229。
林雨城。2003.滇東煤層氣資源及富集規律[J].雲南煤炭. 1: 53 ~ 57
彭倫，甘等。青山礦區水文地質瓦斯控制特征研究[J].煤，19(6):1~3。
泰莉，葉建平，林大洋等2000。煤儲層厚度與其滲透率和含氣性關系的初步探討[J].煤田地質與勘探，28(1):24~27。
周偉元。1990.高級巖石力學[M]。北京:水利電力出版社，158~214。
R.E.Enever，A.Henning，澳大利亞煤的滲透率和有效應力之間的關系及其對煤層氣勘探和儲層建模的影響[C].1997國際煤層氣會議錄。阿拉巴馬州:阿拉巴馬大學塔斯卡爾科薩分校，1997.13~22