沁水盆地煤储层渗透率影响因素研究

的原生层理和结构被完全破坏，煤层中构造镜面很发育，煤成粉末状或鳞片状，手搓捻即成
煤粉；碎裂结构煤和碎粒结构煤，其特征介于上述二者之间。
表 1：煤体结构的分类（引自：苏现波等，2001）
类型号
类型
赋 存 状 态 和 光泽和层理 煤 体 的 破 碎 裂隙、揉皱发 手试强度
分层特征
程度
育程度
I
原生结构煤 层 状 、 似 层 煤 岩 类 型 界 呈 现 较 大 的 内、外生裂隙 捏 不 动 或 成
2.1 有效应力与渗透性的关系
煤层是对地应力十分敏感的天然储集层。地质作用在地层中产生原地应力。通常，原地 应力场被分解为垂直应力和水平应力。垂直应力（埋深）是由上覆岩层的重量引起的。煤层 割理系统的渗透率是有效应力的函数。所谓的有效应力及垂直应力与地层应力（又称孔隙流 体压力）之差，即：
σ σ= − β ⋅ ρ
煤相是煤的原始成因类型，它取决于泥炭形成的环境（stach，1982）。煤相主要反映在 煤岩组成方面的差别上，包括显微组分、矿物质含量、煤中的肉眼和显微镜下可见结构等。 煤相或泥炭的形成，主要取决于泥炭沼泽形成时的沉积环境、营养供给和成炭植物群落等条 件。泥炭的成分和性质对煤储层的储集性的影响最为突出。若泥岩发育在煤储层中，成为夹 矸， 夹矸对煤储层中大裂隙的发育有重要影响。若煤层中若干煤岩分层厚度远远大于夹矸 的厚度（夹矸厚度为几厘米至 10 cm），夹矸中往往也发育产状类似于煤储层中气胀节理的 裂隙，但其线密度明显低于煤中气胀节理，特别是 3～5cm 的泥岩夹矸更是如此。夹矸中节 理密度一般与岩性和厚度有关，在薄层泥岩中较为发育，在砂岩和粉砂一般不甚发育。若煤 层中的夹矸比例大于 10％，或单层厚度大于 15 cm，其内部气胀节理通常发育不佳，或不发 育。煤层中的夹矸对上下煤层分层间的裂隙系统造成十分明显的分隔，对煤储层的渗透率产 生不利影响 1.2.4 地下流体对割理的充填作用
煤储层中有三种主要流体充填煤的割理系统⑦，即：（1）煤化作用过程中产生的有机 流体：（2）岩浆热液所携带的气液挥发物；（3）含无机沉淀物的地下水。通常，含无机沉淀 物的地下水对煤层的割理系统的危害最为严重和广泛。
在煤化作用过程中仅产生少量的新生组分，如渗出沥青体。这些富氢的次生组分常充填 于割理中，少量充填在植物的细胞残留的孔隙中。
下 分 层 呈 整 条 带 结 构 继 体 间 已 有 相 裂隙切割，未 粉
合接触
续可见
对位移
见揉皱镜面
III
碎粒煤
透镜状、团块 光泽暗淡、原 煤被揉捻碎， 构 造 镜 面 发 易 捻 成 毫 米
状，与上下分 生 结 构 遭 到 主 要 粒 级 在 育
级碎粒或煤
层 呈 构 造 不 破坏
1 毫米以上
粉
中广泛存在并对渗透性具有重要作用的内生裂隙，一般以相互垂直或大致垂直的两组产出，
2
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形成较早的一组为面割理，形成较晚的一组为端割理。面割理一般延伸较长，壁距较大，连
通性较好；端割理则相反。由于面割理和端割理具有这种特性，煤储层中存在着显著的渗透
率各向异性。根据含煤盆地和地区不同煤级、不同煤岩类型煤的割理特征，可将割理的平面
整合接触
IV
糜棱煤
透镜状、团块 光泽暗淡、原 煤被揉捻碎， 构造、揉皱镜 极 易 捻 成 粉
状，与上下分 生 结 构 遭 到 主 要 粒 级 在 面发育
末或粉尘
层 呈 构 造 不 破坏
1 毫米以下
整合
在煤层气地质评价中，从流体(水和气)在煤层中渗流的角度，我们认为在原生结构煤和碎裂
结构煤中，由于原生的或后期区域性的不太强构造应力作用所形成的裂隙系统的存在，裂隙
KH=8.44 × 107W3/L
1——2
可见煤层的水平渗透率于割理的宽度的立方成正比，与割理间距成反比，说明割理密度
在提高储层渗透率方面起着重要作用，经过对沁水盆地内各地区的渗透率与割理的研究，发
现煤层中面割理密度越小的，宽度越大的地区渗透性越好(见下表)。
表 2：沁水盆地内各地区的割理发育特征
地区
含有无机沉淀物的地下水充填煤裂隙现象十分常见。割理面上的薄膜沉积有铁质和钙 质，厚度仅为几毫米，其附着力远大于全充填的方解石脉。可见含无机沉淀物的地下水对煤 层的割理系统的危害的严重性。
2 影响渗透率的外部因素
煤层气储集层的渗透率除了受到自身发育特征这一内部因素的控制外，开发煤层气过程 中外界条件的改变也对储集层的性质产生强烈影响。外部条件对渗透率的影响是通过煤储层 自身形变而实现的，这与煤软而脆、低杨氏模量的力学性质有关⑧。外部条件特别是应力条 件最易引起其变形。
是影响煤层渗透率的又一重要因素。据休伊特—帕森斯的研究⑤，其水平方向的渗透率与裂
隙各要素存在关系：
KH=KM+8.44 × 107W3cosα/L
式中：KH -裂缝基质的水平渗透率
1——1
KM-基质渗透率 W-裂隙宽度
L-裂隙间距离
α-裂隙与其水平投影间的夹角
对于煤而言，KM可以忽略不计，α=0,cosα=1,故上式可以简化为
状，与上下分 限清晰，原生 保 持 棱 角 状 均可辨认，未 厘米级块
层整合接触 条 带 状 结 构 的块体，块体 见揉皱界面
明显
间无相对位
移
II
碎裂煤
层状、似层状 煤 岩 类 型 界 呈 现 棱 角 状 煤 体 被 多 组 可捻成厘米、
透镜状，与上 限清晰，原生 的块体，但块 互 相 交 切 的 毫 米 级 或 煤
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沁水盆地煤储层渗透率影响因素研究综述
孙立东 赵永军
（中国石油大学地球资源与信息学院 山东 东营 257061） 摘要： 渗透率是评价煤储层渗透性的重要参数,本文通过对沁水盆地的研究，指出了煤储 层的渗透率的影响因素分为内、外两种因素。其中煤储层的渗透率取决于内因，煤体结构是 煤储层渗透性的结构基础，而割理的发育情况决定着渗透率的大小，同时割理的发育又受到 有机显微组分、矿物质、煤相、地下流体等因素的影响；在外部因素中应力为主控因素，应 力直接通过影响割理的发育情况，而间接的影响煤储层的渗透性， 但随着煤层气的开采煤 基质的收缩作用增大了煤层渗透性。 关键词：沁水盆地 煤储层 渗透率 影响因素
前言 ：沁水盆地夹于太行隆起
带和霍山隆起带之间。两隆起带皆
由走向北东呈雁行式排列的复背
斜和复向斜组成，并以复背斜为
主，复向斜相对不甚发育。盆地内
部次级褶皱发育，盆地南部以近南
北向为主，北部则以北北东向和北
东向为主；断层主要以北东向、北
北东向和北东东的高角度正断层
为主。同时沁水盆地煤系地层广泛
发育，长期抬升，主煤层埋深浅（小 于 1000 米）。可见沁水盆地内的构
30
0.77 矩形网状
晋城四井 48
wenku.baidu.com
37
0.22 矩形网状
48
37
0.07 矩形网状
46
34
0.13 矩形网状
46
34
1.76 矩形网状
同时，煤中割理的发育具极不均匀性，影响煤中割理发育的因素可分为外界因素和内
3
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在因素（煤层本身）。外界因素主要有作用在煤层的外力性质、大小及作用方式，其次还有 煤层顶底板岩性及其机械性能；内在因素有变质程度、煤岩成分等。根据对沁水盆地内煤层 割理的研究，本文从以下几点加以讨论： 1.2.1 有机显微组分的影响
组合形态划分为网状、孤立—网状和孤立状三种类型。在现今地应力、地层压力、煤体结构、
外生裂隙特征和填充程度等条件下，具网状割理的煤层渗透性好，具孤立—网状的渗透性中
等，具孤立状的渗透性差。就平行层面的煤层渗透性各向异性的程度而言，具网状割理的煤
层的各向异性不明显，具孤立—网状的各向异性中等，具孤立状的各向异性显著。割理宽度
c σ −3 ⋅ fe
0
式中： k ——给定应力条件下的渗透率
KB0B——原始渗透率
2——2
c ——煤的孔隙压缩系数 f
όBeB——有效应力
e ——为自然对数底，约为 2.71828。
所以在某一地区范围内，可以通过地应力状态，对煤层渗透率进行估计。 根据沁水盆地内有效应力与渗透率的关系曲线，本文引入“临界应力状态”对有效应 力对渗透率的影响规律加以说明。所谓的临界应力状态是指煤在发生形变且未发生大规模断 裂的范围内所能承受的最的载荷应力。据此我们对图 1 作如下的的解释：
保存着较好的开启性和连通性，因而是煤层具有比较好的渗透性能；碎粒结构煤和糜棱结构
煤，由于强烈的挤压和揉皱作用是煤中的裂隙被压缩、扭曲、变形以至不复存在，加之煤粉
和岩粉不同程度对裂隙的堵塞，从而使煤层的渗透性大大降低。
1.2 割 理
影响煤储层渗透性的内部因素主要表现为煤体本身的割理的发育情况④。割理是煤层
割理密度（条/米） 渗透率 平面组合型式 宽度/
面割理 端割理
成庄矿 27
24
0.02 矩形网状
28.7
望云矿 16
9
0.08 矩形网状
10.4
常村矿 6
3
0.36 不规则网状
6.2
五阳矿 12
4
0.19 矩形网状
4.3
沁新矿 155
73
0.13 矩形网状
李家村矿 87
44
0.43 矩形网状
5.1
大宁矿 8
关系” ③；他们都是煤的重要原生特征。煤层遭受的构造破坏愈强烈，煤就与破碎、煤的
原生结构和构造保留的也愈差，因而煤层结构，构造呈现出不同的变化。
依据煤的变形程度、煤层中原始结构保存程度，可以将煤层进行基本类型的划分为原
生结构煤、碎裂煤、碎粉煤和糜棱煤四类。原生结构煤，煤层基本上未遭受后期构造运动的
破坏，煤的原生层理和结构形态保存完整，清楚可见，有少量裂隙存在；糜棱结构煤，煤层
1.1 煤体结构
煤体结构是指煤层经过地质构造变动后煤的结构和构造的保留程度①。而煤的结构是 “指煤的组成成分的各种特征——包括形态、大小、厚度、植物组织残骸以及它们之间数量 关系的变化等”②，煤的构造是“组成成分之间的空间排列和分布特点以及它们之间的相互
1
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5
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e
v
2——1
σ σ 式中， 为有效应力（MPA）; 为垂直应力；ρ为地层压力（MPA）；β为毕奥常
e
v
数，无量纲（其值略小于 1，通常取为 1）。 Enever 等（1997）通过对澳大利亚煤层渗透率与有效应力的关系研究发现，煤层渗透
率随有效应力增大而减小，与有效应力成指数关系变化：
Κ e Κ =
⋅
由岩浆携带的挥发物热流体对煤割理系统的改造十分显著。在岩浆侵入热变质作用过程 中，岩浆携带的气液热流体经岩层裂隙可到达煤中。岩浆热流体的热导致煤中产生大量次生
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气孔并形成沥青质体，这种次生沥青质体多半充填在割理中。此外，伴随着岩浆挥发物和次 生挥发物的侵入，常常在接近岩体的煤层底板或煤层的割理中形成热液方解石脉。挥发物热 流体可以充填割理系统，同时其携带的大量热能可以促使煤中的割理得以充分发育。最明显 的事实是促使其次要裂隙组发育良好。
镜质组（尤其是均质镜质体）致密、均匀、块体大，有利于割理的顺利延伸和发展。 惰质组是多孔状的、纤维状的，纤维的纵向常顺层排列，孔隙使得应力释放，纤维状质体在 垂直纤维方向上裂开比较困难，惰质组有应力释放、减少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，所以壳质组对煤层割理发育影响不大。
从表中可见，惰质组含量高的煤层不利于割理的发育和连通，镜质组含量高的煤层，割 理发育，连通好。 1.2.2 矿物质的影响
矿物质比有机质硬度大，大多以不均匀的状态赋存于煤层中，含矿物质多的地方，煤的 光泽黯淡⑥。暗淡区的割理发育程度低于光亮区，从微观—宏观都常见到光亮煤割理宽、数 量多，而暗淡煤割理窄、数量少的现象，矿物质在一定条件下不利于割理的发育。 1.2.3 煤相对割理影响
图 1 沁水盆地的应力示意图
造条件较为复杂，盆地内煤储层渗
透率变化较大。对盆地内煤层渗透率的研究难度较大，本文主要从影响煤储层渗透率的内、
外因素进行探讨，希望能够给以后的煤层气开发工作以借鉴性作用。
1 影响渗透率的内在因素
影响煤储层渗透性的内部因素主要表现为煤体结构以及煤体本身的割理发育情况。因 为割理的发育对煤层渗透性起着决定性作用。割理的发育取决煤岩的力学性质，煤阶、煤体 结构等对割理的发育也有一定的影响。所以对煤储层渗透性的内部影响因素的研究，主要是 对割理的研究。