煤储层多尺度裂隙特征及其对渗透性的控制

煤储层是一种具有双重孔隙-裂隙型储层，孔隙是煤层中气体储存的主要空间；裂隙是煤层中流体运移的主要通道，是影响和控制煤储层渗透性的直接因素。本书采用理论分析、室内实验测试与数值模拟等多学科理论与方法，对煤储层多尺度裂隙参数进行了精细定量表征，系统研究了煤储层中宏观裂隙、微米级裂隙和纳米级裂隙结构演化特征及其主控因素，探讨了煤储层多尺度裂隙结构对煤储层渗透性的控制机理。

煤层气是指在成煤作用过程形成的，赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主，并部分游离于煤孔隙、裂隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。煤层气是一种重要的非常规天然气资源，我国2000m以浅的煤层气资源量约为3.68×1013m3，与我国陆上天然气总量相当，仅次于俄罗斯和加拿大，居世界第三位。煤层气资源的开发与利用，对保障煤矿安全生产、提高清洁能源比例及降低温室气体排放均具有重要意义。然而，我国煤储层孔隙和裂隙结构具有复杂性，加之地应力、地温等环境条件复杂，煤层气储层表现出较强的非均质性和低渗透性特征，造成连续多年我国的实际煤层气产量与规划目标存在较大差距。鉴于煤层渗透性是决定煤层气产量的重要因素，而煤中裂隙发育特征对煤储层渗透性具有决定性作用，因此，对煤中裂隙进行详细的定量表征，并探讨其对煤层渗透性的控制作用对保障煤矿安全生产、指导煤层气开发选区、提高煤层气产量以减少温室气体排放具有重要意义。

我国关于煤中裂隙的研究工作最早出现在20世纪50年代，学者们主要从构造、煤矿安全生产等角度进行煤层裂隙的研究工作。之后，煤中裂隙的研究经历了一个由宏观到微观、由二维平面研究到三维立体研究的发展过程，形成了一套较为完善的裂隙研究思路。然而，煤中裂隙分布范围广泛，研究方法较多，对煤岩多尺度的裂隙分布特征的研究也不够全面，其对煤层渗透性的控制机理也尚不明确，极大地制约了煤中瓦斯(煤层气)的排采工作。因此，迫切需要提出经济准确的煤岩多尺度裂隙表征方法，查明多尺度裂隙对煤储层渗透性的控制机理。

本书针对上述存在的问题，结合我国煤储层特征及煤层气开发特点，综合煤地质学、煤层气地质学、岩石学、流体力学、煤化学、图形学及分形几何学等多学科理论与方法，运用理论推导、物理实验以及数值模拟等技术手段，开展了不同地区、不同煤级煤中多尺度裂隙结构精细定量表征，构建了不同煤级煤中不同尺度微裂隙结构的三维可视化模型；揭示煤中不同尺度微裂隙的三维结构演化特征、分布规律及其主控因素；系统研究了不同应力作用下煤渗透性的各向异性特征和应力敏感性动态变化规律，深入探讨了微裂隙结构特征对煤渗透性的控制机理；实现了复杂三维微裂隙网络结构中的渗流模拟，揭示了单相水流和甲烷气体在复杂微裂隙空间中的渗流规律。本书研究成果丰富和完善了煤层气地质学的理论和方法，为煤层气的有效开发提供理论基础和科学依据。

煤中裂隙的形态示意图

通过体视显微镜获取样品横截面裂隙数据过程

使用Zeiss Axio Imager microscope 对样品三个不同方向微米尺度裂隙发育特征的获取步骤

煤中微观裂隙观测照片

孔隙网络的连通域检测结果

本书主要研究内容

煤储层多尺度裂隙的精细表征方法构建

基于煤中不同尺度裂隙非均质性特征及其对煤层气运移贡献的差异，针对煤中不同尺度裂隙的主要研究方法及测试技术进行了系统分析和总结，厘清了各种研究方法的优缺点及其适用范围，提出了一种较为准确的多尺度裂隙精细定量表征方法。

煤储层多尺度裂隙结构演化特征及影响因素

结合笔者近年来关于不同尺度裂隙的研究成果，将煤中裂隙分为宏观裂隙、微米尺度裂隙和纳米尺度裂隙，精细表征了裂隙密度、张开度、间距、粗糙度、连通性和各向异性等裂隙结构参数，并揭示了煤中多尺度裂隙结构演化特征及其主控因素，以期为今后煤层气开发选区和煤储层改造提供指导。

多尺度裂隙对煤储层渗透性的控制机理及渗流模拟

煤储层渗透性是决定煤层气开发效果的决定性因素之一，而煤中裂隙是控制煤储层渗透性大小的直接因素。本书以典型矿区裂隙发育特征为切入点，揭示了煤储层裂隙结构演化特征对煤储层渗透性的控制作用及其作用机理。基于纳米CT扫描技术构建了煤的真三维微裂隙网络系统并进行了渗流模拟研究。

纵波速度、裂隙发育特征及渗透率的关系

作为一种无损检测方法，纵波速度已经广泛地应用于煤岩裂隙及渗透率的相关研究中，并取得了一定的研究成果。本书以典型矿区煤岩纵波速度特征为切入点，构建了煤岩纵波速度、裂隙发育特征及渗透率之间的相关关系，并探讨了其作用机制，研究结论对借助于纵波速度估算煤储层裂隙发育特征和渗透性大小具有指导意义。

《煤储层多尺度裂隙特征及其对渗透性的控制》

ISBN 978-7-03-072153-2

潘结南 李五忠 施兴华 王振至 王海超 著

本书可供煤层气(瓦斯)地质、煤地质学等方向研究人员与科技工作者阅读参考，也可作为高等院校相关专业研究生的参考书。

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