煤儲層滲透率測試、模擬與預測研究進展

傅雪海，齊 琦，程 鳴，張寶鑫

(1.中國礦業大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.國家煤層氣產品質量監督檢驗中心(山西)，山西 晉城 048000)

滲透率是表征煤層氣可采性的關鍵參數之一，直接影響到煤層氣采收率及可采資源量。煤層氣產出經歷三級流動階段，氣井排水壓降至臨界解吸壓力以后，煤層氣從煤基質孔隙解吸，濃度差的存在驅使氣體逐漸向顯微裂隙擴散，再在流體勢的作用下流向宏觀裂隙，運移至井筒產出。整個流動過程與煤儲層滲透率密切相關。

煤儲層滲透率主要通過現場原位儲層測試(下文簡稱試井滲透率)和樣品實驗室測試(下文簡稱實驗滲透率)及數值模擬和預測獲得。我國絕大多數煤儲層呈現為欠壓、低滲特征，鉆桿測試、水罐測試及段塞測試均難獲得試井滲透率，注入/壓降測試也不完全適用我國大多數氣飽和儲層，且測試成本高。由于煤儲層裂隙發育的非均質性，同一煤層氣區塊不同位置獲得的試井滲透率相差幾個數量級，少量試井結果難以反映整體煤儲層的狀態。不同測試儀器、測試方法、樣品尺寸、圍壓、流壓、溫度及測試介質條件下獲得的實驗滲透率也沒有可比性。煤儲層滲透率測值的不準確性是導致我國部分煤層氣井累計產氣量大于由試井滲透率計算的單井煤儲層產氣量的原因之一。

煤儲層滲透率受多因素影響，如天然裂隙、煤體結構、煤巖、煤質特征及地質構造、應力狀態、有效埋藏深度(溫度、壓力)、煤化程度、構造演化歷史、水文地質條件等。國內外學者對影響因素的相關研究取得了一系列成果。筆者側重分析煤儲層滲透率測試、模擬及預測方法的可靠性及適應性。

1 測 試

滲透率測試方法有2種：一是在現場對原位煤儲層進行的試井法；二是在實驗室對煤柱樣進行地層溫度條件下的流量測試法。

1.1 試井法

常用的試井法有鉆桿測試(也叫DST測試)、注入/壓降測試、段塞測試、水罐測試和干擾測試等。不同的測試方法有其優缺點及適用范圍(表1)，地質條件及流體狀態影響了測試的準確性。煤儲層試井方法的選擇除受井況制約外，還受完井類型、儲層壓力、滲透率大小及儲層流體類型的影響。

表1 煤儲層滲透率常用的試井方法評述

DST測試在確定煤儲層基本參數方面具有獨特優勢。對勘探井而言，最好的測試時機為鉆井過程中進行裸眼DST測試，即打開煤儲層后立即進行測試，此時儲層損害最輕且所有可產氣層均可進行測試，便于對儲層參數做出準確評價。但對于低壓低滲儲層，由于產量低、開井時間短等因素的影響，常常達不到徑向流，導致試井資料不能解釋，測試失敗，姚艷芳等在龍1井第1次DST測試即此原因導致不能計算儲層參數。

注入/壓降測試獲得的煤儲層滲透率參數較可靠，但對于儲層壓力低、滲透率小的區塊，壓力傳播速度較慢，可考慮適當延長測試時間提高測試的可靠性。曹運興等通過在潞安礦區30余口煤層氣井的延時試井測試，驗證了注入時間為8～12 h、關井時間為注入時間7～11倍時測試結果的可靠性。

對未進行措施改造的套管方式完井的井，測試前通常需要進行疏通處理或實施微型改造措施，以便提高井底附近被污染的裂隙與儲層的連通性，提高測試成功率。這些小規模措施改造產生的裂隙較短，在較短的測試時間內就能達到擬徑向流；對于措施改造后的套管方式完井的井，若無措施改造前的測試資料，則需通過延長測試時間或增大注入壓力等可控因素，獲得更可靠的煤儲層參數。此外，應采用井下關井工具，減小井筒儲集的影響，提高測試成功率。對措施井盡量不采用段塞測試，因為段塞測試的探測半徑小，解釋結果不惟一。

綜合以上研究，試井測試方法選擇的關鍵因素是煤儲層滲透率、煤儲層壓力條件、煤儲層產出流體類型及產出流體能否到達地面(表2)。注入流體的選取不能改變原始地下流體，即對水飽和的煤儲層絕對不能采用注氣測試，而對存在大量游離氣的井一般不采用注水測試。對于壓力梯度大、滲透率高的煤儲層，如果產出流體能夠到達地面，可選擇DST測試、壓降/壓恢測試或注入/壓降測試；如果產出流體無法到達地面，則僅有注入/壓降測試較適用。對于壓力梯度小、滲透率高的煤儲層，可選段塞測試或水罐測試，而對于儲層條件較差，壓力梯度小、滲透率低的煤儲層，選擇注入/壓降試井測試，通過合理延長測試時間，也能夠獲取可靠的煤儲層參數。

表2 煤儲層滲透率試井方法對比[52-55]

我國煤儲層絕大多數為低壓、低滲儲層，在多數煤層氣勘探開發區內，儲層流體不能自動產出到地面，這導致DST測試、水罐測試及段塞測試不適用，或者難以在保證成功率的前提下得到準確的儲層參數，只有注入/壓降測試，適用我國的煤儲層特征且能夠可靠地獲得儲層參數，目前廣泛應用于我國煤儲層參數測試和評價，并形成了煤層氣行業國家標準。

此外，煤層氣井生產數據歷史擬合得到的煤儲層滲透率大于注入/壓降試井滲透率，通過歷史擬合生產井的水、氣產量及壓力等排采數據，可以準確地認識煤儲層滲透率參數。當擁有煤層氣生產數據時，該方法所確定的滲透率較各種試井方法更準確，能夠代表煤儲層的真實滲透率。

1.2 流量測試法

依據不同測試原理，可將實驗室滲透率測定方法分為2類：穩態法及非穩態法，不同方法的差別主要體現在測試原理(表3)、樣品尺寸、質量、測試環境、精度等方面(表4)。穩態法包括恒壓法、恒流法等，非穩態法主要為瞬態壓力脈沖法。

表3 實驗室滲透率測試方法示意、初始邊界條件及原理

表4 煤樣滲透率實驗室測試方法演化

對于實驗室滲透率測試來說，穩態法對高滲樣品較為適用，對于滲透率較低的煤樣，穩態法測試需要等待流體完全穿過測試樣品，測試效率較低，且測試過程易受溫度壓力影響，誤差較大。非穩態法規避煤樣出口流速難以精準測量的難題，僅需記錄脈沖壓力由上游逐漸傳到下游過程中兩容器間的壓差，測試效率較高，且可保證低滲煤樣的測試精度。滲透率具有應力敏感性，加圍壓煤樣滲透率降低，去圍壓后滲透率僅能部分恢復，高圍壓下所測煤樣滲透率比低圍壓下低1～2個數量級。

2 模 擬

模擬是指通過工程建模及數值計算等方法達到對工程問題和物理問題研究的目的。在模擬煤儲層滲透率時，為突出裂隙的影響，通常采用理想化模型，如球形模型、毛細管模型、火柴棒模型和立方體模型(圖1)?，F階段多使用火柴棒模型。

圖1 煤基質規則化模型

模型的邊界條件同樣也是理想化的對象。假設在煤層氣開采過程中煤儲層垂直方向發生位移，邊界條件可以假定為具有恒定垂直外應力的單軸應變條件模型(圖2)；假設煤儲層垂直與水平方向均未發生位移，邊界條件可以假定為恒定體積條件模型；在實驗室中，總是在三軸應力條件下測試煤的滲透率，即三軸應力條件模型。MASSAROTTO等認為恒定體積條件更適合煤儲層。

圖2 滲透率模型邊界條件

2.1 單軸應變條件模型

1987年，GRAY在單軸應變條件下量化了基質收縮對裂隙滲透率的影響，他基于火柴棒模型，提出了考慮基質收縮及有效應力的滲透率模型(下文簡稱GRAY模型)。

(1)

式中，為入口壓力，MPa；為出口壓力，MPa；為黏度，Pa·s。

該模型存在的最大問題是認為基質收縮與等效吸附壓力之間存在定量比例關系(表5)，而在煤儲層天然裂隙中，滲透率對應力或孔隙壓力的變化(即有效應力變化)很敏感。煤層氣開采一方面導致煤儲層壓力下降，有效應力增加導致裂隙壓縮，滲透率下降；另一方面煤層氣解吸會使煤基質收縮，裂隙張開，滲透率增加。裂隙壓縮負效應和基質收縮正效應對滲透率的耦合影響使得煤儲層滲透率的理論模擬變為一個復雜的非線性問題。

表5 單軸應變條件模型演化分析

P-M模型由PALMER和MANSOORI于1996年提出，其描述方程適用于單軸應變條件下的煤儲層，并將孔隙壓力下降導致的有效應力效應和基質收縮效應結合在一個方程中。更重要的是基質收縮不再作為平均值，而是作為儲層壓力的函數并入模型中。

(2)

式中，為煤儲層初始滲透率，10m；為軸向模量，MPa；為煤儲層原始孔隙度，%；為煤儲層壓力，MPa；為煤儲層初始壓力，MPa；為孔隙體積模量，MPa；為朗格繆爾理論最大應變量，即無限壓力下的漸進值；為朗格繆爾系數，MPa。

P-M模型是目前應用較為廣泛的煤儲層滲透率模型，是煤層氣滲透率理論推導的基礎。該理論的局限性主要是煤儲層孔隙度變化必須很小，當孔隙度變化小于30%時，該理論較為準確，孔隙度變化超過30%時，模型的預測結果仍具有趨勢性預測效果。此外，P-M模型基于的理想化假設：煤樣處在單軸應變條件下且垂向應力恒定，其合理性有待商榷。因為煤層氣開發主氣流通常平行于煤儲層，而不是垂直于煤儲層，無法用只能提供單一軸向應力的常規巖心滲透率試驗裝置進行建模。

S-D模型由SHI和DURUCAN于2004年提出，為單軸應變條件下與孔隙壓力相關的裂隙滲透率模型。模型中煤儲層裂隙滲透率的變化受水平有效應力控制，將煤基質理想化為具有規則火柴棒幾何形狀，單軸應變條件下水平有效應力變化表示為孔隙壓力降低的函數，其中包括對滲透率具有競爭性影響的裂隙壓縮效應和基質收縮效應。

(3)

式中，為裂隙壓縮系數，MPa；為泊松比；為彈性模量，MPa；為朗格繆爾型矩陣收縮常數。

S-D模型形式上與GRAY模型類似，均認為在流體壓力下降過程中，裂隙滲透率的變化受主要有效水平應力控制。2個模型的最大區別為：S-D模型認為基質體積收縮與解吸氣體的體積成正比，GRAY模型則認為基質體積收縮與等效吸附壓力的降低成正比。SHI和DURUCAN在美國圣胡安盆地對該模型進行現場驗證，模擬得到3口井在煤層氣生產過程中絕對滲透率的增加量，發現其與P-M模型得到的滲透率非常一致，證明S-D模型至少能夠定性預測較低壓降下滲透率的增長趨勢。

C-B模型是由CUI和BUSTIN于2005年基于線性非等溫吸附模型提出的與應力相關滲透率模型，C-B模型假設氣體吸附誘導的體積應變與氣體吸附質的體積近似成正比，將煤儲層因煤層氣吸附效應導致的變形理想化為彈性多孔介質的溫度變化效應：

(4)

該模型假設煤基質和煤裂隙中的壓力始終相同，忽略了煤裂隙和煤基質之間可能存在的不同壓力。

2.2 恒定體積條件模型

2009年，MASSAROTTO等認為煤儲層實際上處于恒定體積條件，并指出隨著時間的推移，儲層的基本恒定體積(原始體積的99.72%～99.95%)是由儲層上覆蓋層的彎曲強度和拉伸強度保持的。2011年，MA等在恒定體積假設條件下，利用火柴棒模型提出了一種基于煤基質、固體顆粒和孔隙之間體積平衡的煤滲透率模擬方程(下文簡稱MA模型)。

恒定體積條件下，儲層可以視為一個整體，包括2個組成部分：基質/顆粒體積和孔隙體積。由于該理論假設體積變化為0，所以煤基質尺寸的減小與裂隙孔徑尺寸的增加相等。

(5)

MA模型的方程式雖然復雜，但所需的彈性模量()、泊松比()和收縮參數(和)均易測得，計算結果沒有不確定性，是該模型的優點之一。此外，MA模型的滲透率模擬數據與歷史匹配數據、P-M模型數據和S-D模型數據均擬合較好(圖3，4)，準確度較高。

圖3 MA模型、歷史匹配和P-M模型滲透率增量對比[72]

圖4 MA模型、歷史匹配和S-D模型滲透率增量對比[72]

2.3 三軸應力條件模型

周軍平等認為單獨考察某個因素對煤巖滲透率的影響不夠全面，他們綜合考慮孔隙壓力、有效應力和煤巖體基質收縮的共同作用建立了煤層氣儲層滲透率的一般性模型(下文簡稱ZHOU模型)。

ZHOU模型假設煤巖體各向同性，并且基于多孔彈性介質理論，將基質收縮效應等效于熱收縮效應，理想化假設解/吸附效應只引發體積應變且引發的應變在3個主應力方向大小相等，同時考慮了煤顆粒的可壓縮性。

(6)

式中，為正有效應力系數(0≤≤1)；為煤顆粒壓縮率；為煤樣達到最大應變量的一半時的壓力；為初始壓力為時的煤儲層孔隙度。

ZHOU模型表明有效應力效應與解吸效應引起的體積應變互相影響，共同控制著滲透率大小，且影響效應相反。

CONNELL利用多孔介質和三軸應力假設提出了一種新的煤儲層流動與地質力學耦合滲透率模型(下文簡稱CONNELL模型)。CONNELL模型將吸附應變劃分為體積應變、孔隙應變和基質應變，將煤滲透性的變化視為有效應力的函數，假設各向同性吸附誘導應變、單軸應變條件和恒定的垂直應力。在該模型中，有效水平應力的變化是垂直應力、水平應變、水平吸附應變和孔隙壓力變化綜合作用的結果。CONNELL模型有2種形式：立方模型(形式類似于P-M模型，式(7))和指數模型(形式類似于S-D模型，式(8))。

(7)

=exp{-3[(-)+(-)]}

(8)

式中，為基準狀態下的裂隙孔隙度；為孔隙圍壓，Pa；為參考狀態下的孔隙壓力，Pa；為吸附誘導的巖石體積應變；為吸附引起的基體體積應變；為吸附誘導的孔隙體積應變。

在2.0，4.0，6.0 MPa孔隙壓力下，將計算的滲透率與實測滲透率進行比較，發現指數型和立方型模型模擬值與等效測量值均一致。但在孔隙壓力較低時，模型的預測值高于測量值，在孔隙壓力為2.0 MPa時，模型的預測值約高20%。

ROBERTSON和CHRISTIANSEN利用立方體模型和三軸應力假設，提出了煤和其他裂隙吸附彈性介質的滲透率模型(下文簡稱R-C模型)。以立方幾何模型代替火柴棒模型，假設裂隙寬度的變化是由裂隙壓縮性、機械彈性和吸附誘導應變引起的，將這3種效應相加，估算滲透率隨儲層壓力的變化。

(9)

式中，為速度，cm/s；為無約束樣品在無限孔隙壓力下的線性應變；p為初始孔隙壓力；為吸附誘導應變等于最大應變一半時的朗繆爾壓力，6.895 kPa。

R-C模型適用于可變孔隙壓力和恒定上覆壓力。模型的敏感性分析表明，與泊松比和楊氏模量相比，孔隙度、吸附誘導應變和裂隙壓縮性對滲透率的影響更為顯著。ROBERTSON和CHRISTIANSEN將該模型的性能與P-M模型和S-D模型進行了比較，認為2個模型都夸大了吸附誘導應變對甲烷和氮氣滲透率的影響。

2.4 模型對比

假設模型為恒定體積條件，則所有的煤基質吸附變形都會體現為煤樣滲透性的變化，假設模型在具有恒定垂直外部應力的單軸應變條件下，則幾乎所有的水平膨脹變形都會導致滲透率的變化。多數實驗都是在保持外部應力不變的情況下進行的，此時外部邊界可向水平和垂直擴展。

在現有的滲透率模型中，如S-D和P-M模型滲透率關系中使用的體積吸附應變，是通過假設孔隙和體積吸附應變等效實現的。但通過理論論證和模型對實驗數據的應用表明，這些吸附應變可能不相等。ROBERTSON和CHRISTIANSEN發現，在單軸應變條件下開發的P-M和S-D模型無法與通過保持外部應力不變獲得的滲透率數據良好匹配，煤裂隙和基質間存在相互作用，這一影響因素被忽略。

邊界條件對滲透率模型非常重要。在定容條件下建立的模型，與基于單軸應變條件建立的模型有明顯不同。根據MASSAROTTO等研究成果，尚未觀察到因煤中產出甲烷而發生的沉降參考文獻，目前尚無證據表明恒定體積條件是合理的，盡管單軸應變條件是目前最常用的模型基礎，但沒有任何支持其合理性的證據。因此，單軸應變條件和恒定體積條件之間的爭議依舊存在，需要進一步研究，以最終確定哪一種情況適用于煤層氣滲透率模擬。

目前實驗室三軸滲透率測試和實驗室巖心測試很難復制S-D模型和P-M模型。為了簡化地質力學過程，設定了理想化的單軸應變和恒定垂直應力。因而三軸應力邊界條件更具有適用性，并且可通過替換特定的邊界條件，三軸應力模型可以轉換為具有恒定體積、單軸應變或其他邊界條件的模型。

恒定體積條件、單軸應變條件或三軸應力條件都只是煤儲層的假定邊界條件。影響煤儲層滲透率的因素多且復雜，不僅僅與其所處的力學邊界條件有關，后續模擬模型可考慮對煤儲層滲透率進行多物理場、多因素耦合動態研究。

3 預 測

煤儲層滲透率預測的基本思路是利用已有數據，建立滲透率與其影響參數之間的定量關系(表6)，實現對未知區域滲透率的預測。煤儲層滲透率的內在影響因素包括：裂隙、孔隙和煤體結構等；外在影響因素包括：原地應力、有效應力等。大量學者基于滲透率與上述單一影響因素間關系，建立了適用不同地區的滲透率定量預測模型。同時，部分學者利用現代計算機技術、人工智能手段對煤儲層進行考慮多因素的滲透率綜合預測。

表6 滲透率影響因素與定量預測

3.1 單一主控因素預測

..裂隙

煤儲層是由煤裂隙和煤基質組成的雙孔隙介質，其滲透率大小與裂隙系統密切相關。HOBBS研究表明滲透率與裂隙系統參數存在如下關系：

(10)

其中，為基質滲透率；為煤裂隙壁距；為煤裂隙間距；為裂隙面與水平面夾角。煤儲層基質滲透率較小，基本可以忽略不計，由式(10)可知煤儲層的裂隙壁距與間距對滲透率起控制作用，可根據裂隙的發育情況對儲層滲透率進行預測。

筆者對采自沁水盆地中—南部5個礦井的塊煤樣進行裂隙與滲透率耦合分析表明：大裂隙發育的煤樣滲透率最高(晉城成莊礦、高平望云礦)；小裂隙較發育的煤樣滲透率中等(沁源沁新礦)；裂隙不發育的煤樣滲透率最低(潞安常村礦、五陽礦煤樣)。隨著裂隙面密度的增加，模擬滲透率指數增加：

=0029 2exp(0009 6)

(11)

其中，為裂隙面密度模擬滲透率，10m；為裂隙面密度，條/m。當裂隙面密度大于128條/m時，煤儲層滲透率大于0.1×10m。

筆者結合LEVINE提出的公式，結合滲透率裂隙二階張量公式，建立了滲透率與裂隙寬度之間的數學模型，通過壓縮實驗，結合淺部煤裂隙對該區深部煤儲層滲透率進行了預測。

(12)

(13)

其中，為有效滲透率；,,分別為割理傾角、傾向、走向；為裂隙粗糙系數；為裂隙組組號；為裂隙組總數。結果表明隨埋深增加裂隙寬度指數降低，煤儲層滲透率隨之指數降低，煤儲層埋深大于1 000 m，其滲透率普遍小于0.1×10m。

MCKEE假定顆粒不可壓縮，假設Carmen-Kozeny方程有效，孔隙度的變化與總有效應力的變化成反比，推導了煤滲透率、孔隙度和與有效應力、裂隙寬度等參數間的函數表達式，表明滲透率大小與裂隙寬度的3次方成正比(相關系數大于0.95)。因此，在煤儲層其他賦存狀態相差不大時，天然裂隙系統是否發育直接決定著滲透率的大小，裂隙系統越發育，越有利于形成高滲透率煤儲層。

..煤體結構

煤體結構是煤儲層在構造應力作用下的結果，煤體構造變形程度的反映。

呂閏生等按《防治煤與瓦斯突出規定》將采自焦作煤田的煤樣劃分為5類(Ⅰ～Ⅴ)。使用煤堅固性系數作為煤體結構分類的指標建立了滲透率與的定量函數表達式為

=3392 6exp[-25770 2(-075)]+0010 2

(14)

該模型相關系數為0.78，擬合性較好。當煤體結構由簡單(Ⅰ類)變復雜(Ⅴ類)，滲透率先增大后減小呈指數非線性稱變化。Ⅰ類煤、Ⅲ～Ⅴ類煤滲透率相對較低，Ⅱ類及Ⅱ～Ⅲ類過渡煤體滲透率最高。

筆者對兩淮煤田各礦井煤體結構觀測和鉆孔煤層測井曲線解釋，將煤體結構劃分為原生結構-碎裂煤(Ⅰ類)、碎斑煤(Ⅱ類)和糜棱煤(Ⅲ類)3種類型。通過聚類分析，結合煤儲層試井滲透率，建立了煤儲層滲透率與煤體結構間的定量函數：

=7642 8×10exp(-968)

(15)

式中，為煤儲層中Ⅱ，Ⅲ類煤所占煤厚比值，%。

煤儲層中Ⅱ類、Ⅲ類煤厚度占比大于50%，其滲透率低于0.1×10m；只有Ⅱ類、Ⅲ類煤占比小于20%時，煤儲層滲透率才有可能達到1.0×10m以上。

..地應力

劉大錳等擬合表明沁水盆地鄭莊區塊試井滲透率隨最小水平主應力、最大水平主應力、垂向主應力和有效應力的增大均呈負指數減小(圖5)。

圖5 沁水盆地南部鄭莊區塊滲透率與地應力擬合關系[90]

筆者基于煤樣在儲層條件下的三軸壓縮力學實驗，得到了不同水平應力下的力學參數，利用FLAC-3D軟件模擬了山西沁水盆地中南部上主煤儲層(山西組3號煤層)應力大小，結合18套煤儲層試井滲透率成果，建立了應力-滲透率耦合數學模型：

=297883exp(-0238-0378+

0208+0543)

(16)

式中，為垂向主應力，MPa；為最大水平主應力，MPa；為最小水平主應力，MPa；為剪應力，MPa。

模型預測結果顯示：煤儲層滲透率呈橢圓形分布，盆地底部(埋深1 000 m以深)滲透率小于0.1×10m；盆地斜坡帶(埋深600～1 000 m)滲透率在0.1×10～0.5×10m；盆地西緣和北部滲透率在0.5×10m左右；盆地東緣和南部滲透率大多在0.5×10～1.0×10m。

煤儲層滲透率與埋深呈負相關，孟召平等對沁水盆地南部43口煤層氣井試井滲透率的研究結果認為，煤儲層滲透率隨埋深變化的實質是地應力作用的結果。埋深在650 m以淺的煤儲層，最小水平主應力小于12 MPa，此時儲層滲透率平均值大于1.0×10m；在650～1 000 m煤儲層，最小水平主應力為12～20 MPa，此時煤儲層滲透率的平均值大于0.1×10m；在1 000～1 500 m煤儲層，最小水平主應力大于20 MPa，煤儲層滲透率平均值大于0.01×10m。具體來說，隨埋深的增大，沁水盆地中、南部煤儲層試井滲透率指數減小(圖6)。

圖6 滲透率與埋深關系曲線[105]

..構造曲率

構造曲率是表征線/面彎曲程度的量化參數，其大小可用于反映煤儲層變形程度。通過構造曲率來評估裂隙發育情況，是最具代表性的高滲區地質預測法，該法認為在巖石力學性質相似的條件下，曲率越大，裂隙越發育，滲透性就越好，最大構造曲率地帶即是高滲透區。

林然等采用構造曲率來預測滲透率，把樊莊區塊劃分為特高、高、中等、低4個曲率區，實現了該區塊高滲區預測。趙爭光等基于最大主曲率對海拉爾盆地呼和湖凹陷C煤層進行了的煤儲層滲透性預測，構建了基于最大構造曲率、煤儲層厚度和裂隙間距的煤儲層滲透率數值預測模型。

(17)

黃波等也通過上述公式預測古交區塊8號煤儲層滲透率，預測結果表明：該區塊煤儲層滲透率介于0.002×10～0.650 ×10m，北部最高，東部最低；與試井、試驗測試裂隙滲透率的結果較為吻合，證實了該方法預測的準確性。

需要指出的是，構造曲率過高會影響到煤體裂隙的張開，往往會促使煤體嚴重破碎的構造煤發育，導致煤儲層滲透率極差，這也是該法近年來受到普遍質疑的原因。

上述煤儲層滲透率均是與單一主控因素間的定量預測。但影響煤儲層滲透率大小的內、外因素很多，在不同的賦存環境下，主導控制因素會有所變化。因此在進行滲透率預測時需要因地制宜地選擇主控影響因素，效果最好應該是綜合預測。

3.2 人工智能綜合預測

現代計算機手段在煤儲層滲透率預測方面得到了越來越多的應用。煤儲層滲透率受多種影響因子綜合影響，通過灰色關聯技術，多層次模糊綜合評價等方法，能夠優選出關鍵影響因子，同時結合神經網絡及支持向量回歸機等方法，發揮非線性動力學系統的優勢，使預測更為精準(表7)。

表7 煤儲層滲透率人工智能綜合預測方法

4 問題與展望

煤儲層滲透率測試、模擬及預測已進行了大量的研究，并在試井測試和實驗室測試等方面形成了標準。但由于煤儲層孔裂隙發育、氣體賦存、構造作用及應力分布的復雜性，煤儲層滲透率在精確測試、精準模擬和精度預測方面還存在諸多問題。

(1)對試井方法而言，由于儲層流體狀態、煤儲層非均質性和各向異性、測試設備、測試工藝、井壁污染、及測試方法局限性、測試人員素質等因素的影響，獲得的試井儲層參數只能代表周圍煤儲層平均值，不能完全客觀地、準確地反映煤儲層的實際情況?，F有的試井數學解釋模型與實際煤儲層也存在差距，充分考慮我國煤儲層特點，針對性開發煤層氣試井資料解釋模型及試井資料分析方法是未來研究重點。同時對現場實際而言，試井方法測試成本很高，通過室內相似模擬物理試驗，可控制研究成本，減少外部干擾，驗證試井解釋模型的準確性，有利于試井方法的進一步研究。

(2)實驗滲透率受到尺度效應、賈敏效應等的影響，導致原煤柱樣、成型煤樣比試井滲透率低得多。由于條件限制，無法做到對煤儲層復雜賦存狀態的精確模擬，另一方面，取樣制樣過程會在煤樣內部產生擾動，改變煤樣內部應力狀態，導致裂隙變化，使室內實驗樣品很難具有代表性，尤其是構造煤不能夠制定原煤樣。此外，實驗室煤樣測試的最大尺寸為直徑75 mm、高150 mm的圓柱型煤樣，不可能包括原位煤儲層中大的裂隙，這也導致目前實驗室條件下無法真實模擬原位煤儲層滲透率。因此，實驗滲透率不能完全代表原位煤儲層滲透率。但可大致反映煤儲層滲透率的狀況。然而現今實驗滲透率測試行業標準不統一，建議制訂統一方法、儀器、煤樣尺寸、圍壓、儲層壓力、溫度及同一流體介質條件下的滲透率測試國家標準。

(3)現階段的滲透率模擬模型中，無論是實驗研究還是數值模擬，均為基于某方面假定，得到某一條件下的滲透率，如假設基質體積收縮與等效吸附壓力的降低成正比、假設基質體積收縮與解吸氣體的體積成正比或假設裂隙壓縮系數為常數等等。但是煤儲層作為一種連續各向異性非均質介質，滲透率具有多因素性、隨機性、模糊性的特點，上述的假設僅出于理想狀態的考慮，能夠做到對滲透率趨勢變化的預測，但不能做到對滲透率的精確刻畫。同時關于不同邊界條件的模擬設定，現階段仍沒有足夠證據證明哪個更適用于煤儲層滲透率這個復雜非線性參數的模擬，其適用性有待進一步研究。

(4)煤儲層滲透率研究涉及煤基質塊、氣及水(油)三相介質，宏觀裂隙、微觀裂隙及孔隙三元結構系統，吸附/解吸、擴散及滲流、紊流等多級流動。但由于壓降和滲流速度在裂隙與煤基質內存在差異，就導致在煤體內部事實上存在2個非連續壓力滲流場。目前多見單孔或雙孔連續介質滲流模型，對三元結構系統模型鮮見報道。若將地質模型、數學模型、計算機模型等手段有機結合起來建立綜合模型，其模擬、預測的滲透率將越來越接近煤巖體的真實滲透率。

(5)無論是通過建立煤儲層滲透率與單一主控因素之間的定量關系進行預測，還是利用現代計算機技術通過神經網絡及支持向量回歸機等方法進行預測，其本質都是通過已經獲取的煤儲層相關參數來預測相似儲層條件下的未知區域的滲透率。作為一個非線性參數，滲透率的影響因素非常復雜，受各種影響因子的耦合控制，這導致現有滲透率預測方法存在適用性問題，盡管可以通過灰色關聯技術、多層次模糊綜合評價等手段對不同影響因子進行優選或權重再分配，但仍會受到人為主觀因素的干擾。

5 結 論

(1)我國煤儲層多呈現為低壓、低滲特征，現場注入測試是獲取原位煤儲層滲透率的主要方法，實驗室非穩態法測試適合我國低滲煤儲層。

(2)單軸應變條件下的P-M模型和S-D模型適用于恒定垂直外部應力條件下的模擬，恒定體積條件下的MA模型對于多數煤類輸入的參數均可測量，模擬結果可靠性更高，三軸應力條件下的Connell模型和ZHOU模型更有利于通過實驗室測定對模擬滲透率進行驗證。

(3)基于單一主控因素的煤儲層滲透率預測效果較好，綜合多因素的人工智能技術預測的滲透率較可靠，基于煤層氣井產量數據歷史匹配得出的滲透率將更加接近原位煤儲層真實滲透率。