劉大錳，賈奇鋒，蔡益棟

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

中國埋深2 000 m以淺煤層氣地質(zhì)資源量為30×1012m3，可采資源量為12.5×1012m3，具有現(xiàn)實可開發(fā)價值有利區(qū)的可采資源量為4×1012m3，其中高、中、低煤階煤層氣資源占比基本相近，主要分布在沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東緣、滇東黔西川南和準(zhǔn)噶爾盆地南部[1-3]。煤層氣儲層(簡稱煤儲層)作為源巖和存儲載體，包含了多尺度孔-裂隙、較大比表面積及流體傳導(dǎo)介質(zhì)等特殊性質(zhì)，影響煤層氣有效產(chǎn)出[4]。國內(nèi)外學(xué)者系統(tǒng)研究了煤儲層孔-裂隙系統(tǒng)的空間特征、結(jié)構(gòu)分類及其配置關(guān)系，認(rèn)為顯微裂隙是溝通孔隙與宏觀裂隙的橋梁，孔-裂隙發(fā)育程度直接影響滲透性、應(yīng)力響應(yīng)及煤層氣可采性[5-8]。煤儲層滲透性是表征煤層氣產(chǎn)能的關(guān)鍵參數(shù)[9]，其受地應(yīng)力影響，一般與有效應(yīng)力、應(yīng)力差存在指數(shù)關(guān)系[10-13]。我國煤儲層普遍具有低孔、低滲、強非均質(zhì)等特點，儲層微觀和宏觀煤巖組成及本構(gòu)關(guān)系差異顯著，儲集性、可采性及開發(fā)技術(shù)選擇與其煤巖學(xué)特征密切相關(guān)[14-16]。煤儲層地質(zhì)學(xué)研究取得了豐碩成果，然而缺乏系統(tǒng)的研究總結(jié)。因此，筆者基于大量文獻(xiàn)分析與研究實踐，總結(jié)了我國煤層氣儲層研究領(lǐng)域的主要進(jìn)展，指出前緣研究方向，以期為完善煤層氣儲層地質(zhì)理論體系提供借鑒。

1 煤儲層地質(zhì)學(xué)概述

煤儲層地質(zhì)學(xué)是應(yīng)用地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)理論方法結(jié)合勘探開發(fā)資料，研究和解釋煤層氣儲集地質(zhì)體的物質(zhì)組成、成因、演化與分布、空間展布規(guī)律，描述與表征儲層幾何特征與成藏機制的一門應(yīng)用地質(zhì)學(xué)科。煤儲層地質(zhì)學(xué)經(jīng)歷了30余年的理論與實踐探索，在煤儲層表征及其非均質(zhì)性控制機制、滲透性影響因素及增滲改造技術(shù)、煤儲層巖石學(xué)、巖石物理學(xué)及巖石力學(xué)、煤層氣儲集及產(chǎn)出機理等方面取得了豐碩研究成果。

1.1 研究意義

煤儲層地質(zhì)學(xué)研究直接服務(wù)于煤層氣勘探開發(fā)。在勘探開發(fā)前期，需要研究儲層性質(zhì)、成因類型、沉積環(huán)境、構(gòu)造作用、含氣性、應(yīng)力特征、物性特征、幾何形態(tài)、儲集體分布規(guī)律及有利儲層“甜點區(qū)”的預(yù)測等，都屬于煤儲層地質(zhì)學(xué)的重要研究內(nèi)容。在儲層分級評價中，探明煤層氣資源量、預(yù)測可采儲量、建立儲層模型及儲層表征等工作都是建立在煤儲層地質(zhì)研究基礎(chǔ)之上的。在開發(fā)階段，井網(wǎng)布置方式、井型及井間距選擇、鉆井及壓裂方式、排采制度、儲層改造及保護(hù)、儲層敏感性、開發(fā)過程剩余氣源分析、井間干擾評價、井網(wǎng)調(diào)整及優(yōu)化、采出率提高優(yōu)化方案等，都要求對儲層地質(zhì)進(jìn)行綜合研究。煤儲層地質(zhì)學(xué)發(fā)展需要其他學(xué)科的協(xié)同配合，包括巖石力學(xué)、沉積巖石學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、古生物和古生態(tài)學(xué)、有機地球化學(xué)、層序地層學(xué)、地球物理學(xué)、滲流力學(xué)、鉆井工程及采氣工程等。同時，它的發(fā)展又促進(jìn)了上述學(xué)科的發(fā)展。煤儲層地質(zhì)學(xué)研究在一定程度上解釋了煤層氣賦存和產(chǎn)出機理、運移機制及不同類型儲層特征差異的形成原因，為煤層氣資源合理高效開發(fā)提供了最基本的信息，使得“趨利避害”式的開采逐步代替了“粗放”式的經(jīng)驗開采。

1.2 儲層理論應(yīng)用

“儲層表征”一詞源于1985年美國能源部所做的年度報告[16]，是指應(yīng)用多學(xué)科理論實踐知識定量確定儲層性質(zhì)、識別地質(zhì)信息及描述空間非均質(zhì)性變化的過程，可為儲層特征及其演化、油氣運移成藏分析提供依據(jù)。與常規(guī)儲層相比，非常規(guī)儲層具有孔喉尺寸小、孔隙結(jié)構(gòu)與組構(gòu)關(guān)系復(fù)雜、連通性差、充填情況雜亂等問題，由此對表征技術(shù)的精確度、分辨率及綜合性提出了更高的要求。同時，開展跨尺度的儲層表征是研究煤層氣賦存、解吸-擴(kuò)散、滲流能力和富集機理的基礎(chǔ)，也是煤儲層從宏觀表征向微觀表征逐步發(fā)展的橋梁架構(gòu)。隨著多學(xué)科交叉研究的發(fā)展，儲層表征技術(shù)的精度得到了很大的提高。在分辨率方面，通過原子力顯微鏡、透射電鏡可觀察到孔徑為0.1 nm的孔隙，孤立孔也可用X射線小角散射法測出[6]；在孔隙成因方面，利用聚焦離子束掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡觀察孔隙大小、形狀及與某種特殊組構(gòu)的相對位置來確定成因類型[12]。

1.2.2 儲層滲透性

儲層滲透性決定著煤層氣的運移和產(chǎn)出，其優(yōu)劣程度上體現(xiàn)了儲層孔-裂隙發(fā)育特征、張開度及連通性。滲透率包括基質(zhì)滲透率(即煤基質(zhì)孔隙傳導(dǎo)流體的能力，一般通過考慮煤基質(zhì)變形、滑脫和自由分子流動效應(yīng)，結(jié)合毛細(xì)管模型和表觀滲透率公式來獲取相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型)和裂隙滲透率(即裂隙允許流體通過的能力，可根據(jù)裂隙分形理論、火柴棍模型、裂隙滲透特性和壓縮系數(shù)來綜合表征)[2,7,9]，基質(zhì)滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂隙滲透率，目前儲層改造一般改變的是裂隙滲透率。滲透率獲取方法主要包括試井、巖心分析、地震屬性、測井技術(shù)等。其中，試井方法獲取的滲透率與現(xiàn)場較為接近。巖心分析局限于室內(nèi)滲透率測試，采制樣時原生裂隙難免會損傷，測試結(jié)果常與實際有相差[17-21]。地震屬性類似于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式的滲透率預(yù)測，其優(yōu)選條件屬性、容錯能力、推廣能力等人為影響較大，適合勘探開發(fā)初期宏觀范圍獲取儲層滲透率[18]。測井技術(shù)利用聲波時差、補償密度、深/淺側(cè)向電阻率等典型測井參數(shù)構(gòu)建滲透率數(shù)學(xué)模型，對于非均質(zhì)性較強的儲層結(jié)果會不具有代表性。

1.2.3 儲層有機巖石學(xué)

儲層有機巖石學(xué)以有機巖的理論方法來研究煤的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)性質(zhì)和儲滲效應(yīng)，主要研究內(nèi)容包括有機顯微組分、烴源巖、煤巖類型、煤化作用和煤相等，均與煤儲層廣泛關(guān)聯(lián)，一方面注重于有機巖石學(xué)內(nèi)容的識別、命名、定義及研究方法的創(chuàng)新發(fā)展，另一方面關(guān)注利用有機巖石學(xué)的基礎(chǔ)理論和方法來指導(dǎo)與煤層相關(guān)的礦產(chǎn)資源開采利用。

煤的顯微組成特征控制了微裂隙的發(fā)育規(guī)律，顯微組分在橫向和垂向上的差異分布導(dǎo)致微裂隙發(fā)育呈現(xiàn)各向非均質(zhì)性，煤巖類型的光澤越強，微裂隙越發(fā)育，微鏡煤含量與微裂隙發(fā)育具有明顯的正相關(guān)關(guān)系[19]。煤的不同顯微組分吸附能力差異較大，表現(xiàn)為鏡質(zhì)組>惰質(zhì)組>殼質(zhì)組。當(dāng)煤中惰質(zhì)組含量較高而鏡質(zhì)組含量較低時，惰質(zhì)組對孔隙度起主導(dǎo)控制作用。煤巖組分主導(dǎo)了儲層滲透率和孔隙度分布不均勻性，其受控于煤相，煤相通過對植物類型、保存條件、水流類型及覆水深度頻繁變遷的反映主導(dǎo)了煤巖組分，并影響了裂隙發(fā)育程度及滲透性，導(dǎo)致儲層強非均質(zhì)性的形成[13]。此外，煤的微裂隙發(fā)育具有明顯的組分選擇性，煤階相似情況下，裂隙密度隨鏡質(zhì)組含量的降低逐漸減少(由光亮型煤-半亮型煤-半暗型煤-暗淡型煤逐漸降低)。同時，以碎屑惰質(zhì)體、碎屑鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體和粗粒體為主的單元組分不均一，且孔-裂隙發(fā)育，形成較大的氣體賦存空間[14]。

2 煤儲層地質(zhì)研究進(jìn)展

煤儲層地質(zhì)學(xué)研究從宏觀向微觀、定性向定量、單學(xué)科到多學(xué)科協(xié)同發(fā)展，各種模擬方法和精密儀器的涌現(xiàn)使儲層地質(zhì)學(xué)的研究進(jìn)一步精細(xì)化，并不斷豐富和深化了其理論內(nèi)涵。

2.1 煤儲層物性特征

2.1.1 煤儲層孔-裂隙結(jié)構(gòu)

實驗結(jié)果數(shù)據(jù)以±s表示，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，多樣本均數(shù)間比較采用單因素方差分析（one-way ANOVA），組間兩兩比較采用LSD法。以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

根據(jù)研究目的差異，孔-裂隙分類存在顯著差別。高階煤孔隙自然分類方案以15、50、400 nm為界，劃分為微孔、過渡孔、中孔、大孔[22]。結(jié)合煤層甲烷擴(kuò)散與滲流特征，可將煤孔隙劃分為擴(kuò)散孔隙(<65 nm)和滲流孔隙(>65 nm)，擴(kuò)散孔隙進(jìn)一步劃分為微孔(<8 nm)、過渡孔(8～20 nm)、小孔(20～65 nm)，滲流孔隙劃分為中孔(65～325 nm)、過渡孔(325～1 000 nm)和大孔(>1 000 nm)[5]。對于特殊類型的構(gòu)造煤，其孔徑結(jié)構(gòu)又可分為極微孔(<2.5 nm)、亞微孔(2.5～5 nm)、微孔(5～15 nm)、過渡孔(15～100 nm)，隨著構(gòu)造變形程度的增強，煤中極微孔、亞微孔、微孔的孔容明顯增多，過渡孔孔容減少[23]?；陲@微裂隙發(fā)育統(tǒng)計，將煤中微裂隙劃分為4種類型[8]。其中，A型裂隙延展性強，連續(xù)性好；B型裂隙與樹枝狀的主干部分相似；C型裂隙延展性較強，連續(xù)性一般；D型裂隙連通性較差，方向局限。耦合Hodot[24]和IUPAC[25]分類法，煤中孔-裂隙劃分為超微孔(<2 nm)、微孔(2～10 nm)、中孔(10～102nm)、大孔(102～103nm)、超大孔(103～104nm)、微裂隙(>104nm)[17]。我國煤儲層普遍具有低孔、低滲和高非均質(zhì)等特點，儲層微觀與宏觀裂隙發(fā)育及本構(gòu)關(guān)系差異顯著，因而暫未形成普適性的分類方案。

2.1.2 煤儲層滲透率

煤層氣開發(fā)過程中，隨著煤儲層水和氣的排出，流體與煤巖體相互作用，滲透率呈現(xiàn)動態(tài)變化。滲透率受地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造史及其伴隨的流體活動史、宏/微觀割理/裂隙的張開程度、充填情況等影響，其中地應(yīng)力對煤儲層滲透性具有重要的控制作用，古構(gòu)造應(yīng)力與煤化作用共同控制天然裂隙的發(fā)育程度及分布情況，現(xiàn)今地應(yīng)力對儲層前期形成的構(gòu)造形態(tài)起改造作用，控制著割理/裂隙的開度及充填情況，以此影響煤儲層滲透性。在相同注氣壓力條件下，隨著有效應(yīng)力的增加，滲透率一般呈負(fù)指數(shù)型減?。辉诨|(zhì)收縮/膨脹單因素作用下，中、高階煤滲透率變化趨勢均符合等溫吸附曲線形式；在煤中甲烷吸附應(yīng)變過程中，中、高階煤的滲透率一般隨著吸附平衡壓力的升高呈負(fù)指數(shù)函數(shù)變化，且吸附應(yīng)變對中階煤的影響低于高階煤[2,21-22]。排采階段，隨著流體介質(zhì)的產(chǎn)出，有效應(yīng)力增加會導(dǎo)致滲透率下降，而基質(zhì)收縮效應(yīng)又反過來增加滲透率，2種效應(yīng)共同存在使得滲透率的動態(tài)變化變得更為復(fù)雜[9,15,18]?；趦拥刭|(zhì)參數(shù)對內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)、力學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì)、能量系統(tǒng)耦合作用的影響，借助損傷力學(xué)與能量平衡轉(zhuǎn)化理論，可構(gòu)建排采過程中滲透率變化數(shù)學(xué)模型(式(1))，為排采現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)[26-27]。耦合試驗分析與數(shù)值模擬，在熱沖擊、熱-冷沖擊后煤樣原有裂隙變寬且內(nèi)部產(chǎn)生新的裂隙，導(dǎo)致滲透率增加，且熱-冷沖擊比單獨的熱沖擊作用效果更明顯，而在體積應(yīng)力和孔隙壓力不變的情況下，低階煤的滲透率隨溫度的升高呈減小-增大-再減小的變化趨勢[4,10,24]。隨著μ/Nano-CT、聚焦離子束掃描電鏡及圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，考慮邊界條件，以數(shù)字巖心為基礎(chǔ)，利用Comsol、Avizo及Eclipse等模擬軟件定量表征滲透率成為了常態(tài)，并實現(xiàn)了孔隙尺度的滲流模擬與動態(tài)滲透率變化的可視化提取[2,10,23]。此外，根據(jù)不同類型煤的三維數(shù)字巖心模型，應(yīng)用玻爾茲曼方法模擬甲烷在煤儲層中的滲流行為，可以獲得流體在X、Y、Z三個方向上的速度分布圖，以此定量表征煤儲層滲透率微米尺度的張量變化。儲層滲透性研究涉及非均質(zhì)、各向異性、三重孔-裂隙介質(zhì)和多相流等方面，隨著非常規(guī)天然氣行業(yè)的發(fā)展，多相介質(zhì)煤巖體彈性參數(shù)、強度參數(shù)、超聲波參數(shù)及電阻率等與滲透率之間的內(nèi)在聯(lián)系也開始被逐漸揭示。

總之，滲透率的研究經(jīng)歷了表觀現(xiàn)象與經(jīng)驗推測定性分析、多種理化效應(yīng)與各因素作用定量評價、數(shù)學(xué)模型與數(shù)值分析等多種模擬手段相結(jié)合定量表征、儲層微米尺度動態(tài)滲透率精細(xì)化分析4個階段，得出了具有應(yīng)用價值的認(rèn)識和規(guī)律。

(1)

式中：K為煤儲層滲透率，10-15μm；φ0為孔隙度；Vp為孔-裂隙體積，m3/t；k′為孔-裂隙結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)；As為基質(zhì)表面積，m3/t；ri為孔半徑，m；εp為孔隙的變形；l為煤體邊界尺寸，m；εc為煤體的變形。

2.2 儲層跨尺度非均質(zhì)性

煤儲層非均質(zhì)性直接影響煤層氣的成藏與開采，系統(tǒng)地定量評價儲層非均質(zhì)性對于煤層氣勘探選區(qū)和有效開發(fā)具有重要意義。儲層非均質(zhì)性主要體現(xiàn)在平面、層內(nèi)和層間等方面，并受控于構(gòu)造演化、沉積環(huán)境、巖漿活動、變質(zhì)作用及其相互的耦合作用。一般向斜軸部位置容易形成煤層增厚區(qū)，且軸部中和面以下容易形成儲層高壓區(qū)，且具有較好的封閉條件，利于煤層氣富集成藏；背斜軸部對煤層氣含氣量的影響受中和面影響較大，中和面以下部位相對容易形成高含氣區(qū)，而中和面以上部位由于存在大量拉張裂隙，只有在頂?shù)装迳w層封閉性較好的條件下才能抑制煤層氣大量逸散[10]。沉積環(huán)境對煤儲層非均質(zhì)性的影響主要體現(xiàn)在孔-裂隙發(fā)育、煤厚、頂?shù)装寮懊褐械V物質(zhì)含量等方面，由于不同區(qū)域湖平面變化、基底沉降差異及物源碎屑供應(yīng)產(chǎn)生的可容空間變化導(dǎo)致有利聚煤帶和聚煤中心在不同演化階段存在較大差異，從而致使儲層橫向和縱向上形成不同的富煤或富氣區(qū)。我國煤儲層含氣性的非均質(zhì)性通常表現(xiàn)為“縱向頂?shù)撞枯^弱而中部較強、平面斷層區(qū)非均質(zhì)性強及構(gòu)造簡單區(qū)域非均質(zhì)性弱”等特點[28-29]；煤儲層裂隙非均質(zhì)性一般表現(xiàn)為“斷層發(fā)育帶分形維數(shù)、參差系數(shù)普遍較大，非均質(zhì)性強”等特點；煤儲層滲透率非均質(zhì)性普遍表現(xiàn)為“變質(zhì)程度控制垂向滲透性，中部較底部內(nèi)生裂隙發(fā)育，滲透率分層現(xiàn)象嚴(yán)重，非均質(zhì)性顯著” 等特點[26]。此外，巨厚煤層的非均質(zhì)性更為強烈，一般層內(nèi)孔隙度相差較大，滲透率和比表面積可能相差兩個數(shù)量級以上，實際研究中可對巨厚煤層進(jìn)行旋回性劃分，進(jìn)而分析其非均質(zhì)性。

2.3 煤儲層流體地質(zhì)

2.3.1 煤儲層地球物理表征

對巖石物理、地震預(yù)測、測井解釋3個方面內(nèi)容的深入研究，使得地球物理方法可以在儲層精細(xì)表征方面發(fā)揮重要作用[11,16,20]。利用疊前或疊后地震勘探數(shù)據(jù)中的振幅、時間、衰減程度、頻率、橫/縱波速度、泊松比等基本信息，經(jīng)過數(shù)學(xué)變換得到震波測井預(yù)測的動力學(xué)、幾何學(xué)模型，以此提供煤層氣儲層的相關(guān)信息。地震勘探預(yù)測對裂縫、孔滲、非均質(zhì)性、含氣量等方面的識別存在一定的主觀性，為此曲率屬性被引入以表征儲層特性，從而建立一種地震曲率屬性與煤體結(jié)構(gòu)量化、儲層展布特征預(yù)測的新方法[18]。此外，深、淺側(cè)向電阻率對儲層孔-裂隙、滲透率較為敏感，高角度裂隙、低滲儲層常表現(xiàn)為“正異?！?，反之為“負(fù)異常”；微球聚焦測井曲線在孔-裂隙發(fā)育段偏離深、淺側(cè)向電阻率[21,30]。含鉀的硅酸鹽礦物容易被風(fēng)化分解，難溶于水的則以機械分異遷移為主，容易在有利條件下形成有機絡(luò)合物，而+6價的鈾鹽容易以鈾酰離子的形式隨排采水運移，因而也常用鉀(40K)、鈾(238U)、釷(282Th)3種不穩(wěn)定同位素進(jìn)行放射性測井判識[30]。正常情況下，殘留的釷元素和富鉀的黏土礦物容易在裂隙相對較大處富集，表現(xiàn)為較高的自然伽馬值，可以通過元素差量計算識別儲層特征。

2.3.2 流體-地質(zhì)響應(yīng)

流體活動影響煤儲層中的物質(zhì)演變和能量分配，貫穿于整個成煤作用(包括沉積、變質(zhì)、巖漿與構(gòu)造活動等)過程，其對整個系統(tǒng)的貢獻(xiàn)主要是通過流體之間以及流體和煤巖之間的理化反應(yīng)來實現(xiàn)。儲層條件下，煤層氣運聚動力分為2類，一類是在氣體濃度差作用下的擴(kuò)散-滲流機制，另一類是壓差或勢差作用下的水動力-浮力機制。實際上，在煤層氣聚集過程中，2類動力學(xué)機制往往同時發(fā)生，并隨地質(zhì)條件的變化相互轉(zhuǎn)換共同作用。流體總是從高勢區(qū)向低勢區(qū)運動，儲層流體流動的基本原則是降低其能量。影響儲層流體流動的因素主要包括構(gòu)造應(yīng)力、沉積壓實、重力、溫差及浮力等[14]。構(gòu)造擠壓應(yīng)力主要通過骨架巖石的變形改變含水層與隔水層，并影響到流體滲流網(wǎng)絡(luò)的輸導(dǎo)能力；沉積壓實主要影響孔-裂隙空間及喉道，沉積物沉降速度(沉積物在合外力作用下單位時間內(nèi)移動的距離)過快容易形成異常高壓帶，不利于儲層流體流動；流體在三維空間中所處的溫度不同，溫差效應(yīng)常會引起流體發(fā)生瑞利(存在于沒有任何低滲夾層的較厚、均勻、多孔煤層中)和非瑞利(存在于具有非水平等溫線的傾斜煤層中)對流驅(qū)動，一般淺部低溫、密度較大的流體會向下運動，而深部高溫、密度較小的流體會向上運動；非對流性浮力(處于非對流環(huán)境中的物體受到流體豎直向上托起的作用力，具有一定的連續(xù)性和穩(wěn)定性)驅(qū)動流動是埋深3 000 m以內(nèi)烴類二次運移的重要機制，沉積盆地中浮力是由溫度-鹽度耦合控制的流體密度梯度產(chǎn)生的，而溫度和鹽度常隨深度增加[28,31]。我國部分煤儲層形成過程經(jīng)歷了多階段與多熱源疊加變質(zhì)作用，煤變質(zhì)作用通過影響煤的生氣量和對氣體的吸附能力來影響煤儲層含氣量，通過改變孔-裂隙系統(tǒng)、煤質(zhì)、煤級等影響煤層氣的生成、富集成藏和開采。地下巖漿侵入到煤系及其附近地層的過程中，除了本身帶來的大量熱量和巖漿熱液外，還可以使圍巖變質(zhì)及改變地下水循環(huán)，形成“變質(zhì)熱液”和“地下熱鹵水”等[29]，促使煤的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，大量揮發(fā)分排出，熱變氣孔迅速增加，并生成大量熱成因氣，造成煤層氣運移和局部富集，引起煤儲層層間、平面和層內(nèi)非均質(zhì)性等。

總之，煤層氣的形成、演化、富集、成藏至產(chǎn)出的整個過程中均發(fā)生著不同形式的流體地質(zhì)作用，煤儲層中的流體活動不僅是物質(zhì)交換、能量傳輸?shù)倪^程，也是部分無機和有機元素富集成礦的過程，流體與煤儲層不斷作用的過程中可以溶解、搬運和沉淀各種物質(zhì)，還可以導(dǎo)致?lián)]發(fā)分凝結(jié)和釋放，致使煤儲層成分、組構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化。

2.4 儲層動態(tài)評價

煤儲層動態(tài)評價研究主要集中在多相介質(zhì)耦合特征、滲透率評價、產(chǎn)氣過程相滲演化、排采工藝技術(shù)和產(chǎn)能預(yù)測等方面。煤是一種有機巖，吸附和儲存煤層氣的量取決于相互接觸的煤-氣-水的物理化學(xué)特性、儲層壓力和溫度條件，煤層氣擴(kuò)散和滲流必須破壞原始的煤-氣-水多相介質(zhì)熱力學(xué)平衡狀態(tài)，而整個排采過程則是平衡不斷被破壞和重新達(dá)到平衡的動態(tài)過程[31]。水對煤基質(zhì)吸附甲烷存在顯著影響，其擁有很強的吸附能力，導(dǎo)致煤基質(zhì)吸附甲烷能力隨著含水飽和度的增高而降低，并會很大程度降低氣相滲透率[32]。煤層氣排采過程中滲透率存在動態(tài)變化，且服從彈性自調(diào)節(jié)效應(yīng)，即煤基質(zhì)收縮促使?jié)B透率增大和有效應(yīng)力增加促使?jié)B透率減小，2種效應(yīng)耦合作用使得儲層滲透率動態(tài)過程較為復(fù)雜[9,10,26]。通常情況下，煤層氣解吸-擴(kuò)散-滲流過程會使煤體骨架發(fā)生變形，導(dǎo)致氣水兩相有效滲透率、煤層孔隙壓力分布、煤巖密度和孔隙壓縮系數(shù)發(fā)生變化，其又反作用于甲烷氣體的解吸和運移過程，尤其氣體滑脫效應(yīng)對煤層氣非線性滲流影響較大。此外，現(xiàn)有的煤層氣排采工藝包括慢控穩(wěn)精細(xì)排采、五段三壓排采和雙壓箱型六段式排采等[2,24,30]，排采工藝技術(shù)的選擇需要根據(jù)地質(zhì)條件、工程狀況及時做出相應(yīng)的動態(tài)調(diào)整，保證整個區(qū)塊采出率達(dá)到最高。近年來，我國在煤層氣產(chǎn)能動態(tài)預(yù)測方面的研究主要是基于物質(zhì)平衡方程，充分考慮應(yīng)力敏感性、裂縫導(dǎo)流能力、基質(zhì)吸附膨脹/解吸收縮特性和滲透性變化特征，根據(jù)煤儲層地質(zhì)條件、歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)、資源儲量采出程度等參數(shù)通過數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬手段建立煤層氣井產(chǎn)能動態(tài)預(yù)測模型[20,33,34]。

3 煤儲層地質(zhì)發(fā)展方向

3.1 儲層地質(zhì)與工程更加緊密融合

儲層綜合表征理論的不斷完善得益于研究方法和試驗技術(shù)的不斷進(jìn)步[6,8,22]。儲層表征傳統(tǒng)的宏觀研究方法主要包括露頭、煤壁的野外觀察及鉆井取心煤樣的肉眼判斷，可以獲得研究區(qū)基礎(chǔ)煤巖類型和煤層氣勘探開發(fā)前期資料[8,14]。隨著煤巖顯微裂隙觀察法、壓汞毛管壓力法、透射電鏡分析法等的出現(xiàn)，特別是核磁共振(NMR)和μ-CT掃描等無損檢測技術(shù)的應(yīng)用，使得煤儲層典型的平面、層間、層內(nèi)非均質(zhì)性被揭示，同時建立了儲層非均質(zhì)性與含氣性、應(yīng)力響應(yīng)、滲流能力等諸多煤層氣成藏要素相關(guān)的交叉研究體系。此外，發(fā)現(xiàn)沉積環(huán)境的劇烈變遷是導(dǎo)致煤儲層在橫/縱方向上強非均質(zhì)性的主控因素，且儲層微觀非均質(zhì)性對于煤層氣開發(fā)區(qū)塊宏觀方面的井型選擇、井網(wǎng)布置、壓裂方式、排采工作制度、二次改造和提高采出率等具有重要影響。隨著表征技術(shù)和開發(fā)工藝的進(jìn)步，煤儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)、空間尺度大小、流體流動通道、氣體傳輸模型、煤層變形程度、井網(wǎng)產(chǎn)氣潛力、井間干擾評價等被定量表征，另外煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)、煤巖結(jié)構(gòu)強度、煤巖結(jié)構(gòu)面等級、地震曲率屬性等被用于精細(xì)定量評價煤層變形程度、水力壓裂造縫情況、煤層破裂模式及改造方案中，很大程度上推動了煤層氣地質(zhì)學(xué)理論與現(xiàn)場勘探開發(fā)的緊密結(jié)合[34-35]，這仍然是當(dāng)前和今后一段時間需要完善的方向。

3.2 定性描述向定量評價轉(zhuǎn)變

儲層表征從定性描述向定量評價轉(zhuǎn)變是煤儲層地質(zhì)學(xué)研究走向精細(xì)化、系統(tǒng)化的關(guān)鍵標(biāo)志之一。煤層氣勘探開發(fā)初期，對形成成因、賦存狀態(tài)、成藏機理、物性特征、力學(xué)性質(zhì)等都是基于樣品基本形貌信息和借鑒其他學(xué)科知識來定性判斷，獲得了一些煤體宏觀分類、儲集特征、資源儲量、“甜點區(qū)”優(yōu)選等基本信息。當(dāng)前，在對典型儲層地質(zhì)模型內(nèi)部和外部因素認(rèn)識的基礎(chǔ)上，如何有效揭示溫、壓和流體耦合作用對煤儲層性質(zhì)及其解吸、擴(kuò)散的影響機制，并深化“高應(yīng)力、特低滲、構(gòu)造煤和強非均質(zhì)性”復(fù)雜儲層中煤層氣賦存條件與成藏動力學(xué)理論，是仍待完善的工作。此外，盡管煤儲層微觀結(jié)構(gòu)方面的定性和定量刻畫已取得部分進(jìn)展，但其內(nèi)含的流體傳輸機制尚未理清，仍需要進(jìn)一步明晰煤儲層微納米級孔隙流體傳輸行為，并基于分子動力學(xué)、分子力學(xué)及量子力學(xué)，探索儲層氣體與納米級孔隙在分子級別的相互作用，加深深部構(gòu)造煤和熱改造煤儲層納米級孔隙氣體的賦存狀態(tài)與擴(kuò)散運移機理的研究。雖然煤儲層地質(zhì)學(xué)在定性描述和定量評價方面已經(jīng)取得了豐富的研究成果，但如何架構(gòu)煤儲層宏觀與微觀聯(lián)系，仍是當(dāng)前一段時期內(nèi)的一個重要問題。煤系氣綜合利用是釋放產(chǎn)能的重要舉措，合采技術(shù)探索勢在必行。隨著煤層氣行業(yè)越來越多科學(xué)問題的涌現(xiàn)，未來需要厘定不同溫、壓條件下煤儲層微納米孔隙中氣體凝聚與游離空間變化，分析超臨界條件下煤層氣賦存狀態(tài)及煤層中氣、液、固三相物理化學(xué)反應(yīng)與相態(tài)轉(zhuǎn)化，結(jié)合宏觀儲層地質(zhì)背景解析微納米尺度孔隙超量吸附的聚散過程，揭示流體動力學(xué)變化對煤層氣賦存的控制作用，深化煤儲層微觀賦存機制與超壓吸附理論，真正由定性描述向定量評價轉(zhuǎn)變。

3.3 實時動態(tài)和衍生性研究蓄勢勃發(fā)

煤層氣的生成、賦存、運移和產(chǎn)出實際上是一個動態(tài)過程[3,6,16]。針對傳統(tǒng)的水力壓裂施工過程中裂縫形態(tài)單一、堵塞嚴(yán)重和改造效果不理想等問題，分析煤儲層在不同載荷頻率激勵下的應(yīng)力響應(yīng)和動力學(xué)特性，脈動、循環(huán)、變速、高壓放電和超聲波等新型水力壓裂方式相繼涌現(xiàn)，達(dá)到了較好的儲層壓裂改造效果[12,33,36]。同時，智能控制系統(tǒng)(包括執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、信息采集處理模塊、推理機制模塊、規(guī)劃與控制決策模塊)和變頻控制系統(tǒng)(包括升壓變壓器、變頻器、正弦濾波器、電動機)等的應(yīng)用，實現(xiàn)了煤層氣生產(chǎn)參數(shù)實時監(jiān)測、動液面精細(xì)自動控制、故障報警和自動停抽等智能化排采管理[12,36]。此外，對煤層氣開發(fā)過程中擴(kuò)散-解吸、滲透率、壓降傳播、產(chǎn)水產(chǎn)氣、儲層敏感性、產(chǎn)能主控因素、地應(yīng)力場和化學(xué)場等研究也均經(jīng)歷了從靜態(tài)到動態(tài)和動靜結(jié)合的發(fā)展歷程。隨著煤層氣勘探開發(fā)研究的不斷深入，實時動態(tài)和衍生性研究越來越受到重視。多學(xué)科動態(tài)融合的深入發(fā)展，使得煤層氣生物工程開始應(yīng)用于非常規(guī)天然氣行業(yè)，微生物厭氧發(fā)酵原理與煤儲層地質(zhì)學(xué)有效結(jié)合，充分發(fā)揮馴化菌群的增氣、增液、增解、增透和減排等功能，以此促進(jìn)煤層氣產(chǎn)量的高幅增加。另外，納米材料因其特殊的物理化學(xué)特性被逐步應(yīng)用于天然氣領(lǐng)域，如何對納米顆粒的表面進(jìn)行化學(xué)改性及嵌入疏水組分，使其變成壓敏性的顆粒，通過研究不同壓力下的波長及與烴類接觸時疏水組分的脫離效應(yīng)來達(dá)到降解煤粉顆粒的目的，從而促進(jìn)煤層氣的增產(chǎn)。

4 結(jié) 論

1)煤儲層地質(zhì)學(xué)是應(yīng)用地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)理論方法結(jié)合勘探開發(fā)資料，研究和解釋煤層氣儲集地質(zhì)體的物質(zhì)組成、成因、演化與分布、空間展布規(guī)律，描述與表征儲層幾何特征與成藏機制的一門應(yīng)用地質(zhì)學(xué)科。其從理論上解釋了不同類型儲層特征差異的形成原因及煤層氣產(chǎn)出機理、運移機制，為煤層氣資源的合理高效開發(fā)提供了基本信息。

2)煤儲層中氣體的主要運聚動力分為2類:一類是在氣體濃度差作用下的滲流-擴(kuò)散機制，另一類是壓差或勢差作用下的水動力-浮力機制。流體在三維空間中所處的溫度不同，溫差效應(yīng)常會引起流體發(fā)生瑞利和非瑞利對流驅(qū)動，一般淺部低溫、密度較大的流體會向下運動，而深部高溫、密度較小的流體會向上運動。

3)煤儲層滲透性的研究經(jīng)歷了根據(jù)表觀現(xiàn)象與經(jīng)驗推測定性分析、考慮多種理化效應(yīng)與細(xì)化各因素作用影響機制、結(jié)合數(shù)學(xué)模型與數(shù)值分析等多種模擬手段定量表征、精細(xì)完善儲層微米尺度傳輸介質(zhì)滲透率動態(tài)變化4個階段。儲層滲透率非均質(zhì)性普遍表現(xiàn)為“變質(zhì)程度控制垂向滲透性，中部較底部內(nèi)生裂隙發(fā)育，滲透率分層現(xiàn)象嚴(yán)重”等特點。

4)隨著煤層氣行業(yè)越來越多科學(xué)問題的涌現(xiàn)，未來需要厘定不同溫、壓條件下煤儲層微納米孔隙中氣體凝聚與游離空間變化，分析超臨界條件下煤層氣賦存狀態(tài)及煤層中氣、液、固三相物理化學(xué)反應(yīng)與相態(tài)轉(zhuǎn)化，并深化煤儲層微觀賦存機制與超壓吸附理論研究。另外，需動態(tài)融合煤儲層地質(zhì)學(xué)理論與微生物厭氧發(fā)酵生物工程，以此豐富煤儲層地質(zhì)學(xué)研究。