煤岩气相渗透率变化类型及判别模式

李俊乾，卢双舫，薛海涛，王伟明，张鹏飞

(中国石油大学(华东) 非常规油气与新能源研究院，山东 青岛　266580)



煤岩气相渗透率变化类型及判别模式

李俊乾，卢双舫，薛海涛，王伟明，张鹏飞

(中国石油大学(华东) 非常规油气与新能源研究院，山东 青岛266580)

摘要：煤岩气相渗透率变化类型具有多样性。针对我国32个煤矿的不同变质程度煤岩样品(制备54个岩心柱)，开展气相(CO2)渗透率动态变化规律研究，基于气体反弹压力和渗透率伤害率2项指标，划分了煤岩气相渗透率变化类型；结合煤岩煤质数据，建立了渗透率变化类型判别模式。我国煤岩气相(CO2)渗透率变化主要表现为下降型、反弹型和上升型3大类，包括8个小类；通过最大镜质组反射率—初始渗透率、惰镜比(惰质组含量与镜质组含量之比)—初始渗透率、固灰比(固定碳含量与灰分产率之比)—初始渗透率和惰镜比—固灰比交会图法，可有效识别煤岩气相渗透率变化类型，为优选有利的煤层气开发储层提供依据。

关键词：气相渗透率；反弹压力；渗透率伤害率；煤岩；煤层气

煤储层渗透率是影响煤层气产量的重要储层参数之一，关于煤储层渗透性地质控制因素及高渗区的预测已受到广泛关注[1-8]。但在煤层气开发实践过程中，已逐渐认识到煤储层渗透率为动态渗透率，随煤层气井的排采而发生变化，特别是在产气阶段，煤岩气相渗透率变化趋势及控制因素更为复杂。针对这一问题，国内外学者已进行了大量实验研究，发现在压降过程中煤岩气相(吸附性气体)渗透率变化具有多样性[9]，且渗透率变化受有效应力、基质收缩和气体滑脱三大地质效应的综合影响[9-14]，基于有效应力和/或基质收缩效应建立了多种渗透率变化的预测模型[1,15-23]。然而，对于我国不同变质程度煤岩，在什么样的煤里会出现怎样的渗透率变化，仍有待解决。本文基于大量煤岩气相(CO2)渗透率实验，将渗透率变化过程作为一个整体进行考虑，系统划分了我国煤岩气相渗透率变化类型，通过分析不同渗透率变化类型煤岩之间的物性和煤岩煤质差异，建立了渗透率变化类型的判别模式，为寻找有利的煤层气开发储层提供依据。

1样品及实验

煤岩样品取自三江—穆棱河含煤区(鹤岗、鸡西和勃利盆地及绥滨坳陷)、霍州盆地、鄂尔多斯盆地渭北煤田以及沁水盆地东南部的32个煤矿(表1)。实验之前，将煤岩样品制备成直径为2.5 cm的岩心柱，共计54个，在空气条件下进行干燥。本次渗透率实验采用CO2气体，围压恒定为5.0 MPa，出口压力为大气压，调节进口气体压力由4.0 MPa逐渐降至1.0 MPa，步长为0.5 MPa，共计8个压力点，在每个气体压力下测定气体流量。本次实验参数设计用于模拟煤层气体排采过程，实验仪器及流量测试方法参见文献[24]。对测试完渗透率的岩心进行粉碎、制样，在中国地质大学(北京)煤储层物性实验室进行煤岩显微组分、镜质组反射率以及工业分析等测试。

表1　恒定围压(5 MPa)条件下煤岩气相(CO2)渗透率变化类型

注：Ro,max为最大镜质组反射率；K0为初始进口压力(4.0 MPa)下的气相渗透率；η=(K0-K1)/K0，代表气相渗透率伤害率，其中K1为进口气体压力0.5 MPa时的气相渗透率；Pt为气体反弹压力。上标⊥为岩心柱垂直于层理方向； a为鹤岗盆地；b为沁水盆地；c为霍州盆地； d为鸡西盆地； e为勃利盆地； f为渭北煤田； g为绥滨坳陷。

2实验结果与讨论

2.1煤岩气相渗透率变化类型划分

实验结果显示，在气体压力降低过程中，CO2气体渗透率变化趋势具有多样性。为了将压降过程中渗透率变化趋势进行有效分类，采用了气体反弹压力和渗透率伤害率2个定量指标。①气体反弹压力，即在气体压力降低过程中煤岩气相渗透率开始反弹时对应的气体压力。由于测试压力点有限(8个)，反弹压力采用区间范围。因此，本文将渗透率反弹时对应的进口气体压力总结为0.5~1，1~1.5，1.5~2，2~2.5，>4 MPa。②渗透率伤害率，即枯竭压力时煤岩气相渗透率与初始气相渗透率之比值。本文枯竭压力为0.3 MPa(即进口气体压力0.5 MPa)，初始气体压力为2.05 MPa(进口气体压力为4.0 MPa)。在5 MPa围压条件下，54个煤岩心气相(CO2)渗透率伤害率范围为-20%~99%。

根据气体反弹压力和渗透率伤害率2个指标，将压降过程中煤岩气相渗透率变化分为下降型(类型Ⅰ)、反弹型(类型Ⅱ)和上升型(类型Ⅲ)3大类，其中类型Ⅱ可细分为3个小类(类型Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3)以及3个过渡类型(类型Ⅱ1-Ⅰ、Ⅱ2-Ⅰ和Ⅱ3-Ⅲ)，典型样品见图1。Ⅰ型煤岩气相渗透率随气体压力降低而逐渐降低，渗透率伤害率最大，范围为66%~99%(平均83%)，在测试范围内未出现反弹。Ⅱ型煤岩气相渗透率先降低后反弹升高：①Ⅱ1-Ⅰ和Ⅱ1型煤岩的气体反弹压力为0.5~1 MPa，该2种类型煤岩渗透率伤害率较高，前者为48%~71%(平均59%)，后者为17%~50%(平均35%)；②Ⅱ2-Ⅰ和Ⅱ2型煤岩的反弹压力主要为1~1.5MPa，Ⅱ2-Ⅰ型仅出现于1个煤岩心，渗透率伤害率为46%；Ⅱ2型煤岩渗透率伤害率较低，为1%~35%(平均18%)；③Ⅱ3和Ⅱ3-Ⅲ型煤岩的反弹压力较高，在1~1.5,1.5~2，2~2.5 MPa范围均有出现，两者渗透率伤害率均小于0，分别为-1%~-18%和-26%。Ⅲ型煤岩的气体反弹压力最高，大于4 MPa，渗透率伤害率最小，为-34%。由下降型→反弹型→上升型，煤岩的气体反弹压力逐渐升高，但渗透率伤害率逐渐降低(图2)。

图1　5 MPa围压条件下煤岩气相(CO2)渗透率变化类型

从渗透率变化类型对煤层气排采的影响而言，上升型好于反弹型，后者又好于下降型，而且气体反弹压力越高、渗透率伤害率越低，对煤层气排采越有利。因此，煤岩渗透率变化类型由好至差依次为：Ⅲ型(出现频率1.85%)、Ⅱ3-Ⅲ型(1.85%)、Ⅱ3型(3.7%)、Ⅱ2型(18.5%)、Ⅱ2-Ⅰ型(1.9%)、Ⅱ1型(29.6%)、Ⅱ1-Ⅰ型(18.5%)和Ⅰ型(24.1%)。其中，Ⅱ3、Ⅱ3-Ⅲ和Ⅲ型煤岩的气体反弹压力较高，渗透率伤害率较低，为有利的渗透率变化类型，也是煤层气开发首选储层类型，但出现频率较低，仅为7.4%；Ⅱ2和Ⅱ2-Ⅰ型煤岩的气体反弹压力较高，渗透率伤害率中等，为较有利的渗透率变化类型，出现频率为20.4%，该类型煤岩可重点考虑；Ⅱ1、Ⅱ1-Ⅰ和Ⅰ型煤岩的气体反弹压力较低，渗透率伤害率较高，属于不利的渗透率变化类型，该类型出现频率较高，达72.2%。由实验结果可初步判断，我国煤储层多表现为不利的渗透率变化类型。

图2　不同变化类型煤岩的渗透率伤害率

2.2不同渗透率变化类型煤岩的差异性

2.2.1煤变质程度

本文测试的煤岩最大镜质组反射率(Ro,max)范围为0.707%~3.318%(图3)，煤类覆盖气煤至无烟煤。对于3种不利的渗透率变化类型，Ro,max大于和小于1.5%的煤岩均有存在，其中Ⅰ型煤主要出现于0.799%~1.060%(肥气煤—肥煤)和2.353%~3.290%(贫煤—无烟煤)范围内；Ⅱ1-Ⅰ型煤主要出现于0.707%~1.089%(气煤—肥煤)之间，在2.550%~2.915%(无烟煤)之间也有出现；Ⅱ1型煤多出现于0.747%~1.173%(气煤—肥煤)，1.899%~2.057%(贫煤)和2.738%~3.318%(无烟煤)3个范围内。对于3种有利的渗透率变化类型以及较有利的渗透率变化类型Ⅱ2，主要出现于Ro,max大于1.5%的煤中，其中Ⅱ2型煤的镜质组反射率范围为1.481%~3.054%(焦煤—无烟煤)。

图3　不同变化类型煤岩的变质程度

类型镜质组含量/%惰质组含量/%壳质组含量/%矿物质含量/%水分含量(空气干燥基)/%灰分产率(干燥基)/%固定碳含量(干燥无灰基)/%I68.2~95.081.10.6~16.57.40.0~13.33.12.1~15.58.60.58~1.811.093.78~31.4813.3766.24~89.5279.32Ⅱ1-Ⅰ61.5~91.773.10.2~28.315.30.0~10.62.32.6~33.79.30.65~1.451.084.38~34.0214.1265.78~91.5275.94Ⅱ169.2~95.487.10.0~17.94.80.0~4.30.82.8~15.47.30.55~2.421.367.55~30.2317.6855.28~90.3980.10Ⅱ2-Ⅰ*85.15.60.09.30.9317.6871.29Ⅱ267.5~90.784.10.6~8.14.10.05.6~30.311.80.33~2.070.8411.08~52.3821.6055.45~89.8281.04Ⅱ3*78.4~93.04.1~4.30.02.7~17.50.6~1.444.18~25.9168.01~89.85Ⅱ3-Ⅲ*87.40.80.011.60.6117.8887.47Ⅲ*83.36.20.010.60.3819.7480.23

注：*表示数据点较少。分式表示最小值～最大值/平均值。

2.2.2煤岩物质组成

8种渗透率变化类型煤岩的有机显微组分均以镜质组分为主(占60%以上)，其次为惰质组分，壳质组含量最低(表2)。壳质组含量主要出现于3种不利的渗透率变化类型煤岩中，且Ⅰ型煤>Ⅱ1-Ⅰ型煤>Ⅱ1型煤。Ⅱ1型煤镜质组含量占绝对优势(平均87.1%)，惰质组、壳质组和矿物含量则相对较低。Ⅱ1-Ⅰ型煤的镜质组含量最低(平均73.1%)，而惰质组含量最高(平均15.3%)。总体而言，不同渗透率变化类型煤岩之间的显微组分差异性不显著。

从煤质角度而言，由于同一渗透率变化类型煤岩往往覆盖多种煤类，因此各种变化类型煤岩的固定碳含量、水分含量和灰分产率分布范围均较宽。总体上，固定碳含量在50%以上，水分含量在1%左右。与3种有利变化类型和较有利变化类型(Ⅱ2)煤岩相比，3种不利变化类型的煤岩固定碳含量和灰分产率略低，而水分含量略高。其中，Ⅰ型煤岩特低灰—高灰均有出现；Ⅱ1-Ⅰ型煤岩以特低灰和中灰为主；Ⅱ1型煤岩以低灰—中灰为主；Ⅱ2型煤岩以中灰为主；3种有利变化类型的煤岩以中灰为主。

2.2.3煤岩初始渗透率

实验条件下的煤岩初始渗透率代表了煤层气井产气阶段开始时对应的煤储层初始渗透率。但实验结果显示，煤岩气相渗透率变化类型与初始渗透率之间相关性不明显，即在相同初始渗透率条件下，可能出现多种渗透率变化类型(图4)。Ⅰ型煤岩初始渗透率在7.3×10-8~3.4×10-5μm2之间；Ⅱ1-Ⅰ型煤岩初始渗透率主要分布于2.5×10-7~1.3×10-3μm2之间；Ⅱ1型煤岩主要集中在1.7×10-6~5.0×10-5μm2之间，少量达10-4~-10-3μm2和10-8~10-7μm2级别；Ⅱ2型煤岩初始渗透率主要为7.5×10-6~1.5×10-4μm2，少量达10-8μm2级别。其他类型煤岩样品出现频率较低，初步估计Ⅱ3型煤岩初始渗透率接近或小于10-7μm2级别；Ⅱ3-Ⅲ和Ⅲ型煤岩初始渗透率位于10-5~10-4μm2级别。

图4　不同变化类型煤岩的初始渗透率

2.3煤岩气相渗透率变化类型判别模式

通过上述分析可以看出，煤变质程度、初始渗透率、显微组分和煤质等指标对于识别渗透率变化类型具有一定指示意义，但每个指标都不能明确划分出渗透率变化类型。因此，需要综合考虑多项指标以识别渗透率变化类型。研究已经显示[9-11]：煤岩气相(CO2)渗透率变化受气体滑脱、基质收缩和有效应力三大地质效应的综合影响，气体滑脱主要在低压下引起渗透率明显增加，通常称之为正效应；有效应力的增加引起渗透率降低，通常称之为负效应；基质收缩作用较为复杂，随煤变质程度升高，基质收缩引起的渗透率增加则逐渐显著，正效应逐渐明显。对于本次研究，在围压保持不变、CO2气体压力降低过程中，有效应力和基质收缩效应导致煤岩骨架变形，引起煤岩气相渗透率变化[11]。煤岩骨架变形特征与煤岩显微组分、煤质密切相关[25]，因此本文提取了惰镜比(惰质组含量/镜质组含量)和固灰比(固定碳含量/灰分产率)2个反映煤岩变形的指标。另外，三大效应均与煤岩孔渗性相关，随煤岩渗透性增加，有效应力负效应影响减弱；基质收缩正效应引起的渗透率增量变大；气体滑脱正效应影响减小。因此，在绘制交会图时应充分考虑煤岩孔渗性参数。由上述可见煤岩气相渗透率变化的复杂性，单因素难以有效识别渗透率变化类型。在本次研究过程中绘制了最大镜质组反射率—初始渗透率、惰镜比—初始渗透率、固灰比—初始渗透率和惰镜比—固灰比交会图(图5)，根据不同煤岩之间的变形及渗透性差异，划分出渗透率变化类型，从而建立渗透率变化类型判别模式。

2.3.1煤变质程度与初始渗透率判别模式

煤变质程度影响煤的物质组成和孔—裂隙系统[26]，通过交会煤岩初始渗透率，可以在一定程度上判别煤岩渗透率变化类型。随最大镜质组反射率增加，煤岩初始渗透率逐渐降低，但对不同渗透率变化类型煤的影响程度表现出差异性(图5a)。当Ro,max小于1.5%时，随Ro,max增大，3种不利的渗透率变化类型煤岩初始渗透率逐渐降低，降低程度由高至低依次为Ⅱ1-Ⅰ型、Ⅰ型和Ⅱ1型；当Ro,max大于1.5%时，3种不利的渗透率变化类型煤岩初始渗透率缓慢降低，而对于较有利的渗透率变化类型(Ⅱ2)煤岩，其初始渗透率随Ro,max增大而显著降低。另外，在交会图上3种有利渗透率变化类型(Ⅱ3、Ⅱ3-Ⅲ和Ⅲ)煤的出现频率较低，因此未显示出明显规律。

2.3.2煤岩显微组分与初始渗透率判别模式

渗透率变化类型在惰镜比—初始渗透率交会图(图5b)上亦表现出一定规律性。在类型上接近的煤岩，其具有的储层物性和煤岩学特征也相近，因此在交会图上显示出相邻分布的特征，如作为Ⅱ1型和Ⅰ型煤的过渡类型，Ⅱ1-Ⅰ型煤出现于Ⅱ1型和Ⅰ型煤分布区周围，主要位于右上部(具有较大惰镜比和初始渗透率)，少量分布于左下角(具有较小惰镜比和初始渗透率)。Ⅱ1型煤分布范围相邻于Ⅰ型煤，两者有一定重叠，整体上前者渗透率(大于10-5μm2)较后者(小于10-5μm2)高。较有利的渗透率变化类型Ⅱ2型煤分布范围主要出现于Ⅱ1型煤范围内部，且具有较小的惰镜比(<0.1)。根据这一规律，推测3种有利的渗透率变化类型Ⅱ3、Ⅱ3-Ⅲ和Ⅲ型煤可能出现于Ⅱ2型煤范围附近，图5c和图5d亦表现出类似特征。

2.3.3煤质与初始渗透率判别模式

在固灰比—初始渗透率交会图(图5c)上，Ⅰ型煤分布成片出现，于其上下两侧附近出现Ⅱ1-Ⅰ型和Ⅱ1型煤。在Ⅰ型煤上侧，Ⅱ1型煤分布范围相邻于Ⅱ1-Ⅰ型煤，且集中出现于后者分布范围之内，具有较小的固灰比(<7.5)；Ⅱ2型煤相邻Ⅱ1型煤，但两者重叠部分较多，难以进行区分。

图5　煤岩气相(CO2)渗透率变化类型判别模式

2.3.4煤岩显微组分与煤质判别模式

不同煤岩显微组分具有不同的孔—裂隙特征，反映了煤岩孔渗性差异，与煤质参数交会，必然在渗透率变化类型上有所反映。在固灰比—惰镜比交会图(图5d)上，从Ⅱ2-Ⅰ型煤→Ⅰ型煤→Ⅱ1型煤→Ⅱ2型煤，分布范围逐渐由惰镜比和固灰比高值区向低值区偏移。较有利的渗透率变化类型Ⅱ2型煤分布于Ⅱ1型煤范围附近，整体上具有较小的惰镜比和固灰比。有利的渗透率变化类型主要分布于Ⅱ2型范围附近。

综上所述，在对煤储层有利和较有利渗透率变化类型进行预测时，可参考不利渗透率变化类型分布范围。同时，需要采用多种判别模式图进行综合确定。

3结论

(1)我国煤岩气相(CO2)渗透率变化主要表现为下降型(Ⅰ)、反弹型(Ⅱ)和上升型(Ⅲ)3大类，其中类型Ⅱ可细分为3个小类(Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3)以及3个过渡类型(Ⅱ1-Ⅰ、Ⅱ2-Ⅰ和Ⅱ3-Ⅲ)。有利的渗透率变化类型(Ⅱ3、Ⅱ3-Ⅲ和Ⅲ)占7.4%；较有利的渗透率变化类型(Ⅱ2-Ⅰ和Ⅱ2)占20.4%；不利的渗透率变化类型(Ⅱ1、Ⅱ1-Ⅰ和Ⅰ)达72.2%。

(2)煤变质程度、初始渗透率、显微组分和煤质等指标对于识别渗透率变化类型具有一定指示意义。通过绘制最大镜质组反射率—初始渗透率、惰镜比—初始渗透率、固灰比—初始渗透率和惰镜比—固灰比交会图，可有效识别煤岩气相渗透率变化类型。

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(编辑韩彧)

Change types of coal permeability to gas and its identification pattern

Li Junqian, Lu Shuangfang, Xue Haitao, Wang Weiming, Zhang Pengfei

(UnconventionalOil&GasandRenewableEnergyResearchInstitute,ChinaUniversityofPetroleum,

Qingdao,Shandong266580,China)

Abstract:Coal shows a variety of permeabilities to gas flow. Coal samples of different ranks were collected from 32 mines in China, and were prepared into 54 cylindrical cores to investigate coal permeability to gas (CO2) flow. The results were classified based on rebound pressure and permeability damage rate. Furthermore, apattern of change types was established. These included “declining type”, “rebounding type” and “increasing type”, which could be further sub-divided into 8 types. The permeability change types can be identified from cross-plots of “maximum vitrinite reflectance-initial permeability”, “ratio of inertinite content to vitrinite content-initial permeability”, “ratio of fixed carbon content to ash yield-initial permeability” and “ratio of inertinite content to vitrinite content-ratio of fixed carbon content to ash yield”.

Key words:permeability to gas; rebounding pressure; permeability damage rate; coal; coalbed methane

基金项目：国家科技重大专项(2011ZX05034-001, 2011ZX05062-006)和山东省自然科学基金(ZR2014DP007)联合资助。

作者简介：李俊乾(1987—)，男，博士，讲师，从事非常规油气储层研究。E-mail:lijunqian1987@126.com。

收稿日期：2014-09-13；

修订日期：2015-09-10。

中图分类号：TE132.2

文献标志码：A

文章编号：1001-6112(2015)06-0802-07doi：10.11781/sysydz201506802