煤储层多尺度裂隙特征及其对渗透性的控制

第1章 绪论 1.1 煤中裂隙研究的意义 20世纪80年代，美国成功地实现了煤层气的地面开发，自此，煤层气成为世界能源发展中一个非常重要的领域(方爱民等，2003)。煤层气的开发可以产生诸多效益。首先，我国煤层气储量丰富，根据自然资源部发布数据显示，截至2019年底，全国煤层气累计探明地质储量为7.54561×1011m3(赵路正等，2020)，煤层气开发前景巨大，对煤层气进行有效开发可以较好地解决我国“少气”的问题，具有显著的经济效益。其次，我国高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占矿井总量的46%，在煤炭开采过程中，瓦斯灾害十分严重，俨然成为煤矿安全生产的“**杀手”(孟召平和刘世民，2018)，因此采用多种手段和方法对煤层气(矿井瓦斯)进行抽采可保障煤矿安全生产。此外，煤层甲烷的排放会造成的极为严重的环境问题(方爱民等，2003)，这与我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标相悖(赵路正等，2020)。因此开展煤层气(矿井瓦斯)的勘探开发并加以有效利用对加强我国的国民经济建设、保障煤矿安全生产和保护生态环境具有极为重要的意义。 煤层气开发主要是采用一些技术手段和方法使煤层中主要以吸附态存在的甲烷气体经过解吸、扩散、渗流，*终运移至煤层气井筒并抽采至地面的过程。煤中裂隙作为煤层气的主要渗流通道，其发育特征(裂隙的密度、方向、连通性及矿物充填等)直接影响煤储层的渗透性和煤矿瓦斯的抽采效果，对煤层气开发中的井距和井向布置也起到决定性作用(Durucan and Edwards，1986；王生维等，2004；Paul and Chatterjee，2011)。此外，裂隙的广泛发育极大地降低了煤柱的抗压强度，造成煤柱支护能力显著降低(Ting，1977)。因此，煤中裂隙发育特征研究对指导煤层气勘探开发和煤矿安全生产意义重大(Gamson et al.，1993)。然而，我国煤炭资源地质条件复杂、煤层气开发地质理论与技术研究相对薄弱，对于煤中裂隙发育特征及其影响因素的认识仍然较为欠缺，难以有效指导煤层气井布置和增透措施的实施，造成地面煤层气井产量低、不稳定，连续多年实际煤层气产量与规划目标存在较大差距(郭威和潘继平，2019)。因此针对不同煤层气开发区块煤储层裂隙发育特征进行研究，对进一步优化煤层气井布置方案、优化煤储层增透技术，进而合理高效地开发煤层气具有重要的理论和实际意义。 1.2 煤中裂隙研究现状 煤是由植物遗体在地质埋藏过程中经过复杂的生物化学作用和物理化学作用而形成的一种非均质性强的有机岩石，这种非均质性不仅表现为各种形态和大小孔隙的发育，还表现为各种尺度裂隙的普遍发育。煤层中广泛分布裂隙，这些裂隙对煤层的稳定性、可采性和流体的渗流起着重要作用(Laubach et al.，1998)。 在煤炭资源开发的早期，露天矿的开发对技术要求较低，煤中裂隙对煤炭开发的影响可以忽略，因此煤中裂隙的研究未得到人们的关注。随着煤矿井下开采的逐步进行，出于井巷工程设计和施工的需要(Esterhuizen，1995；Molinda and Mark，1996)，人们开始了对煤中裂隙的研究工作，但也由于涉及面较窄，有关煤中裂隙的研究进展十分缓慢(苏现波等，2002)。随着更深、更复杂地质条件下煤炭开发的进行，煤与瓦斯突出、矿井突水等问题日渐突出，作为流体运移通道的裂隙不可避免地引起了人们的极大关注，有关裂隙的研究也逐渐增加，并涉及煤岩裂隙对地下煤矿的设计和安全的影响(Hanes and Shepherd，1981)、煤中裂隙和煤与瓦斯突出的关系(黄德生，1982；周世宁，1990)、裂隙与矿井突水及地下水富集的关系(李宝林等，1981)等方面。20世纪60年代，苏联学者Ammosov和Eremin(1963)所著的《煤中裂隙》出版，标志着对煤中裂隙的研究在方法和理论上开始达到了相对成熟的阶段。而后，煤中瓦斯(煤层气)作为一种矿产资源被人们广泛关注，煤层气开发技术的进一步发展促使煤中裂隙的研究发生了质的飞跃(王生维等，1995)，自此涌现出大量关于煤中裂隙的研究成果(苏现波等，2002)，煤中裂隙的成因和发育特征的研究也日渐增多。 在裂隙研究之初，人们往往忽略了关于煤中裂隙特征和成因的研究，而更多地关注裂隙对煤矿开发所造成的影响(Laubach et al.，1998)，随着研究的进行，裂隙成因的研究对判别煤岩形成环境、还原区域构造历史(陈建国，1976)、进行煤储层可采性评价(王生维等，1996)等的重要意义被逐渐发现，此后，关于裂隙成因的相关研究逐渐成为裂隙研究的重点之一。受研究目的、研究方法和研究区域等因素的限制，人们对裂隙成因的认识存在较大差异，并形成了各种学说。通常情况下，可将煤中裂隙的成因概括为凝胶化物质收缩说(Gresley，1892；Steeg，1942；Ting，1977；Spearsa and Caswell，1986；Daniels and Edwards，1990；Levine，1996；张胜利和李宝芳，1996；Harpalani and Chen，1997；Laubach et al.，1998；Su et al.，2001；毕建军等，2001；张慧等，2002；钟玲文，2004；Dawson and Esterle，2010；Kumar et al.，2011)、流体压力说(Secor，1965；Segall，1984；王生维等，1996；张胜利和李宝芳，1996；Pollard and Aydin，1998；Laubach et al.，1998；毕建军等，2001；Su et al.，2001；钟玲文，2004；Dawson and Esterle，2010)和有效地应力说(Steeg，1942；Price，1959；Ting，1977；Spearsa and Caswell，1986；Daniels and Altaner，1990；王生维等，1996；张胜利和李宝芳，1996；Laubach et al.，1998；Pollard and Aydin，1998；Su et al.，2001；毕建军等，2001；张慧等，2002；钟玲文，2004；Rippon et al.，2006；Dawson and Esterle，2010；Kumar et al.，2011；Paul and Chatterjee，2011)三种。结合上述假说，可以认为煤中裂隙的形成是内驱力和外应力共同作用的结果。内驱力为裂隙的形成提供了内在动力，从根本上为裂隙的产生提供了可能。以煤基质为受力研究对象，煤中裂隙的内驱力包括两种：①煤化作用过程中受温度、压力的影响，煤体内部结构产生一系列物理化学变化，基质脱水、脱挥发分，从而导致体积均匀收缩而产生的内张力；②煤中原有流体和煤化过程中产生但并未逸出的流体在煤体中不断集聚，并受温度、地应力作用的影响而产生的局部流体高压。外应力作为裂隙(尤其是外生裂隙)发育特征的主要影响因素，与各裂隙参数和裂隙类型有着密切关联。形成煤中裂隙的外应力包括煤层的原始地应力和构造应力。当作用于煤体上的原始地应力与构造应力之和大于煤体的强度时，外生裂隙产生。应力场的分布决定了裂隙的组合类型及裂隙走向。 基于不同的研究目的，对煤中裂隙进行适当划分是十分必要的，有效的裂隙划分方案对正确而全面地揭示煤岩裂隙发育特征具有重要意义。然而，目前对于煤储层中的裂隙尚未形成统一的分类方案(表1-1)。一部分学者主要依据裂隙的成因和形态对裂隙进行定性划分，其中以Dron(1925)为代表的学者用割理这一术语来描述煤中裂隙(Laubach et al.，1991，1998；Kulander and Dean，1993)，并将其划分为面割理和端割理[图1-1(a)]；之后，张胜利(1995)将煤中割理进一步划分为巨割理、大割理、中割理、小割理、微割理等。Laubach等(1991)将煤中裂隙划分为一级裂隙、二级裂隙、三级裂隙等[图1-1(b)]；李小彦(1998)将煤中裂隙划分为主裂隙和次裂隙。多位学者(杨起和韩德馨，1979；霍永忠和张爱云，1998；张慧等，2002)将按照裂隙的成因将煤中裂隙分为内生裂隙和外生裂隙两大类，在此基础上，苏现波等(2002)按形态进一步将煤中裂隙细分为7组17型(网状、孤立状、叠加型、羽状、树枝状、锯齿状、叠瓦状、阶梯状、X型、桥构造、辫状裂隙、褶劈理、流劈理等)。 在对煤中裂隙的定量分类方面，不同学者的分类方法也不同。通常情况下可将煤中裂隙分为宏观裂隙和微观裂隙。其中宏观裂隙可用肉眼或放大镜进行观测，微观裂隙需要在光学显微镜下进行观测。此外，根据裂隙宽度大小，Zhang Y H等(2016)认为，煤中的裂隙可以分为微裂隙(宽度≤20μm)和大裂隙(宽度＞20μm)两类。微裂隙这一术语，*早由Simmons和Richter(1976)提出，他们将其定义为出现在岩石中的具有一个或者两个尺度明显小于第三个尺度并且宽长比小于0.01的张开裂隙；Shepherd等(1981)将微裂隙定义为宽度小于1μm的裂隙；Gamson等(1993)认为，煤中的微裂隙是指在手标本中不可见的，且宽度为微米级的，并与煤中割理不同的一类裂隙；Li等(2015)提出，宏观裂隙是那些用肉眼可以看见的裂隙，而把那些需要借助显微镜才能观测到的裂隙称为微裂隙。在此基础上，Vandersteen等(2003)将煤中的微裂隙进一步划分为小微裂隙(宽度≤0.15mm)和大微裂隙(宽度＞0.15mm)。然而，Chen等(2015)认为，上述分类方法仍然不够具体，因此，他们根据微裂隙的长度、宽度和连通性情况将煤中的微裂隙分为四种类型：A型(宽度≥5μm，长度＞10mm)、B型(宽度≥5μm，1mm＜长度≤10mm)、C型(宽度＜5μm，300μm＜长度≤1mm)和D型(宽度＜5μm，长度≤300μm)。 图1-1 煤中裂隙的形态示意图(据Laubach et al.，1991) 次生裂隙 煤中裂隙的研究方法经历了一个从宏观到微观、从定性分析到定量评价的过程。大体而言，煤中裂隙的研究方法包括直接观察法(肉眼直接观测、体视显微镜观测、偏光显微镜观测、扫描电子显微镜观测等)(Karacan and Okandan，2000；张素新和肖红艳，2000；姚艳斌等，2006)、X射线CT扫描技术(Karacan and Okandan，2000；白斌等，2013；Shi et al.，2018)和声波测试方法(Boadu，1997；Giovanni and Lara，2006；Yoshitaka et al.，2011)等。其中直接观察法主要用于观测煤样表面的裂隙，即裂隙的平面形态，不能实现对裂隙的立体形态和空间分布特征的观测(Liu et al.，2011)。X射线CT扫描技术被证明是无损全面地了解裂隙空间分布特征的有效手段之一(Yao et al.，2009；Bera et al.，2011；Ramandi et al.，2016；Shi et al.，2018)，但是受限于实验选用的样品较小，仅能实现微米和纳米级别裂隙的观测工作。波速测试技术作为一种无损分析方法，近年来已经广泛应用于地质工程研究(Nelson，2000；Ghorbani et al.，2009；Kassab and Weller，2011；Cardarelli et al.，2014)。研究表明，当纵波传播方向平行于裂隙的延伸方向时，裂隙对波速产生的影响极小，而当纵波垂直于裂隙延伸方向传播时，裂隙对波速产生的影响极大(Holt，1997)；且纵波速度与裂隙的密度有线性或非线性负相关关系，另外，随着孔隙度的增大，纵波速度具有幂函数关系减小的趋势。显然，纵波速度与煤中裂隙延伸方向(Zhang et al.，2009)、密度和孔隙度等具有较