石油圈
隨著近年來煤層氣勘探和開發技術的進步，國內能源需求量的增加，深部煤層氣的開發成為可能且勢在必行。深部煤層一般處在具有高地應力、高溫和高壓的環境中，對復雜地質條件耦合作用下煤層氣儲層物性差異演化的研究均處在探索階段，這是深部煤層氣遲遲達不到規模性開發的主要原因。煤層氣儲層物性是煤層孔隙性、含氣性、滲透性和可改造性四者關系的耦合體現，受控于各類動力學條件之間的匹配關系，深部煤層氣儲層差異演化關鍵所在是深部應力場、地溫場、壓力場制約下煤巖孔裂隙結構的演化、煤儲層吸附-解吸-擴散-滲流間平衡關系，以及煤層應力應變力學性質，解決這一科學問題，可以為深部煤層氣有利區帶的預測和勘探開發技術的突破提供理論指導。
3 深部煤儲層滲透性及其影響因素
煤儲層滲透性是制約煤層氣勘探選區的重要參數，主要受地應力、流體壓力和地層溫度等因素的共同影響，而對于深部煤層來說，這些因素對滲透性的影響將更為復雜。古構造應力場作用控制了裂隙的生成，現代構造應力場控制裂隙開合，兩者耦合控制著煤儲層的滲透率，因此，地應力是決定煤儲層滲透率的最關鍵因素。
隨著埋藏深度的增加，地應力增強，其對煤層變形與破壞的影響將更加突出。美國黑勇士盆地地應力為1~6MPa，澳大利亞東部悉尼盆地、鮑恩盆地為1~10MPa；而中國煤礦區的地應力值變化很大，主要集中在8~17MPa。
與美國、澳大利亞相比，中國的煤儲層所承受的原地應力大，因此我國煤層滲透率大多低于美國和澳大利亞煤盆地。一些學者通過對現場試井滲透率和地應力的統計分析，建立了煤層埋深、地應力與煤儲層滲透性之間的關系，認為650m以淺煤儲層地應力處于伸張帶，最小水平主應力小于12MPa，煤儲層滲透率平均大于1.0×10￣3μm2；650~1000m煤儲層地應力處于由伸張帶轉化為壓縮帶的過渡帶，最小水平主應力為12~20MPa，煤儲層滲透率平均大于0.1×10￣3μm2；1000~1500m煤儲層地應力處于壓縮帶，最小水平主應力大于20MPa，煤儲層滲透率平均大于0.01×10￣3μm2。隨著煤層埋藏深度的增大，有效應力增強，煤儲層滲透率呈現出指數衰減的趨勢。因此，深部煤層滲透率偏低成為目前對深部煤層氣資源開發望而卻步的重要原因。
但也有學者對此提出了質疑，認為煤巖滲透率并非隨應力增加一直呈負指數規律降低；應力進入彈塑性階段，煤體中會產生新的微裂隙，滲透率趨于增長。在越接近峰值應力時，產生的微裂隙越多，其中有裂隙互相交割而貫通，滲透率急劇增長，至峰值強度后，煤巖失去最大承載能力，滲透率仍繼續增長，但增長減緩；最小滲透率出現在煤巖彈性變形發展到一定程度時，最大值則出現在煤巖軟化階段或塑性流動階段。
由此可見，對于深部煤儲層滲透率與地應力的關系到底如何，應力作用下的煤體結構變形及滲透率動態變化仍需不斷研究求證。但有一點可以肯定，隨埋深增加，垂向應力對于煤儲層滲透率的影響將逐步增大，需要重點考慮。
Hoek和Brown依據全球不同地區現代地應力測量結果，擬合了平均水平主應力和垂直主應力的比值(側壓系數)與埋深之間的關系，提出在淺部側壓系數較高且其變化范圍較大，而隨著埋深的增加，側壓系數及其變化范圍均呈逐漸減小的趨勢，反映地殼淺部以水平應力為主，深部主應力方向則轉換為垂向應力。
總體來說，地應力與深度的關系存在一個應力臨界深度轉換面，即在該界面之上，垂直主應力小于最大水平主應力；在該界面之下，垂直主應力大于最大水平主應力。垂向應力主導的深部煤層與水平應力主導的淺部煤層，其煤儲層滲透率存在怎樣的差異？不同應力狀態下的煤巖應力應變差異特點、煤儲層孔滲系統變化規律及其之間的互動過程將是深部煤儲層滲透性的研究重點。
溫壓條件對煤層滲透性的控制作用，也是學者們一直以來關注的熱點問題。一些學者通過實驗手段分析了流體壓力對煤層滲透率的影響，實驗中保持上覆圍壓不變，調節氣源壓力測定不同氣體壓力下的煤巖滲透率，結果表明隨著氣體壓力的降低，煤巖有效滲透率升高，這是由于煤巖的基質收縮效應產生了作用，即氣體壓力減小時，煤層氣解吸，煤基質會收縮使得裂隙擴張，從而導致煤層滲透率的增大。
肖曉春等則從考慮滑脫效應的角度對煤層氣開發過程中滲透率的動態變化進行了研究，認為千米深度下的煤儲層由于受到高地應力作用，氣體的滑脫效應會十分明顯，通過實驗分析了圍壓和孔隙壓力對低滲煤樣氣體滑脫效應的影響，得出了低滲煤樣氣體滑脫效應的理論公式，并指出低滲透儲層煤層氣的運移過程中滲透率變化存在3個主導作用階段效應，分別是開采初期的有效應力主導階段、基質收縮主導階段和滑脫效應主導階段。
而地層溫度對煤層滲透率的控制作用主要表現在兩個方面：由于升溫導致煤體骨架發生熱膨脹，從而使甲烷通道縮小，使煤樣甲烷滲透率也隨之降低；另一方面，溫度升高后，甲烷氣體的黏度降低，從而使煤體中甲烷的滲透率升高。
還有學者指出在有效應力較低時，高溫下的滲透率高于常溫下的滲透率；但在應力較高時，高溫下的滲透率往往低于常溫下的滲透率。盡管前人對不同應力和溫壓條件下的煤巖滲透率開展了大量的研究，但他們的研究基本局限于單因素對煤儲層滲透率的控制作用，多因素、綜合地質條件耦合作用下的煤儲層滲透率變化規律有待于進一步實驗分析。
4 深部煤儲層力學性質與可改造特征
深部煤層處在“三高”的地質條件下，煤巖力學性質與淺部煤層存在著明顯的差異，因此深部煤儲層可改造特征具有其特殊性。前人針對不同地質條件下的煤巖力學性質做了大量實驗，分析不同應力和溫壓條件下的煤巖抗壓強度和彈性模量，厘定了煤巖力學性質與應力、溫度和壓力的關系。
申建等通過煤巖力學性質模擬實驗發現，無論煤級如何，應力均是影響煤巖力學性質最顯著的因素。煤巖由于含有大量的孔隙和裂隙，隨著應力的增大，孔裂隙受壓閉合，煤巖剛性增強，彈性模量和抗壓強度增大。
但隨著應力持續增大，煤巖一旦發生破裂，煤儲層力學強度開始減弱，彈性模量和抗壓強度增大又呈現出變小的趨勢。溫度與煤巖彈性模量之間呈負指數關系，煤樣彈性模量隨溫度的升高而急劇下降。
還有學者通過實驗提出了不同的觀點：煤的抗壓強度與溫度呈多項式關系，在25~100℃區間，煤的抗壓強度和彈性模量呈減小趨勢；在100~200℃區間，煤的抗壓強度和彈性模量呈增加趨勢；在200~300℃區間，煤的強度和彈性模量呈減小趨勢。
儲層內部流體壓力對煤巖力學特性也會產生一定的影響，煤巖中的甲烷以游離和吸附兩種狀態存在，因此煤巖的力學特征同時受到這兩種甲烷狀態的影響。煤巖的彈性模量和力學強度隨煤巖內部氣體壓力的增加而降低，游離甲烷的力學作用阻礙了裂隙的收縮，促進其擴展，減弱了宏觀裂縫面間的摩擦系數，使得煤巖的強度降低；同時吸附甲烷的非力學作用減少了煤巖內部裂隙表面的張力，導致煤顆粒之間的作用力減弱，被破壞時所需要的表面能減小，也削弱了煤巖的強度。
針對深部煤儲層的可改造特征，國內外學者對高溫和高壓下的煤巖變形特征做了大量的實驗研究。一些學者首先考慮了煤級對煤巖變形特征的影響，煤的塑性變形程度隨著煤級的增高而降低并逐漸消失；煤構造變形的韌性機制主要發生在煤級較低階段，而在煤級較高階段則以脆性機制為主導。
在不同的實驗條件下，溫度效應和壓力效應對煤巖強度的影響存在顯著差異。一些學者在溫度200~700℃、圍壓250~650MPa條件下對不同煤級煤的應力應變曲線及超微變形構造特征進行了分析，結果表明：在中煤級階段，雖然圍壓的增大可在一定程度上提高煤的強度，但溫度的影響更為重要；較高煤級在小應變階段，溫度起主導作用，而到了大變形階段，圍壓的作用又逐漸上升到主導地位。
沁水盆地不同地區不同煤級的煤樣高溫高壓變形實驗表明：實驗條件下煤巖的脆-韌性轉變出現在200℃/200MPa和300℃/300MPa之間；低溫低壓條件下煤巖發育脆性破裂并貫穿不同的煤巖成分單元，而高溫高壓條件下煤巖的塑性變形主要發育于惰質組分內。
煤巖是一種有機巖石，其力學強度低，塑性變形強，因此對煤層氣的開采必須重視煤巖變形作用對產量造成的影響，尤其是深部煤儲層，地質環境更為復雜，高地應力、高溫和高壓條件下的煤層力學性質與淺部煤層存在顯著的差異，深部煤層氣的煤巖力學性質給深部煤層氣的開發提出了更高的要求。
5 結語與展望
我國深部煤層氣預測資源量大，但普遍地質條件復雜，煤儲層滲透率低，地質與工程理論支撐不足，開發方式和工程技術受限，嚴重阻礙了深部煤層氣規模開發。
深部煤層處于高地應力、高地層溫度和高流體壓力“三高”地質環境下，高地應力極大地降低了煤儲層的孔隙度和滲透率，使深部煤層氣的可采條件變差；而高溫高壓條件會影響煤層氣的吸附/解吸特性，對煤層氣含氣性產生巨大的影響；煤巖力學性質也在“三高”地質環境下趨于復雜，煤儲層破裂壓力和施工壓力增高，壓裂改造裂縫延伸范圍受限，煤儲層改造難度增大。
針對淺部煤層的實驗手段和技術方法已很難適用到復雜地質條件下的深部煤層，因此開展高地應力、高溫和高壓耦合作用下的深部煤層氣儲層的地質理論研究，尋求深部煤層氣勘探開發技術的突破，建立適合中國深部煤層氣地質理論和選區評價技術，對實現我國深部煤層氣勘探開發的突破和推進煤層氣事業的發展具有重大意義。
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