劉大錳，賈奇鋒，蔡益棟

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

0 引 言

中國(guó)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(shí)可開發(fā)價(jià)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(chǔ)層(簡(jiǎn)稱煤儲(chǔ)層)作為源巖和存儲(chǔ)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(guó)內(nèi)外學(xué)者系統(tǒng)研究了煤儲(chǔ)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(chǔ)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(guó)煤儲(chǔ)層普遍具有低孔、低滲、強(qiáng)非均質(zhì)等特點(diǎn)，儲(chǔ)層微觀和宏觀煤巖組成及本構(gòu)關(guān)系差異顯著，儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)踐，總結(jié)了我國(guó)煤層氣儲(chǔ)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(chǔ)層地質(zhì)理論體系提供借鑒。

1 煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)概述

煤儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)層幾何特征與成藏機(jī)制的一門應(yīng)用地質(zhì)學(xué)科。煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)經(jīng)歷了30余年的理論與實(shí)踐探索，在煤儲(chǔ)層表征及其非均質(zhì)性控制機(jī)制、滲透性影響因素及增滲改造技術(shù)、煤儲(chǔ)層巖石學(xué)、巖石物理學(xué)及巖石力學(xué)、煤層氣儲(chǔ)集及產(chǎn)出機(jī)理等方面取得了豐碩研究成果。

1.1 研究意義

煤儲(chǔ)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?jī)?chǔ)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(chǔ)集體分布規(guī)律及有利儲(chǔ)層“甜點(diǎn)區(qū)”的預(yù)測(cè)等，都屬于煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。在儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)中，探明煤層氣資源量、預(yù)測(cè)可采儲(chǔ)量、建立儲(chǔ)層模型及儲(chǔ)層表征等工作都是建立在煤儲(chǔ)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(chǔ)層改造及保護(hù)、儲(chǔ)層敏感性、開發(fā)過程剩余氣源分析、井間干擾評(píng)價(jià)、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(duì)儲(chǔ)層地質(zhì)進(jìn)行綜合研究。煤儲(chǔ)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(jī)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(shí)，它的發(fā)展又促進(jìn)了上述學(xué)科的發(fā)展。煤儲(chǔ)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(jī)理、運(yùn)移機(jī)制及不同類型儲(chǔ)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(yàn)開采。

1.2 儲(chǔ)層理論應(yīng)用

“儲(chǔ)層表征”一詞源于1985年美國(guó)能源部所做的年度報(bào)告[16]，是指應(yīng)用多學(xué)科理論實(shí)踐知識(shí)定量確定儲(chǔ)層性質(zhì)、識(shí)別地質(zhì)信息及描述空間非均質(zhì)性變化的過程，可為儲(chǔ)層特征及其演化、油氣運(yùn)移成藏分析提供依據(jù)。與常規(guī)儲(chǔ)層相比，非常規(guī)儲(chǔ)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(duì)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(shí)，開展跨尺度的儲(chǔ)層表征是研究煤層氣賦存、解吸-擴(kuò)散、滲流能力和富集機(jī)理的基礎(chǔ)，也是煤儲(chǔ)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(chǔ)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(cè)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(duì)位置來確定成因類型[12]。

1.2.2 儲(chǔ)層滲透性

儲(chǔ)層滲透性決定著煤層氣的運(yùn)移和產(chǎn)出，其優(yōu)劣程度上體現(xiàn)了儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)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(cè)井技術(shù)等。其中，試井方法獲取的滲透率與現(xiàn)場(chǎng)較為接近。巖心分析局限于室內(nèi)滲透率測(cè)試，采制樣時(shí)原生裂隙難免會(huì)損傷，測(cè)試結(jié)果常與實(shí)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(cè)，其優(yōu)選條件屬性、容錯(cuò)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(chǔ)層滲透率[18]。測(cè)井技術(shù)利用聲波時(shí)差、補(bǔ)償密度、深/淺側(cè)向電阻率等典型測(cè)井參數(shù)構(gòu)建滲透率數(shù)學(xué)模型，對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)的儲(chǔ)層結(jié)果會(huì)不具有代表性。

1.2.3 儲(chǔ)層有機(jī)巖石學(xué)

儲(chǔ)層有機(jī)巖石學(xué)以有機(jī)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(chǔ)滲效應(yīng)，主要研究?jī)?nèi)容包括有機(jī)顯微組分、烴源巖、煤巖類型、煤化作用和煤相等，均與煤儲(chǔ)層廣泛關(guān)聯(lián)，一方面注重于有機(jī)巖石學(xué)內(nèi)容的識(shí)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(jī)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(qiáng)，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(shí)，惰質(zhì)組對(duì)孔隙度起主導(dǎo)控制作用。煤巖組分主導(dǎo)了儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)層強(qiáng)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(shí)，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(chǔ)層地質(zhì)研究進(jìn)展

煤儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)層物性特征

2.1.1 煤儲(chǔ)層孔-裂隙結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)以±s表示，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jì)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(duì)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(qiáng)，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(jì)，將煤中微裂隙劃分為4種類型[8]。其中，A型裂隙延展性強(qiáng)，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(qiáng)，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(guó)煤儲(chǔ)層普遍具有低孔、低滲和高非均質(zhì)等特點(diǎn)，儲(chǔ)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(chǔ)層滲透率

煤層氣開發(fā)過程中，隨著煤儲(chǔ)層水和氣的排出，流體與煤巖體相互作用，滲透率呈現(xiàn)動(dòng)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(dòng)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(duì)煤儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)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(chǔ)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??；在基質(zhì)收縮/膨脹單因素作用下，中、高階煤滲透率變化趨勢(shì)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(duì)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(huì)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(dòng)態(tài)變化變得更為復(fù)雜[9,15,18]。基于儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)對(duì)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(chǎng)施工提供指導(dǎo)[26-27]。耦合試驗(yàn)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(dú)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(shì)[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(shí)現(xiàn)了孔隙尺度的滲流模擬與動(dòng)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(chǔ)層中的滲流行為，可以獲得流體在X、Y、Z三個(gè)方向上的速度分布圖，以此定量表征煤儲(chǔ)層滲透率微米尺度的張量變化。儲(chǔ)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(qiáng)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(yàn)推測(cè)定性分析、多種理化效應(yīng)與各因素作用定量評(píng)價(jià)、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(chǔ)層微米尺度動(dòng)態(tài)滲透率精細(xì)化分析4個(gè)階段，得出了具有應(yīng)用價(jià)值的認(rèn)識(shí)和規(guī)律。

(1)

式中：K為煤儲(chǔ)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(chǔ)層跨尺度非均質(zhì)性

煤儲(chǔ)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(píng)價(jià)儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)于煤層氣勘探選區(qū)和有效開發(fā)具有重要意義。儲(chǔ)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(dòng)、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(chǔ)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(duì)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(duì)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(duì)煤儲(chǔ)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(chǔ)層橫向和縱向上形成不同的富煤或富氣區(qū)。我國(guó)煤儲(chǔ)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(qiáng)、平面斷層區(qū)非均質(zhì)性強(qiáng)及構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)域非均質(zhì)性弱”等特點(diǎn)[28-29]；煤儲(chǔ)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(qiáng)”等特點(diǎn)；煤儲(chǔ)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?jī)?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(diǎn)[26]。此外，巨厚煤層的非均質(zhì)性更為強(qiáng)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(gè)數(shù)量級(jí)以上，實(shí)際研究中可對(duì)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(chǔ)層流體地質(zhì)

2.3.1 煤儲(chǔ)層地球物理表征

對(duì)巖石物理、地震預(yù)測(cè)、測(cè)井解釋3個(gè)方面內(nèi)容的深入研究，使得地球物理方法可以在儲(chǔ)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(shí)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(cè)井預(yù)測(cè)的動(dòng)力學(xué)、幾何學(xué)模型，以此提供煤層氣儲(chǔ)層的相關(guān)信息。地震勘探預(yù)測(cè)對(duì)裂縫、孔滲、非均質(zhì)性、含氣量等方面的識(shí)別存在一定的主觀性，為此曲率屬性被引入以表征儲(chǔ)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(chǔ)層展布特征預(yù)測(cè)的新方法[18]。此外，深、淺側(cè)向電阻率對(duì)儲(chǔ)層孔-裂隙、滲透率較為敏感，高角度裂隙、低滲儲(chǔ)層常表現(xiàn)為“正異?！保粗疄椤柏?fù)異?！?；微球聚焦測(cè)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(jī)械分異遷移為主，容易在有利條件下形成有機(jī)絡(luò)合物，而+6價(jià)的鈾鹽容易以鈾酰離子的形式隨排采水運(yùn)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(cè)井判識(shí)[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(duì)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(jì)算識(shí)別儲(chǔ)層特征。

2.3.2 流體-地質(zhì)響應(yīng)

流體活動(dòng)影響煤儲(chǔ)層中的物質(zhì)演變和能量分配，貫穿于整個(gè)成煤作用(包括沉積、變質(zhì)、巖漿與構(gòu)造活動(dòng)等)過程，其對(duì)整個(gè)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(shí)現(xiàn)。儲(chǔ)層條件下，煤層氣運(yùn)聚動(dòng)力分為2類，一類是在氣體濃度差作用下的擴(kuò)散-滲流機(jī)制，另一類是壓差或勢(shì)差作用下的水動(dòng)力-浮力機(jī)制。實(shí)際上，在煤層氣聚集過程中，2類動(dòng)力學(xué)機(jī)制往往同時(shí)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(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)運(yùn)動(dòng)，儲(chǔ)層流體流動(dòng)的基本原則是降低其能量。影響儲(chǔ)層流體流動(dòng)的因素主要包括構(gòu)造應(yīng)力、沉積壓實(shí)、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(shí)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(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離)過快容易形成異常高壓帶，不利于儲(chǔ)層流體流動(dòng)；流體在三維空間中所處的溫度不同，溫差效應(yīng)常會(huì)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(duì)流驅(qū)動(dòng)，一般淺部低溫、密度較大的流體會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，而深部高溫、密度較小的流體會(huì)向上運(yùn)動(dòng)；非對(duì)流性浮力(處于非對(duì)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(dòng)流動(dòng)是埋深3 000 m以內(nèi)烴類二次運(yùn)移的重要機(jī)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(guó)部分煤儲(chǔ)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(duì)氣體的吸附能力來影響煤儲(chǔ)層含氣量，通過改變孔-裂隙系統(tǒng)、煤質(zhì)、煤級(jí)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(yùn)移和局部富集，引起煤儲(chǔ)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(gè)過程中均發(fā)生著不同形式的流體地質(zhì)作用，煤儲(chǔ)層中的流體活動(dòng)不僅是物質(zhì)交換、能量傳輸?shù)倪^程，也是部分無機(jī)和有機(jī)元素富集成礦的過程，流體與煤儲(chǔ)層不斷作用的過程中可以溶解、搬運(yùn)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(chǔ)層成分、組構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化。

2.4 儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

煤儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)研究主要集中在多相介質(zhì)耦合特征、滲透率評(píng)價(jià)、產(chǎn)氣過程相滲演化、排采工藝技術(shù)和產(chǎn)能預(yù)測(cè)等方面。煤是一種有機(jī)巖，吸附和儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)排采過程則是平衡不斷被破壞和重新達(dá)到平衡的動(dòng)態(tài)過程[31]。水對(duì)煤基質(zhì)吸附甲烷存在顯著影響，其擁有很強(qiáng)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(huì)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(dòng)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(chǔ)層滲透率動(dòng)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(huì)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(yùn)移過程，尤其氣體滑脫效應(yīng)對(duì)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(shí)做出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證整個(gè)區(qū)塊采出率達(dá)到最高。近年來，我國(guó)在煤層氣產(chǎn)能動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)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(chǔ)層地質(zhì)條件、歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)、資源儲(chǔ)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(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型[20,33,34]。

3 煤儲(chǔ)層地質(zhì)發(fā)展方向

3.1 儲(chǔ)層地質(zhì)與工程更加緊密融合

儲(chǔ)層綜合表征理論的不斷完善得益于研究方法和試驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步[6,8,22]。儲(chǔ)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(cè)技術(shù)的應(yīng)用，使得煤儲(chǔ)層典型的平面、層間、層內(nèi)非均質(zhì)性被揭示，同時(shí)建立了儲(chǔ)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(chǔ)層在橫/縱方向上強(qiáng)非均質(zhì)性的主控因素，且儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性對(duì)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(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)、空間尺度大小、流體流動(dòng)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(píng)價(jià)等被定量表征，另外煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)、煤巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、煤巖結(jié)構(gòu)面等級(jí)、地震曲率屬性等被用于精細(xì)定量評(píng)價(jià)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(dòng)了煤層氣地質(zhì)學(xué)理論與現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間需要完善的方向。

3.2 定性描述向定量評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變

儲(chǔ)層表征從定性描述向定量評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變是煤儲(chǔ)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(duì)形成成因、賦存狀態(tài)、成藏機(jī)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(shí)來定性判斷，獲得了一些煤體宏觀分類、儲(chǔ)集特征、資源儲(chǔ)量、“甜點(diǎn)區(qū)”優(yōu)選等基本信息。當(dāng)前，在對(duì)典型儲(chǔ)層地質(zhì)模型內(nèi)部和外部因素認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，如何有效揭示溫、壓和流體耦合作用對(duì)煤儲(chǔ)層性質(zhì)及其解吸、擴(kuò)散的影響機(jī)制，并深化“高應(yīng)力、特低滲、構(gòu)造煤和強(qiáng)非均質(zhì)性”復(fù)雜儲(chǔ)層中煤層氣賦存條件與成藏動(dòng)力學(xué)理論，是仍待完善的工作。此外，盡管煤儲(chǔ)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(jī)制尚未理清，仍需要進(jìn)一步明晰煤儲(chǔ)層微納米級(jí)孔隙流體傳輸行為，并基于分子動(dòng)力學(xué)、分子力學(xué)及量子力學(xué)，探索儲(chǔ)層氣體與納米級(jí)孔隙在分子級(jí)別的相互作用，加深深部構(gòu)造煤和熱改造煤儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙氣體的賦存狀態(tài)與擴(kuò)散運(yùn)移機(jī)理的研究。雖然煤儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)在定性描述和定量評(píng)價(jià)方面已經(jīng)取得了豐富的研究成果，但如何架構(gòu)煤儲(chǔ)層宏觀與微觀聯(lián)系，仍是當(dāng)前一段時(shí)期內(nèi)的一個(gè)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(shì)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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)力學(xué)變化對(duì)煤層氣賦存的控制作用，深化煤儲(chǔ)層微觀賦存機(jī)制與超壓吸附理論，真正由定性描述向定量評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變。

3.3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和衍生性研究蓄勢(shì)勃發(fā)

煤層氣的生成、賦存、運(yùn)移和產(chǎn)出實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程[3,6,16]。針對(duì)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(chǔ)層在不同載荷頻率激勵(lì)下的應(yīng)力響應(yīng)和動(dòng)力學(xué)特性，脈動(dòng)、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(chǔ)層壓裂改造效果[12,33,36]。同時(shí)，智能控制系統(tǒng)(包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、信息采集處理模塊、推理機(jī)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(dòng)機(jī))等的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煤層氣生產(chǎn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)液面精細(xì)自動(dòng)控制、故障報(bào)警和自動(dòng)停抽等智能化排采管理[12,36]。此外，對(duì)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(chǔ)層敏感性、產(chǎn)能主控因素、地應(yīng)力場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)等研究也均經(jīng)歷了從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)和動(dòng)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和衍生性研究越來越受到重視。多學(xué)科動(dòng)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(chǔ)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(duì)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(zhǎng)及與烴類接觸時(shí)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)層幾何特征與成藏機(jī)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(chǔ)層特征差異的形成原因及煤層氣產(chǎn)出機(jī)理、運(yùn)移機(jī)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(chǔ)層中氣體的主要運(yùn)聚動(dòng)力分為2類:一類是在氣體濃度差作用下的滲流-擴(kuò)散機(jī)制，另一類是壓差或勢(shì)差作用下的水動(dòng)力-浮力機(jī)制。流體在三維空間中所處的溫度不同，溫差效應(yīng)常會(huì)引起流體發(fā)生瑞利和非瑞利對(duì)流驅(qū)動(dòng)，一般淺部低溫、密度較大的流體會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，而深部高溫、密度較小的流體會(huì)向上運(yùn)動(dòng)。

3)煤儲(chǔ)層滲透性的研究經(jīng)歷了根據(jù)表觀現(xiàn)象與經(jīng)驗(yàn)推測(cè)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(jī)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(chǔ)層微米尺度傳輸介質(zhì)滲透率動(dòng)態(tài)變化4個(gè)階段。儲(chǔ)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?jī)?nèi)生裂隙發(fā)育，滲透率分層現(xiàn)象嚴(yán)重”等特點(diǎn)。

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(chǔ)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(chǔ)層微觀賦存機(jī)制與超壓吸附理論研究。另外，需動(dòng)態(tài)融合煤儲(chǔ)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(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究。