煤的多尺度孔隙结构特征及其对渗透率的影响
围压下构造煤的孔隙度和渗透率特征实验研究
围压下构造煤的孔隙度和渗透率特征实验研究*郭德勇 韩德馨 (中国矿业大学北京研究生部 100083)冯志亮 (郑州煤田职工地质学院 450053) 摘要 利用岩石孔隙度和渗透率测量系统,对不同煤质及不同类型构造煤的孔隙度和渗透率进行测试,结果表明,随围压增加构造煤的孔隙度和渗透率降低;不同煤质和不同类型构造煤有不同的变化规律。
并进一步探讨了煤的结构、气体压力、气体成分等因素的作用机理。
关键词 构造煤 孔隙度 渗透率 模拟试验中国图书资料分类法分类号 TD712.2作者简介 郭德勇 男 31岁 博士后 安全技术及环境工程1 引言煤层中的瓦斯含量反映了煤层突出的潜能,构造煤发生煤与瓦斯突出的重要原因之一在于它具有高孔隙度。
在一定条件下瓦斯含量与煤层孔隙度成正比,煤层中瓦斯的流动性与煤层的渗透率成正比,准确地反映构造煤中的孔隙度和渗透率特征对研究构造煤突出危险性有重要意义。
有关这方面的研究结果[1,2],主要是反映原生结构煤中孔隙度和渗透率的变化规律,或利用成型煤样来研究煤层中孔隙度和渗透率的变化,而破坏程度不同的构造煤中孔隙度和渗透率变化规律是有差别的[3]。
本文选择不同矿区及不同类型(粒度)破碎煤进行了模拟试验研究。
2 实验过程2.1 实验方法及样品实验在岩石孔隙度和渗透率仪上完成(图1),实验样品有岩样、原生结构煤样、构造煤样3类。
构造煤分粗、细粒2种,细粒样是由粒度<1m m的碎煤组成;粗粒样由1/3体积粒径在1～2mm的粗砾和2/3体积细粒样均匀搅拌制成。
构造煤样有平顶山矿区的烟煤和安阳矿区的无烟煤(表1)。
岩样和原生结构煤样制成直径为25mm、高度为50m m的圆柱状。
构造煤以顶压(6M Pa)后的相同体积装入*国家教委博士点基金资助项目,编号9229008密封套中,在每次给定围压测量后保证10min的气体排入时间,使煤样中气体尽可能的排空。
2.2 测定原理测定高压构造煤孔隙度时,先在构造煤杯中测定构造煤的颗粒体积V S,然后在高压下测定构造煤的孔隙体积V P,构造煤围压下的孔隙度计算公式为:H=V PV P+V S。
煤层渗透性与煤体(ppt)
1.5.1实验室测定煤样透气性系数
在一定的压差中，测定通过煤样的瓦斯流量。依据煤样 的几何尺寸、两端压差的大小和流量，根据Darcy定律计算 其透气性系数： 2Q pnL
F ( pk pr )
2 2
B
图1.2 不加压时的实验装置
在实验过程及煤样透气性系数计算方法与未加围压时的煤 样透气性系数的测定方法相同，煤样透气性系数的计算公式也 采用公式，但可以通过调节高压泵的压力来模拟地应力对煤样 的作用。
由全应力-应变曲线 可以看出，其应变-渗透 率曲线与应力-应变曲线 变化趋势一致，但表现 出相对“滞后”的特点， 表明渗透率的变化与其 损伤演化过程密切相关。 同时，煤体通过其内部 裂隙的渗透需要一定的 时间过程。 说明煤体结构是煤 储层渗透率的间接反映。
图3.1 两块不同煤岩样品全应力应变 过程渗透率变化曲线
1.5 煤层透气性系数的测定方法
煤层透气性系数λ测定及计算方法，可以分为历史资料匹配法、实验 室测定方法和现场实际测定方法三类。 实验室测定煤样透气性系数的方法主要有两种，即加压时的煤样透气 性系数测定方法和不加压时的煤样透气性系数测定方法。 目前，在煤层透气性系数的现场测定方法中，国外主要有前苏联学者 提出的马可尼压力法、克氏压力法和克里切夫斯基法。国内由周世宁院士 针对煤层透气性系数测定中存在的不足，根据煤层瓦斯流动理论，提出了 测定煤层透气性系数的钻孔流量法包括单向流量法、径向流量法和球向流 量法。 历史资料匹配法是一种统计模拟法，该方法的原理是:根据区域内己有 煤层气气井的历史产气资料和气藏储备参数，采用储层模拟器对已有的气 井产量井下模拟匹配，从而计算出煤层透气性系数。
破坏煤
碎斑煤
软 煤 糜棱煤或 碎粉煤
碎粒煤
第六章 煤储层的渗透性特征
第六章 煤储层的渗透性特征煤储层渗透率是进行煤层气渗流分析的主要参数，在煤层气资源已查明的前提条件下，煤储层渗透率又是制约煤层气资源开发成败的关键因素之一。
国外理论和实践表明，煤储层在排水降压过程中，随着水和甲烷的解吸、扩散和排出，有效应力效应、煤基质收缩效应，气体滑脱效应使煤储层渗透率呈现动态变化。
第一节 渗透性的基本概念渗透性即多孔介质允许流体通过的能力。
表征渗透性的量为渗透率。
与渗透率有关的概 念有绝对渗透率、有效（相）渗透率和相对渗透率等。
一、绝对渗透率若孔隙中只存在一相流体，且流体与介质不发生任何物理化学作用，则多孔介质允许流体通过的能力称为绝对渗透率。
多孔介质的绝对渗透率与所通过的流体无关，只与介质的孔隙结构有关。
煤对甲烷、水等流体存在较强的吸附性。
因此，甲烷、水等流体通过煤储层时，测得的渗透率不能称之为绝对渗透率，只有不与煤发生任何物理化学作用的流体才能测得绝对渗透率，如氦气等惰性气体。
但气体通过煤储层时，会引起Klinkenberg 效应（气体滑脱效应）即在多孔介质中，由于气体分子平均自由程与流体通道在一个数量级上，气体分子就与与流动路径上的壁面相互作用（碰撞），从而造成气体分子沿通道壁表面滑移。
这种由气体分子和固体间相互作用产生的滑移现象，增加了气体的流速。
因此，气体分子测得的渗透率需要经过滑脱效应校正才可得到绝对渗透率（克氏渗透率），即：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=m g p b K K 10 （6-1）式中，K 0—克氏渗透率；p m —平均压力（实验煤样进口压力与出口压力的平均值）；K g —每一个测点的气测渗透率；b —与气体性质、孔隙结构有关的常数。
对于气体在一根毛管内的流动来说，b 可由下式得出：rp c b λ4= （6-2）md ρπλ221= （6-3） 式中，λ—对应于平均压力p m 时的气体分子平均自由程；r —毛管半径（相当于煤孔隙半径）；c —近似于1的比例常数；d —分子直径；m ρ—分子密度，与平均压力p m 有关。
《华北煤田典型岩层空隙分形特征与渗透性研究》范文
《华北煤田典型岩层空隙分形特征与渗透性研究》篇一一、引言华北煤田是我国重要的煤炭资源区，其地质构造复杂，岩层空隙特征对煤炭开采及地下水运动具有重要影响。
分形理论作为一种研究非线性复杂系统的有力工具，在岩层空隙结构与渗透性研究中具有广泛的应用。
本文旨在研究华北煤田典型岩层的空隙分形特征及其与渗透性的关系，为煤炭资源开采及地下水保护提供理论支持。
二、研究区域与岩层概述华北煤田是我国煤炭资源最为丰富的地区之一，其岩层主要包括砂岩、泥岩、煤层等。
本文选取华北煤田典型岩层进行空隙分形特征及渗透性研究，重点分析砂岩和泥岩的空隙结构。
三、空隙分形特征研究1. 分形理论简介分形理论是一种研究非线性复杂系统的理论，通过分形维数等参数描述复杂系统的结构特征。
在岩层空隙结构研究中，分形理论可有效描述空隙的形态、大小及分布规律。
2. 空隙分形特征的实验方法本文采用压汞法、气体吸附法等实验手段，对华北煤田典型岩层的空隙进行测量和分析，获取空隙的大小、形态及分布等参数。
3. 空隙分形特征的分析结果通过对实验数据的分析，发现华北煤田典型岩层的空隙具有明显的分形特征。
砂岩的空隙分形维数较高，表明其空隙结构较为复杂；泥岩的空隙分形维数较低，表明其空隙结构相对简单。
此外，空隙的大小、形态及分布规律与岩层的类型、成因等因素密切相关。
四、渗透性研究1. 渗透性实验方法本文采用常水头渗透仪、变水头渗透仪等实验设备，对华北煤田典型岩层的渗透性进行测量和分析。
2. 渗透性分析结果实验结果表明，岩层的渗透性与空隙结构密切相关。
砂岩由于空隙结构复杂，具有较高的渗透性；泥岩由于空隙结构相对简单，渗透性较低。
此外，岩层的厚度、地质构造等因素也会影响其渗透性。
五、空隙分形特征与渗透性的关系通过对空隙分形特征与渗透性的分析，发现两者之间存在密切的关系。
空隙分形维数较高的岩层，其渗透性也较高；反之，空隙分形维数较低的岩层，其渗透性也较低。
这表明岩层的空隙结构对其渗透性具有决定性作用。
《华北煤田典型岩层空隙分形特征与渗透性研究》范文
《华北煤田典型岩层空隙分形特征与渗透性研究》篇一一、引言华北煤田是我国重要的煤炭资源区，其煤层及其围岩的空隙结构与渗透性研究对于煤田的开采利用具有重要意义。
岩层的空隙分形特征与渗透性密切相关，通过研究空隙的分形特征，可以更深入地了解岩层的物理性质和渗透行为。
本文以华北煤田为研究对象，分析其典型岩层的空隙分形特征及其与渗透性的关系，旨在为煤田开采和地下水资源管理提供科学依据。
二、研究区域与方法本文以华北煤田为研究区域，选取了具有代表性的岩层进行空隙分形特征与渗透性的研究。
研究方法主要包括文献综述、现场采样、实验室测试和数据分析等。
（一）文献综述首先对国内外关于岩层空隙分形特征与渗透性的研究进行综述，了解相关领域的研究现状和存在的问题。
（二）现场采样在华北煤田进行现场采样，采集具有代表性的岩层样品，为实验室测试提供样本。
（三）实验室测试利用扫描电镜、压汞仪等设备对岩样进行空隙结构分析，测定其分形特征和渗透性。
（四）数据分析对实验数据进行处理和分析，探讨空隙分形特征与渗透性的关系。
三、华北煤田典型岩层空隙分形特征分析（一）空隙类型与分布特征华北煤田典型岩层的空隙类型主要包括孔隙、裂隙和溶洞等。
孔隙分布较为均匀，裂隙则呈网络状分布，溶洞则多见于特定地层。
不同类型空隙的分布特征对岩层的渗透性具有重要影响。
（二）空隙分形特征空隙分形特征是描述岩层空隙结构的重要参数。
通过压汞实验和图像分析，可以获得岩层空隙的分形维数。
分形维数越大，说明空隙结构越复杂，岩层的渗透性也越强。
四、空隙分形特征与渗透性的关系（一）分形维数与渗透性的关系通过对实验数据的分析，发现岩层的分形维数与渗透性呈正相关关系。
即分形维数越大，岩层的渗透性越强。
这表明空隙结构的复杂性对岩层的渗透性具有重要影响。
（二）影响因素分析影响岩层空隙分形特征与渗透性的因素主要包括岩石类型、地质构造、成岩作用等。
不同岩石类型的空隙结构和分形特征存在差异，地质构造和成岩作用也会影响空隙的发育和分布，进而影响岩层的渗透性。
煤孔隙结构对瓦斯解吸-扩散-渗流过程的影响
煤孔隙结构对瓦斯解吸−扩散−渗流过程的影响贾男1，2（1. 中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2. 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）摘要：充分认识煤层瓦斯运移机制是提升抽采效率的根本前提。
而目前针对煤体瓦斯微观运移特性的研究探讨的多是煤微观孔隙瓦斯运移特性，忽略了瓦斯解吸−扩散过程。
以焦煤为例，采用压汞测试、纳米级工业CT 扫描和数值仿真，精准重构并定量表征了煤孔隙空间结构，从微观角度分析了瓦斯解吸−扩散−渗流的演化过程，初步探讨了煤孔隙空间结构对瓦斯运移的影响。
结果表明：① 在孔隙中心位置的瓦斯压力相对较高，解吸−扩散由孔隙中心向边缘进行，不同时间及位置上瓦斯压力分布规律差异明显，造成瓦斯压力分布差异性的原因在于各代表性体积（REV ）单元中孔隙与喉道的半径、长度、形状、连通性能不同。
② 孔隙结构和拓扑优势拓展了瓦斯解吸−扩散−渗流范围，大尺寸孔隙结构能为气体分子提供多元化运动空间，削弱尺寸效应对扩散广度的影响，促进瓦斯解吸−扩散速率。
③ 强非均质连通孔隙结构中，瓦斯渗流分散而高效，能通过广泛沟通煤基质完成气体由扩散到渗流的转变，提升瓦斯传质效率；弱非均质连通孔隙结构中，气体渗流路径单一、流线集中，渗流传质阻力较大，气体分子由扩散到渗流的转变效率低，不利于瓦斯高效运移。
研究结果从微观角度丰富了煤体瓦斯运移理论，为瓦斯抽采工程实践提供了理论基础。
关键词：瓦斯抽采；煤层瓦斯；孔隙结构；瓦斯解吸；瓦斯扩散；瓦斯渗流；CT 扫描中图分类号：TD712 文献标志码：AThe influence of coal pore structure on gas desorption-diffusion-seepage processJIA Nan 1,2(1. CCTEG Shengyang Research Insititute, Fushun 113122, China ；2. State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China)Abstract : Fully understanding the mechanism of coal seam gas migration is the fundamental prerequisite for improving extraction efficiency. At present, research on the micro migration features of coal gas mostly focuses on the micro pore gas migration features of coal, ignoring the gas desorption-diffusion process. Taking coking coal as an example, the pore space structure of coal is accurately reconstructed and quantitatively characterized using mercury intrusion testing, nanoscale industrial CT scanning, and numerical simulation. The evolution process of gas desorption-diffusion-seepage is analyzed from a microscopic perspective, and the influence of coal pore space structure on gas migration is preliminarily explored. The results show the following points. ① The gas pressure is relatively high at the center of the pore, and desorption-diffusion proceeds from the center of the pore to the edge. The distribution of gas pressure varies significantly at different times and positions. The reason for the difference in gas pressure distribution is that the radius, length, shape, and connectivity of pores and throats in each representative elementary volume (REV) unit are different. ② The pore structure and topological advantages expand the range of gas desorption-diffusion-seepage. The large-sized pore structure can provide diversified收稿日期：2023-11-23；修回日期：2024-03-18；责任编辑：胡娴。
煤储层多尺度裂隙特征及其对渗透性的控制
煤储层多尺度裂隙特征及其对渗透性的控制煤储层是一种具有双重孔隙-裂隙型储层，孔隙是煤层中气体储存的主要空间；裂隙是煤层中流体运移的主要通道，是影响和掌握煤储层渗透性的直接因素。
本书采纳理论分析、室内试验测试与数值模拟等多学科理论与方法，对煤储层多尺度裂隙参数进行了精细定量表征，系统讨论了煤储层中宏观裂隙、微米级裂隙和纳米级裂隙结构演化特征及其主控因素，探讨了煤储层多尺度裂隙结构对煤储层渗透性的掌握机理。
煤层气是指在成煤作用过程形成的，赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主，并部分游离于煤孔隙、裂隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。
煤层气是一种重要的特别规自然气资源，我国2000m以浅的煤层气资源量约为3.68×1013m3，与我国陆上自然气总量相当，仅次于俄罗斯和加拿大，居世界第三位。
煤层气资源的开发与利用，对保障煤矿平安生产、提高清洁能源比例及降低温室气体排放均具有重要意义。
然而，我国煤储层孔隙和裂隙结构具有简单性，加之地应力、地温等环境条件简单，煤层气储层表现出较强的非均质性和低渗透性特征，造成连续多年我国的实际煤层气产量与规划目标存在较大差距。
鉴于煤层渗透性是打算煤层气产量的重要因素，而煤中裂隙发育特征对煤储层渗透性具有打算性作用，因此，对煤中裂隙进行具体的定量表征，并探讨其对煤层渗透性的掌握作用对保障煤矿平安生产、指导煤层气开发选区、提高煤层气产量以削减温室气体排放具有重要意义。
我国关于煤中裂隙的讨论工作最早消失在20世纪50年月，学者们主要从构造、煤矿平安生产等角度进行煤层裂隙的讨论工作。
之后，煤中裂隙的讨论经受了一个由宏观到微观、由二维平面讨论到三维立体讨论的进展过程，形成了一套较为完善的裂隙讨论思路。
然而，煤中裂隙分布范围广泛，讨论方法较多，对煤岩多尺度的裂隙分布特征的讨论也不够全面，其对煤层渗透性的掌握机理也尚不明确，极大地制约了煤中瓦斯(煤层气)的排采工作。
煤体孔隙率和渗透特性研究现状及发展趋势
Value Engineering0引言能源是现代化的基础与动力，而煤炭不仅是我国的主体能源，还是我国最主要的一次性消耗能源之一。
煤炭在我国经济发展进程中长期占据主要地位，并且这种地位和趋势短期内不会有较大改变。
在煤炭形成的过程中，常伴有大量烃类气体产生，即瓦斯或煤层气。
虽然在漫长的地质演化及地壳运动中，大部分的瓦斯都释放、逸散进入大气中，但仍有相当多的瓦斯赋存在煤层中，因此研究煤体与瓦斯之间的关系是煤炭事业发展的重中之重。
煤体是一种微孔隙和裂隙的双重介质，而含瓦斯煤层也可看作富含裂隙的固流多相介质，由于这些孔隙裂隙的存在，使得煤体与瓦斯之间的关系更为复杂，因此探究煤体孔隙特性就显得尤为重要。
瓦斯渗透率通常是衡量瓦斯运移规律的重要指标，在煤体实际赋存环境下，受多种因素的影响。
目前国内外对煤体孔隙特性及渗透特性的研究还存在不综合、不严密的问题，鉴于此，对煤体孔隙特性及渗透特性的研究现状进行整理，并提出适当的总结分析。
1煤体孔隙特性研究现状煤体孔隙特性是说明煤储层瓦斯富集程度的重要指标之一，同时对煤层气资源的开发利用至关重要。
刘娜等[1]学者将全国数十个个主要瓦斯区块的压泵孔隙度及其它数据进行了统计，并结合相关趋势分析方法探讨了多种因素对煤层孔隙度及煤层气开发的影响。
刘先贵等[2]通过大量实验，着重研究了有效应力与煤体孔隙率之间的关系，研究表明，载荷煤体所受的有效应力与煤体的孔隙率呈负相关，对受载煤体施加的有效应力越大，煤体孔隙率就越低。
李祥春等[3]实验和理论相结合，在实验的基础上加以分析，得到了煤体吸附膨胀变形与媒体孔隙度之间的数学关系。
李春光等[4]通过数学计算探究了不同多孔介质孔隙率条件下，体积模量的变化及二者之间的关系，并对孔隙度较大条件下的关系式进行了研究。
综上可知，众多学者已经开展了很多煤体孔隙特性相关方面的研究，研究也表明了很多因素对煤体孔隙度的影响。
而瓦斯在煤体之中的渗透特性也和煤体的孔隙率有直接的关系，但目前对孔隙特性的研究尚集中于外部因素与孔隙率的关系之上，对孔隙率与瓦斯渗特性之间关系的研究较少。
煤储层渗透率影响因素
煤储层渗透率影响因素摘要：煤储层渗透率对研究煤层气的产出及运移规律有着重要的意义，理清其影响因素对于有效预测煤储层渗透率、寻找有利勘探区具有重要的实际价值。
该文从裂隙系统、构造应力、煤岩类型、煤变质程度、煤体结构、温度、有效应力、基质的收缩效应、层理等方面对煤储层渗透性的影响进行了分析，并得出了具有针对性的结论。
关键词：煤层气渗透率影响因素综述中图分类号：p618 文献标识码：a 文章编号：1674-098x（2012）12（a）-0-02煤层气是以吸附状态富集在煤储层中的一种“自生自储”式非常规天然气，我国煤层气资源丰富，储量居于世界前列，开发利用的前景广阔。
渗透率是煤层气开发中的关键因素之一，直接关系到煤层气的产出能力，同时煤层气渗透率对研究煤层气的赋存、压力分布、解吸排放及运移规律也有着重要的意义。
煤储层渗透率主要受裂隙系统的发育程度、基质显微结构等内部因素以及多种外部因素的影响，笔者在系统分析前人研究成果的基础上，总结了不同地质条件下煤储层渗透率的主控因素，这对于有效预测煤储层渗透率、寻找有利勘探区具有一定的实际意义和参考价值。
1 煤储层渗透率的控制因素1.1 裂隙系统煤储层的裂隙系统一般分为内生裂隙（割理）和外生裂隙、继承性裂隙三部分。
裂隙系统是煤层气在煤层中的渗透路径，煤层的渗透性取决于裂隙系统的发育程度和连通程度[1]，经前人研究发现，裂隙发育的煤储层与裂缝不发育的煤储层相比，渗透率相差1～2个数量级，且裂隙越发育，连通性越好，越利于流体的渗流，这对煤层气可采性评价有极其重要的指导意义。
煤储层裂缝的形成主要受构造应力、煤岩类型、煤变质程度等因素的影响。
1.1.1 构造应力由于煤的低杨氏模量，性软而脆的力学性质，所以外部条件对裂缝的产生及对渗透率的影响是通过煤储层自身形变而实现的，而应力的改变最易引起形变。
有学者认为是古构造应力是控制割理发育程度的主控因素，成煤期后的构造活动是产生煤层构造裂缝的主要因素，构造活动强度的大小对煤储层的渗透性既有建设性作用，也有破坏性作用。
煤储层渗透率影响因素
煤储层渗透率影响因素摘要：煤储层渗透率对研究煤层气的产出及运移规律有着重要的意义，理清其影响因素对于有效预测煤储层渗透率、寻找有利勘探区具有重要的实际价值。
该文从裂隙系统、构造应力、煤岩类型、煤变质程度、煤体结构、温度、有效应力、基质的收缩效应、层理等方面对煤储层渗透性的影响进行了分析，并得出了具有针对性的结论。
关键词：煤层气渗透率影响因素综述煤层气是以吸附状态富集在煤储层中的一种“自生自储”式非常规天然气，我国煤层气资源丰富，储量居于世界前列，开发利用的前景广阔。
渗透率是煤层气开发中的关键因素之一，直接关系到煤层气的产出能力，同时煤层气渗透率对研究煤层气的赋存、压力分布、解吸排放及运移规律也有着重要的意义。
煤储层渗透率主要受裂隙系统的发育程度、基质显微结构等内部因素以及多种外部因素的影响，笔者在系统分析前人研究成果的基础上，总结了不同地质条件下煤储层渗透率的主控因素，这对于有效预测煤储层渗透率、寻找有利勘探区具有一定的实际意义和参考价值。
1 煤储层渗透率的控制因素1.1 裂隙系统煤储层的裂隙系统一般分为内生裂隙（割理）和外生裂隙、继承性裂隙三部分。
裂隙系统是煤层气在煤层中的渗透路径，煤层的渗透性取决于裂隙系统的发育程度和连通程度[1]，经前人研究发现，裂隙发育的煤储层与裂缝不发育的煤储层相比，渗透率相差1～2个数量级，且裂隙越发育，连通性越好，越利于流体的渗流，这对煤层气可采性评价有极其重要的指导意义。
煤储层裂缝的形成主要受构造应力、煤岩类型、煤变质程度等因素的影响。
1.1.1 构造应力由于煤的低杨氏模量，性软而脆的力学性质，所以外部条件对裂缝的产生及对渗透率的影响是通过煤储层自身形变而实现的，而应力的改变最易引起形变。
有学者认为是古构造应力是控制割理发育程度的主控因素，成煤期后的构造活动是产生煤层构造裂缝的主要因素，构造活动强度的大小对煤储层的渗透性既有建设性作用，也有破坏性作用。
适度的断裂和褶皱等构造作用可以增加煤层的割理密度，提高渗透率，所以构造裂缝发育地带可以是高渗透煤层发育带[2]。
《华北煤田典型岩层空隙分形特征与渗透性研究》
《华北煤田典型岩层空隙分形特征与渗透性研究》篇一一、引言华北煤田是我国重要的煤炭资源区，其地质构造复杂，岩层空隙特征对煤炭开采及地下水运动具有重要影响。
分形理论作为一种研究非线性复杂系统的有力工具，在岩层空隙结构与渗透性研究中具有广泛的应用。
本文旨在研究华北煤田典型岩层的空隙分形特征及其与渗透性的关系，以期为煤炭资源开发和地下水动力学研究提供理论依据。
二、研究区域与材料方法1. 研究区域本研究选取华北煤田具有代表性的区域，重点分析该区域的岩层空隙特征及渗透性。
2. 材料方法（1）岩层样品采集：在研究区域内采集具有代表性的岩层样品，进行室内实验分析。
（2）分形理论应用：运用分形理论对岩层空隙结构进行分析，提取空隙分形特征参数。
（3）渗透性实验：通过渗透性实验测定岩样的渗透系数。
（4）数据统计分析：对实验数据进行统计分析，探讨空隙分形特征与渗透性的关系。
三、华北煤田典型岩层空隙分形特征1. 空隙类型与结构华北煤田典型岩层空隙主要包括孔隙、裂隙和溶洞等类型。
孔隙结构复杂，大小不一，分布不均；裂隙多为层间裂隙和剪切裂隙，具有方向性和连通性；溶洞则是在地下水作用下形成的较大空间。
2. 分形特征参数提取运用分形理论对岩层空隙结构进行分析，提取出分形维数、分形盒维数等分形特征参数。
这些参数能够反映岩层空隙的复杂程度和自相似性。
四、空隙分形特征与渗透性的关系1. 空隙大小与渗透性岩层空隙大小直接影响渗透性的大小。
空隙越大，渗透性越强；反之，空隙越小，渗透性越弱。
分形特征参数能够反映空隙大小分布情况，进而影响渗透性的大小。
2. 空隙连通性与渗透性空隙的连通性对渗透性具有重要影响。
连通性好的空隙有利于流体在岩层中的流动，从而提高渗透性；而连通性差的空隙则会导致流体在岩层中的流动受阻，降低渗透性。
分形理论可以揭示空隙的连通性和空间分布规律，为预测渗透性提供依据。
3. 实验结果分析通过对比不同岩样的分形特征参数和渗透系数，发现分形维数、分形盒维数等参数与渗透系数之间存在显著的相关性。
我国主要含煤区煤体结构特征及与渗透性关系的研究
（ 煤炭科学研究总院西安分院， 西安 ７ ０ ） 陕西 １５ ０４
摘要： 通过对我国主要含煤区的１ 多个煤层以及若干个钻孔煤心， ０ ０ 进行宏观煤岩类型、 煤体结构、 煤裂隙以及与煤层渗透性等方面研究， 结果表明：． ａ我国煤体破坏程度由北向南、 西向东增强， 自 从 盆地中 部向盆缘增强。我国中、 西部和北部主要是原生结构煤， 东部和南部以及盆缘构造煤发育。 ｂ糜棱煤是地层构造变形强烈的产物， ． 但构造变形强烈的地层不一定形成糜棱谋。ｃ碎裂煤的渗 ． 透率比原生结构煤高， 碎粒煤和糜棱煤渗透率低。对于一个即有碎裂煤， 又有碎粒煤和糜棱煤发育 并交替出 现的煤层， 碎粒煤和糜棱煤在碎裂煤之间 起着低渗透性的屏障作用， 渗透性低的煤分层扼 杀了 渗透性高的煤分层， 极大地降低了 煤层渗透性。因此在有碎粒煤和糜棱煤发育的煤层， 煤体结 构对煤层渗透性的影响大于裂隙发育程度的影响， 成为控制渗透性的首要因素。 关 键 词： 煤体结构； 特征； 渗透性； 中国主要含煤区
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半 亮煤 半暗煤 暗淡煤
图１ 我国主要含煤区典型煤层煤体结构、 煤岩类型柱状图
矿井
煤层
煤厚度 构煤 十
／ ｍ
碎粒煤 十 糜棱煤
碎裂煤
／ ％
６ ．０ １４
／ ％
１ ３一 １ １ ３一 １
７６ ２５ ２ ２１ ２ ７５ ０ ０１ ７５
煤储层渗透率影响因素
煤层气储层渗透率影响因素摘要：煤层气作为一种新型能源，而且我国煤层气储量丰富，因此其开采利用可以很大程度上缓解我国常规天然气需求的压力。
煤储层的渗透率是煤岩渗透流体能力大小的度量，它的大小直接制约着煤层气的勘探选区及煤层气的开采等问题。
因此掌握煤储层渗透率的研究方法及影响因素，对于指导煤层气开采具有重要的指导意义。
本文主要在前人的基础上，从裂隙系统、煤变质程度、应力及当前其他领域的技术对渗透率的研究的理论、认识及存在的问题等进行总结，对煤储层渗透率的预测有一定的理论指导意义。
Abstract: Our country is rich in the CBM which is a new resource. So the development of CBM can lighten our pressure for the requirement of conventional gas.The permeability of the coal reservoir is a measure of fluid 's osmosis permeability, restricting the exploration area and mining of CBM. Therefore, controlling the method of mining and the effect factoring has an important guiding significance for mining .This article is summarized from fracture system,the degree of coal metamorphism, stress for the theory, matters and so on of permeability 's study which is based on the achievement of others ，having a great guiding significance for the permeabilityprediction. 关键词：煤层气；渗透率；影响因素1、引言煤层气是指赋存在煤层中常常以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解在煤层水中的烃类气体[1]。
煤层气储层渗透率影响因素及研究意义
渗透率的影响因素
有效应力对煤样渗透率的影响 煤化程度对煤样渗透率的影响 电场对煤样渗透率的影响 瓦斯解析对煤样渗透率的影响 Klinkenberg效应和基质收缩效应对煤层渗透率的影响
有效应力对煤样渗透率的影响
如图1为煤样的渗透率 随平均有效应力的变化 规律。可以看出，煤样 的渗透率K与平均有效 应力呈指数关系，即满 足关系式 式中平均有效应力 a,b为拟合常数。在应力 集中带，由于裂隙及大 孔隙受压而闭台，可使 渗透力降低；在卸压带， 由于原有裂隙的张开、 扩大以及新裂隙的形成， 可使渗透能力急剧提高。
其他影响煤层渗透率的因素
除以上所列出的影响因素外，磁场、流变、 煤中水分含量以及化学因素等都会影响渗 透率，至于其影响机理的研究还有待加强。
增大渗透率的方法
目前，主要的储层强化措施是人工造缝。 采用的主要方法有清水加砂或不加砂压裂、 凝胶加砂压裂、洞穴激励造缝等。对于剖 面上煤层不集中分布，单层煤厚不大的多 煤层井，多采用水力压裂的办法。埋深不 大的煤层(小于600m)在压裂时可以不加砂， 大的煤层(小于600m)在压裂时可以不加砂， 埋深大的煤层则必须加砂压裂。对于厚度 较大、渗透性又很好的煤层则采用洞穴激 励造缝的措施。
渗透率的定义
渗透率是煤岩渗透流体能力大小的度量， 它是煤层气甲烷开采中一个最为关键的参 数，也是最复杂且难以确定的参数。由于 煤具有较软、低弹性模量的力学性质，在 钻井或开采中外界条件的改变可对其产生 强烈的影响。通常所说的煤层渗透率是指 煤层割理渗透率。
煤样的渗透率是根据达西公式计算的，即
式中K——渗流流量(m3/s)， p——测量点的大气压(Pa) P1——进口瓦斯压力(Pa) P2——出口瓦斯压力(Pa) L——试样长度，(m) A ——试样横截面积(m2) ——气体粘性系数(Pa·s)
煤吸附膨胀变化与孔隙率渗透率关系的分析
煤层的内部结构特征及对其物理力学性能的影响
煤层的内部结构特征及对其物理力学性能的影响
3
煤层的物理 力学性能
——王子璇
3.1 物理性质 煤层的物理性质是指由煤层 所固有的物质组成和结构特 征所决定的密度、容重、比 重、孔隙率、渗透性等基本 属性。 3.2 力学性质 煤层力学性能包括压入硬度、 单轴抗压强度、抗拉强度、 抗剪强度、弹性模量等，一 般可以通过室内试验来测定 煤层物理力学性质，进而将 煤层的整体特征表现出来。 由于煤岩层的不连续性、各 向异性、非均质性，可以通 过单轴压缩试验、劈裂试验、 角模压剪实验和静压入硬度 试验等试验来测定。
煤层的内部结构特征及对其物理力学性能的影响
2
煤层的内部 结构特征
——易小雍
2.1 煤体结构分类 煤体结构按煤的孔容和孔比 表面积从大到小依次为糜棱 煤，碎粒煤，碎裂煤，原生 结构煤。 孔容：单位质量煤体中所含 孔裂隙的体积。 孔比表面积：单位质量煤体 中所含有的孔裂隙内表面积。
煤层的内部结构特征及对其物理力学性能的影响
单轴压缩试验机
试件产生张拉破坏
煤层的内部结构特征及对其物理力学性能的影响
3）劈裂试验(巴西实验法) 抗拉强度即材料在拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大 拉应力。实验时多采用劈裂法，即沿着圆柱体试件的直径方向施加 集中荷载使之沿受力方向的直径裂开。
劈裂试验机
试件裂开情况
煤层的内部结构特征及对其物理力学性能的影响
煤层的内部结构特征及对其物理力学性能的影响
3.3 相关实验 1）静压入硬度试验 压入硬度是通过一定形状的压头，给试样施加压缩负荷，以压 入深度或压槽面积来表示的试样硬度。
静压入硬度实验装置示意图
煤层的内部结构特征及对其物理力学性能的影响
2）单轴压缩试验 单轴抗压强度简称抗压强度(compressive strength)，是指在单 向受压条件下，岩石试件破坏时的极限压应力值。
阜康矿区煤的孔隙与裂隙特征
阜康矿区煤的孔隙与裂隙特征摘要：本文旨在探讨阜康矿区煤的孔隙与裂隙特征。
研究表明，阜康矿区煤的孔隙形态非常复杂，主要包括气体孔、水孔和小孔，其中气体孔占比较大；裂隙特征分布范围广，但量低，裂隙口径一般在0.1~1.2毫米之间，短裂隙的数量较多。
通过对孔隙与裂隙特征的详细研究，本文还讨论了孔裂隙对煤炭储量与采煤技术和安全的影响。
关键词：阜康矿区煤；孔隙；裂隙正文：阜康矿区是我国西北地区沙三段富煤地层中重要部位，煤层发育好，是国家重要的煤炭储量基地。
煤层也呈现出复杂的孔隙结构和异常的裂隙结构。
本文以阜康煤矿区为研究对象，通过现场考察、实验测试和理论分析，对该矿区煤的孔隙与裂隙特征及其分布规律进行了研究。
研究表明，该矿区煤的孔隙性质非常复杂，共分为气体孔、水孔和小孔三类，其中气体孔占据较大比例。
孔隙直径一般介于0.05 ~ 0.2毫米之间，孔隙数量也较多，且整体分布范围较广。
而该矿区煤的裂隙特征则较少，裂隙口径一般介于0.1~1.2毫米之间，短裂隙的数量较多。
通过对阜康矿区煤的孔隙与裂隙特征的综合分析，本文还讨论了孔裂隙对储量的影响、对采煤技术的影响及对采矿安全的影响。
结果表明，煤层孔隙&裂隙特征的不同会影响煤炭储量，从而影响采煤技术与安全，因此在开采前需对孔裂隙特征进行全面考察，制定适宜的采煤技术方案，以保证安全生产。
综上所述，本文分析了阜康矿区煤的孔隙与裂隙特征，并讨论了它们对煤炭储量、采煤技术和安全的影响。
煤炭储量和采煤安全与孔裂隙特征密切相关。
孔裂隙特征是计算煤炭储量、提高采煤技术效率和保障采煤安全的重要依据之一。
因此，对孔裂隙特征应进行科学合理的评估。
文献记载，煤层孔裂隙特征评估主要分为开采前小区及开采后大区两类。
开采前小区主要以煤层准确测定、岩石力学性质预测和孔裂隙特性测定为主，其中，现场观测是评估煤层孔裂隙特征的重要基础，此外，紫外透射像、电磁拉伸法、声波测井等也可用于孔裂隙特性的测定。
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煤的多尺度孔隙结构特征及其对渗透率的影响潘结南1,2 张召召1,2 李猛1,2 毋亚文1,2 王凯1,21. 河南理工大学资源环境学院2. 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心摘 要 煤中孔隙大小分布不均且分布范围较广，因而利用单一的方法难以对煤的多尺度孔隙结构进行有效地表征。
为此，综合运用扫描电镜、低温液氮吸附、高压压汞、恒速压汞等实验方法，对煤的多尺度孔隙结构特征进行综合分析，并揭示变质作用对煤孔体积、孔比表面积的影响，以及煤岩渗透率与孔隙结构特征参数的关系。
研究结果表明：①随煤变质程度增强，煤中纳米孔体积及孔比表面积均呈现先减小后增大的趋势，并且在R o,max为1.8%左右时达到最小值；②煤样孔隙半径、喉道半径整体均呈现正态分布，并且随着煤变质程度的增加，最大分布频率对应的孔隙半径增大；③低煤阶烟煤煤样的喉道半径分布范围最宽，最大连通喉道半径及喉道半径平均值均最大；④无烟煤煤样的喉道半径分布范围最窄且最大连通喉道半径最小；⑤低、中煤阶烟煤煤样的孔喉比分布存在着单一主峰，并且主峰对应孔喉比相对较小；⑥煤岩渗透率与孔隙度、喉道半径平均值表现出了较好的正相关关系，其与孔喉比平均值呈负相关关系，而与孔隙半径平均值的关系则不明显。
关键词 煤 多尺度孔隙结构 扫描电镜 液氮—压汞联合实验 恒速压汞 渗透率 变质程度DOI: 10.3787/j.issn.1000-0976.2019.01.007Characteristics of multi-scale pore structure of coal and its influence on permeability Pan Jienan1,2, Zhang Zhaozhao1,2, Li Meng1,2, Wu Yawen1,2 & Wang Kai1,2(1. Institute of Resources & Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000, China; 2. Henan Col-laborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Jiaozuo, Henan 454000, China)NATUR. GAS IND. VOLUME 39, ISSUE 1, pp.64-73, 1/25/2019. (ISSN 1000-0976; In Chinese)Abstract: Due to the uneven distribution of pore size in coal and its wide distribution range, it is difficult to effectively characterize the multi-scale pore structure of coal by a single method. In this paper, the multi-scale pore structure characteristics of coal were analyzed comprehensively by using scanning electron microscope, low-temperature liquid nitrogen adsorption, high-pressure mercury intrusion and constant-rate mercury intrusion. In addition, the effects of metamorphism on the volume and specific surface area of pores in coal were revealed, and the relationships between coal rock permeability and pore structure characteristic parameters were described. And the fol-lowing research results were obtained. First, with the increase of coal metamorphism, the volume and specific surface area of nanopores in coal decrease first and then increase, and they reach the minimum value when Ro,max is about 1.8%. Second, the pore and throat radii of coal samples are overall in the form of normal distribution. And with the increase of coal metamorphism, the pore radius correspond-ing to the maximum distribution frequency increases. Third, the samples of low-rank bituminous coal are the highest in throat radius distribution range, connected throat radius and average throat radius. Fourth, the samples of anthracite coal are the lowest in throat radius distribution range and connected throat radius. Fifth, there is a single main peak in the distribution of pore throat ratios of low- and me-dium-rank bituminous coal samples, and the pore throat ratios corresponding to the main peak is relatively low. Sixth, the permeability of coal is in a positive correlation with porosity and an average throat radius, and in a negative correlation with an average pore throat ratio, but in no obvious correlation with an average pore radius.Keywords:Coal; Multi-scale pore structure; Scanning electron microscope; Combined liquid nitrogen adsorption and high-pressure mer-cury intrusion; Constant-rate mercury intrusion; Permeability; Degree of metamorphism基金项目：国家自然科学基金项目“构造煤微裂隙结构演化特征及对煤储层渗透性控制”（编号：41772162）、河南省高校科技创新团队支持计划项目“煤层气储层物性及其地质控制”（编号：17IRTSTHN025）。
作者简介：潘结南，1972年生，教授，博士生导师；主要从事煤与煤层气地质方面的研究工作。
地址：（454003）河南省焦作市高新区世纪大道2001号。
ORCID: 0000-0001-7995-0129。
E-mail: panjienan@通信作者：张召召，1991年生，硕士；主要从事煤与煤层气地质方面的研究工作。
地址：（454003）河南省焦作市高新区世纪大道2001号。
E-mail: zhangzhao_2017@0 引言煤是一种复杂的多孔介质，孔隙的发育程度影响着煤中甲烷气体的储集和运移，研究其孔隙结构特征对煤层气资源评价与开发有着重要意义[1-5]。
目前，国内外学者对煤孔隙结构的研究很多，采用的实验方法也较为多样，常见的方法有压汞 [6-10]、低温液氮吸附[8,11-12]、扫描电镜[13-15]、小角X射线散射[16-17]、原子力显微镜[18]、X射线计算机层析扫描[19-21]及核磁共振[7,22]等。
然而，煤中孔隙大小分布不均且分布范围较广，以上方法在煤孔隙结构研究中都存在一定的局限性。
比如，在扫描电镜下虽然能够直观看到孔隙的形态和大小，而却不能给出定量描述；传统的高压压汞实验在微孔（小于10 nm）及部分小孔（介于10～100 nm）的测定中存在孔隙“屏蔽效应”“煤基质压缩效应”，并且高压易导致孔隙结构发生变形和破坏[7-9]；低温液氮吸附实验只能测得一个较小的孔径分布范围，以纳米孔为主[8,12]。
因此，仅利用单一方法很难对煤多尺度孔隙结构进行有效表征，须利用多种方法进行联合测定。
恒速压汞法是一种确定储层岩石精细孔隙结构的有效方法，通过恒速压汞实验可以得到具有真正力学意义的岩石孔隙结构参数[23-25]，如：孔隙半径、喉道半径和孔喉比。
近年来，该方法在致密油气储层孔隙结构研究中已有应用[26-27]，但在煤孔隙结构研究中应用较少。
本文综合扫描电镜、低温液氮吸附、高压压汞、恒速压汞等实验对不同变质程度煤样孔隙结构特征进行综合研究，并对煤岩渗透率与孔隙结构特征参数的关系进行研究，以期为不同煤阶煤层进行煤层气的资源评价与开发提供必要的理论基础。
1 实验样品及方法1.1 实验样品煤样选自我国不同地区的8个矿井10个不同变质程度的煤样，为了消除变形对煤样孔隙结构的影响，样品选用原生结构煤。
为定量分析不同煤样的煤岩组分及变质程度，实验使用OPTON-Ⅱ类MPV-3型显微镜，测得煤样最大镜质组反射率（R o,max）及煤岩组成。
同时，为了研究煤孔隙结构对煤岩渗透率的影响，对其中5个煤样（FKQ、SJZ、HB02、DC、SH01）进行氦气孔隙度和空气渗透率测定。
依据最大镜质组反射率将煤样划分为5个煤阶：低煤阶烟煤、中煤阶烟煤、中高煤阶烟煤、高煤阶烟煤和无烟煤。