煤层气扩散与渗流特性

第四章煤层气扩散与渗流特性

煤层是多孔介质，煤层气穿过煤层孔隙介质的流动机制可以描述为三个过程，即：由于压力降低使气体从煤基质孔隙的内表面上发生解吸；穿过基质和微孔扩散到裂隙中，扩散作用是由于在基质与裂隙间存在的浓度差引起的；在压力差作用下以达西流的方式在裂隙中渗流。这三种作用是一个互为前提并且连续进行的统一过程，不能割裂开来单独进行。

第一节主要内容：

一、煤层气扩散特征：

气体穿过煤基质和微孔的扩散流动时由于体积扩散（分子与分子间的相互作用）、克努森扩散（分子与孔壁间的相互作用）和表面扩散（吸附的类液体状甲烷薄膜沿微孔隙壁的转移）共同作用的结果。当孔隙直径大于气体分子的平均自由运动路程时，以体积扩散为主；当孔隙相对于气体分子的平均自由运动路程较小时，以克努森扩散为主。各种类型的扩散流动都是气体随机运动的结果。

二、煤层扩散性影响因素

从气体的流动特征来考察煤层扩散性的影响因素。煤是一种双孔隙介质，气体在裂隙（割理）系统中为达西流，在煤基质块中为扩散流。

扩散系数是物质的一种传递性质，其值受温度、压力、混合物中组分浓度的影响，同一组分在不同的混合物中其扩散系数也不一样。扩散系数的值越大，扩散性越好。

扩散系数和形状因子的测定是相当困难的，从实用的角度，一般可用吸附时间来近似的表示扩散作用进行的快慢。吸附时间是一个特征时间。其确切的物理意义为：总吸附气量（包括残留气）的63.2%被解吸出来所需的时间。吸附时间是表征气体从煤基质中解吸出来快慢的定量指标，可作为表征气体从储层中扩散出来快慢的近似指标。

第二节主要内容：

一、煤层气渗流特征：

一般认为，在中孔（直径大于100nm）以上的孔隙和裂隙中，气体的流动为渗流，并且可能存在两种方式，即层流和紊流。

二、煤层渗透性影响因素

煤层是一种典型的双重孔隙介质，包括基质孔隙和割理两个系统。由于基质孔隙平均直径通常很小，渗透率很低，为10-9~10-12m2，可视为零；而割理的渗透率一般在0.1×10-3~50×10-3m2之间。因此煤层的渗透性主要取决于割理系统的渗透性。所以，研究煤层渗透性影响因素，实质上就是分析割理、裂隙的发育程度（包括数量和规模）、连通性及开启程度。

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。在煤田地质界对煤的结构和构造的定义为：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，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关系；它们都是煤的

重要原生特征。

根据煤层所受构造破坏程度的不同，按从小到大的顺序，煤体结构可依次划分为原生结构、破碎结构、碎粒结构和糜棱结构四种类型。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留完整，有少量裂隙存在；糜棱结构煤，煤层的原生层理和结构形态被完全破坏，煤层中构造镜面很发育，煤呈粉末状或鳞片状，用手搓捻即成煤粉；破碎结构煤和碎粒结构煤的特征介于上述二者之间。

煤体结构对煤层的渗透性有直接影响，通过对煤体结构的分析研究，可以从宏观上定性地预测煤储层的渗透性。

地质构造对煤体结构的影响可归纳为以下几点：

①褶皱构造的影响作用大于断裂构造的影响作用

②断层规模及性质的影响

③挠折构造对煤体结构的局部影响

④层滑构造的影响

⑤煤质特征不同，煤体结构也不相同

2、割理系统的发育程度

按成因，一般可将割理划分为内生割理和外生割理两类。内生割理的形成主要是由煤化作用过程中挥发分、水分逸散产生的收缩内应力所决定，它在煤层中的分布十分普遍且有相对的均一性；外生割理是由区域构造应力和局部应力形成的，分布也具有普遍性，虽然其数量与内生割理相比要少得多，但外生割理的延伸长度、切穿的地层厚度通常都很大，因此它对煤储层渗透性具有重要影响。

割理发育程度主要是指割理的密度（或间距）、长度、高度、裂口宽度等，它们的值愈大，煤层的渗透性愈好。割理系统的发育程度受煤变质程度、煤岩成分、煤质、构造应力等因素的控制。

煤中天然裂隙（割理）系统的孔隙度很低。通过测量真比重和视比重计算得出的煤样孔隙度值，是煤的总孔隙度，包括煤基质孔隙度和裂隙（割理）孔隙度（亦称为缝隙度）两部分。割理孔隙对煤贮气能力的贡献很小，但对煤的渗透能力的贡献很大，是煤中流体渗滤的主要通道。

3、原地应力

煤层是对地应力十分敏感的天然气储集层。地质作用力在地层（包括煤层）中产生地应力。通常，地应力场被分解为垂直应力和水平应力。垂直应力是由上覆岩层的重量引起的。

第三节主要内容：

一、煤储层压力：

煤储层压力是指煤层孔隙中的流体（包括气体和水）压力。煤储层压力对煤层气含量、气体赋存状态起着重要作用。当降低煤储层压力，煤孔隙中吸附的气体开始解吸，向裂隙中扩散，在压力差作用下从裂隙向井筒流动。煤层气开采就是根据这一原理，通过排水降低储层压力而采气的。

储层开发前，一般处于平衡状态，此时储层中部流体所承受的压力称为原始储层压力。原始储层压力是指储层中部压力。原始储层压力通常在储层生产早期由试井确定。一般用压力梯度来评价储层压力变化的大小。所谓压力梯度，是指单位深度增加所引起的储层压力的增大，即kPa/m。

二、煤层瓦斯压力

煤层瓦斯压力是指在煤矿开采条件下，在井下测得的煤层孔隙中游离瓦斯的气体压力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量的主要因素之一，当煤的吸附能力一定时，瓦斯压力越高，煤层的瓦斯含量也越高；另外，在煤与瓦斯突出的发生、发展过程中，瓦斯压力也起着重要作用。

三、煤储层压力影响因素

煤储层压力（包括煤层瓦斯压力）与成煤时代、煤变质程度没有直接原因，而煤层埋藏深度、区域水文地质条件、地应力等对煤储层压力具有重要影响。在煤层赋存条件和地质造条件相近时，同一深度各煤层具有大致相同的瓦斯压力。从单一钻孔中不同埋深不同煤层试井所获得的储层压力数据发现，随着煤储层埋深增加，煤储层压力增大。

第四节主要内容：

一、中国煤储层渗透率测值的分布情况

为了正确分析并检验控制煤储层高渗透区的地质因素，必须客观确定对煤层渗透性进行评判的标准。从测试数据来看，我国煤层渗透率值变化于

0.002×10-3m2~450×10-3m2，变化范围很大，两极值相差5个数量级。

二、控制煤层高渗透区的地质因素

控制割理、裂隙的发育程度（包括数量和规模）、连通性及其开启程度的地质因素就是控制煤层高渗透区的地质因素。控制煤层高渗透区的地质因素包括煤的变质程度及变质作用、地质构造、煤层埋藏深度、现代地应力场等四个方面。

1、煤的变质程度及变质作用

从割理发育程度来看，中等变质程度的煤（肥煤、焦煤、瘦煤），割理的数量多、延伸长，割理最为发育。因此，中等变质程度煤的分布区域是煤层高渗透区。低变质程度的煤（长焰煤、气煤）、特别是未变质的褐煤，虽然割理不发育，但由于煤层所遭受的压实作用比较轻微，环境温度较低，因而煤中的碎屑粒间空隙、植物胞腔空隙、气孔等原始结构得以大量保存，致使褐煤、长焰煤、气煤具有很好的渗透性。高变质程度的煤（贫煤、无烟煤3号、无烟煤2号），一般情况下割理不发育，煤层渗透性差。

2、地质构造

地质构造对煤层渗透性的影响是多方面的，有下列几种情况：

①煤储层原始渗透率显著受控于不同构造样式

②煤储层构造主曲率以中等为好

③如果天然裂隙优势发育方向和现代构造应力场最大主应力方向基本一致，从而形成了高渗透率的重要地质基础。

④不同构造环境对煤的渗透率起着重要控制作用。

3、煤层埋藏深度

煤层的渗透率对应力状态十分敏感。随着煤层埋藏深度加深，由于上覆地层重量增大而使有效应力相应变大，煤层渗透性降低。

4、现代地应力场

现代地壳运动和地应力场形成各种活动构造，并影响着已有各种裂隙（割理）的“开启”及“闭合”程度，因而对煤层的渗透性具有突出的影响作用。拉张应力使裂隙张开，提高煤层的渗透性；而挤压压力则使裂隙闭合，降低煤层的渗透性。