石油圈
随着近年来煤层气勘探和开发技术的进步，国内能源需求量的增加，深部煤层气的开发成为可能且势在必行。深部煤层一般处在具有高地应力、高温和高压的环境中，对复杂地质条件耦合作用下煤层气储层物性差异演化的研究均处在探索阶段，这是深部煤层气迟迟达不到规模性开发的主要原因。煤层气储层物性是煤层孔隙性、含气性、渗透性和可改造性四者关系的耦合体现，受控于各类动力学条件之间的匹配关系，深部煤层气储层差异演化关键所在是深部应力场、地温场、压力场制约下煤岩孔裂隙结构的演化、煤储层吸附-解吸-扩散-渗流间平衡关系，以及煤层应力应变力学性质，解决这一科学问题，可以为深部煤层气有利区带的预测和勘探开发技术的突破提供理论指导。
1 深部煤储层孔裂隙结构发育特征
深部煤层复杂的成煤地质环境对煤岩孔裂隙结构产生了深刻影响。煤储层是由孔隙和裂隙组成的双重孔隙结构，其中孔隙是煤层气的赋存空间，显示了煤层气的储集条件。随着埋深增加，地应力增大，地层压实作用增强，煤岩孔隙受压闭合，煤储层孔隙度随上覆应力的增加而减小，导致深部煤层为典型的低孔储层。通过统计沁水盆地南部煤层孔隙度与埋深关系发现，当埋深小于800m时，孔隙度的分布范围为1%~13%，而当埋深超过800m时，孔隙度则分布在小于6.5%的范围之内。
应力的增大导致煤岩孔隙度减小，然而煤岩中存在不同孔径大小的孔隙，不同煤阶煤岩中各类孔隙在应力作用下的变化特征存在显著差异：低煤阶煤岩孔隙应力应变特征主要体现在对大中孔的压缩，而高煤阶煤岩由于微小孔极为发育，大中孔不发育，在应力作用下孔隙变化主要受微小孔的控制。孔隙度的减小程度可以用孔隙压缩系数来表示，在实际应用中，通常将孔隙压缩系数作为常数，但这显然是不准确的。
一些学者开展了煤岩的覆压实验，探讨了煤岩孔隙压缩系数与有效应力之间的耦合关系，通过理论推导建立了煤岩孔隙压缩系数与有效应力之间的数学模型。大量研究结果表明，随着上覆应力的增加，煤岩孔隙度应力敏感性逐渐减弱，孔隙压缩系数也呈逐渐减小趋势。
煤储层中裂隙系统是煤层气运移的通道，其受控于地质历史时期构造应力场的大小。煤层在沉积埋藏过程中，受到多期构造应力的叠加改造，煤岩裂隙系统也随之发生改变，一些学者利用煤岩的弹塑性本构方程，推导出了地层压力变化与割理宽度变化间的关系式以及应力集中与割理宽度变化的关系式。还有一些学者对不同煤体结构的煤岩裂隙的形成机理进行了研究，发现随着煤岩所受应力的增强，煤体变形可分为裂隙闭合阶段、微裂隙产生阶段、宏观裂隙产生阶段，以及沿某破裂面破坏阶段和流变破坏阶段，每一阶段都对应着不同的煤体结构和特有的裂隙系统特征。
前人也对岩石孔裂隙温度耦合特性做过研究，发现在达到热裂化温度前，随着温度的升高，矿物颗粒受热膨胀造成岩石中原生裂隙逐渐闭合；在达到热裂化温度后，随着温度的升高，矿物颗粒间或者颗粒内的应力进一步增大，产生微小裂纹或者致使原生微小裂纹扩展和加宽。总的来说，煤层所受地应力一般由垂向应力和水平应力二者叠合形成，深部煤层中这种叠合效应增强，加之储层流体压力和温度的作用，使其对煤岩孔裂隙系统具有更加复杂的作用机制。
2 深部煤储层吸附性与含气量
煤储层特殊的孔裂隙结构决定了煤层气主要以吸附的形式赋存于煤体孔隙表面，不同煤储层孔隙结构的差异，使得其对甲烷的吸附特性和含气量表现出不同的特征。但对于深部煤层气而言，较高的温压条件可能是影响煤吸附性和含气量更为关键的因素。
前人的研究主要关注煤层气吸附量随埋深(压力)的增大而增大的变化趋势，而对深埋带来的温度升高导致煤层气吸附量减少则关注不够。由于气体吸附是一个放热过程，因此随着温度增加，煤对气体的吸附量会迅速降低，在吸附压力7MPa条件下，煤在温度为102℃时的甲烷吸附量只有22℃时的40%。
考虑单因素对煤层气吸附特征影响时，在等温条件下煤的甲烷吸附量随压力增大而增大，且增幅越来越小，而在等压条件下煤的甲烷吸附量随温度增高呈线性降低的趋势；综合考虑温度和压力共同作用时，在较低温度和压力条件下压力对煤吸附能力的影响大于温度的影响，而在较高温度和压力时温度对煤吸附能力的影响大于压力的影响；因此，深部煤层气的吸附量随埋深增加呈快速增大、缓慢增大、逐步减小的变化趋势，最大吸附量对应深度为900~1600m。有学者对上述认识提出异议，认为尽管温度较高，但高压条件可使煤层含气量增高，原因在于煤岩对气体的吸着作用超过了吸附作用。
Krooss等开展温度分别为40、60和80℃条件下的变压煤岩吸附实验，结果显示：在压力低于10MPa时，温度负效应与传统研究成果基本吻合；压力超过10MPa后，40℃条件下的吸附曲线显示出饱和吸附特征，而60、80℃条件下煤岩吸附量都呈单调增加趋势，80℃时吸附量最高。前人关于温度和压力对煤岩吸附量的影响观点存在分歧，对于较高温度和压力条件下煤岩吸附特征缺乏深入了解，这种不足可能是由于早期学者们更注重浅部煤层温压条件而忽视了深部复杂地质条件下的煤岩吸附特性所致。
煤储层含气量研究是煤层气资源量计算和有利区优选评价的基础。一般来说，煤层气含气量在浅部总体上随埋深增加而增大，而对于深部煤储层而言，含气量随埋深的变化规律更为复杂。Faiz等研究发现，随着埋深的增大，煤层含气量反而降低。深部地温场对煤层吸附能力影响的负效应大于地层压力的正效应，造成深部煤层含气量存在一个临界深度，超过临界深度，煤层含气量降低。
由于深部煤层地质条件的限制，缺乏现场测试数据，对于深部煤储层含气性的分析需要进行预测，目前常用的含气量预测方法有：含气梯度法、压力-吸附曲线法、煤质-灰分-含气量类比法、测井曲线法、有效生气阶段和有效阶段生气量计算、地质条件综合分析法等。
但这些预测方法是否适用于深部煤层气，许多学者提出了质疑：当压力较高时，兰氏单分子层吸附模型的适应性会受到限制，出现拟合程度较低的现象，其原因可能是高压状态下气体容易发生凝聚现象，凝聚气占据煤的游离空间造成吸附量降低的假象；当温度和压力都超过临界点时，甲烷将处于密度接近液体但黏度接近气体的超临界状态，由其吸附数据计算出的视吸附量不能反映真实吸附量，因此依据视吸附量预测深部含气量会远远低估其真实含气性。
还有一些学者针对深部煤层中地温和地应力梯度对煤储层物性的影响，在深部煤层气压力解析算法的基础上，提出了考虑地温和地应力梯度影响的煤层气含量计算方法。
煤储层吸附解吸特征及含气量受到多种因素的影响，加之深部煤层处于复杂的地质环境下，由此导致深部煤层气资源评价面临一系列问题，如煤层含气量是否随着煤层埋深的增大而持续增长？传统的吸附解吸模型能否真实地反映深部煤层气的赋存状态？这对深化深部煤层气赋存特征与储层含气量理论预测提出了更高的要求，研究不仅要兼顾压力对煤层吸附的正效应和温度对煤层吸附的负效应之间的平衡关系，还要理清不同地质环境中气体物理化学行为和不同煤化程度煤储层吸附解吸的差异特点，综合分析各种地质因素对深部煤层含气性的控制作用。
版权声明|文章来自地学前沿，版权归原作者所有。
（本文系本网编辑转载，转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题，请在30日内与本网联系，我们将在第一时间删除内容。）
未经允许，不得转载本站任何文章：
