《ACS Omega》：Review on Main Controlling Factors and Key Simulation Techniques of Hydro-Fracturing Potential for Coalbed Methane Reservoirs: Recent Progress, Challenges, and Prospects
关于煤层气（CBM）储层水力压裂潜力的研究旨在评估煤层在水力压裂作用下增加渗透率和气井产能的能力，为优化储层压裂设计和提高CBM开发效率提供理论基础和技术支持，从而解决储层增产效果不稳定的问题。本综述分析了影响CBM储层水力压裂潜力的主要因素，综合考虑了地质条件和力学特性，并讨论了刺激CBM储层的关键物理模拟和数值模拟技术。物理模拟技术主要关注孔隙-裂缝结构表征、岩石力学测试、测井解释和井内注入压降测试。数值模拟技术主要关注地质力学模拟、数字岩心模拟、裂缝扩展模拟和压裂施工模拟。当前研究存在诸多问题：室内试验结果与现场应用效果差异显著；CBM储层水力压裂潜力评价参数的计算精度较低；数字模型的构建受数学统计方法影响，导致等效认知的谬误；CBM储层压裂改造效果的预测在工程应用中面临系统性偏差；缺乏涵盖多能源系统协调以及环境和经济因素的综合评价体系。分析表明，未来研究的突破路径应聚焦于以下方面：提高实验条件与实际储层环境的物理兼容性；创新融合地质测量机制与数据驱动方法的建模方式；建立覆盖多尺度裂缝演化和应力耦合的动态模拟系统；构建整合能源系统目标、环境约束和经济效益的多源动态评价体系。旨在建立覆盖全时空域的地质-工程协同研究框架，从而推动储层的精准高效改造和CBM的高效开发。
本文采用系统文献检索与分级筛选方法，综述了CBM储层可改造性的主控因素和关键模拟技术。检索数据库为Web of Science核心合集、Scopus、Elsevier ScienceDirect和中国知网（CNKI）。基于同义词扩展，采用AND/OR组合交叉检索。检索时段为2000年至2025年。研究内容主要聚焦于储层的地质与力学控制因素；物理模拟技术，包括煤孔隙结构表征技术、岩石力学实验、测井技术以及CBM井注入压降测试技术；数值模拟技术，包括地质力学建模、数字岩心分析、裂缝扩展建模和水力压裂施工模拟。研究人员排除了与压裂无直接关联的煤化学转化研究、未讨论煤特性的非煤储层研究，以及缺乏物理意义或工程背景的研究。基于上述检索策略，本文系统总结了煤储层可改造性的主控因素，阐述了现有关键分析与模拟技术的适用性和局限性。最终提出了未来煤储层可改造性研究的发展方向，为工程评价和技术优化提供参考。
**2. 主控因素**
为清晰分析决定CBM储层水力压裂潜力的主控因素，本文构建了如图1所示的分类体系。主控因素分为两个模块：地质条件和力学特性。地质条件又分为基础地质因素和煤体结构。力学特性分为岩石力学特性和地应力特性。图中连接两个模块的双向箭头揭示了地质与力学之间的相互反馈机制：地质参数定义了煤岩的初始物性和物质基础；力学参数反馈了裂缝形成的边界条件和响应特性。两者互为约束，共同构成CBM储层水力压裂潜力的完整控制因素集。
**2.1. 地质条件**
为探讨基础地质因素的控制作用，本文引入了煤显微组分、煤质特征、构造条件、储层岩性及其对应参数。煤显微组分与煤中孔隙类型和微裂隙发育密切相关，不同显微组分差异显著。镜质组含量增加会促进微孔和细孔形成，惰质组含量增加会促进中孔和大孔形成。黏土矿物含量与吸附孔体积比呈负相关。该结论在不同煤阶和成煤环境中并不完全一致，反映了煤显微组分作用机制的尺度依赖性和区域非普适性。煤显微组分通过影响弹性模量和泊松比等力学参数，间接调控压裂的起裂压力、扩展路径和复杂性。现有研究多基于室内实验或经验统计关系，缺乏对微组分-力学响应-破裂行为因果链的系统刻画，限制了其在优化现场压裂参数中的直接应用。灰分反映了煤中无机矿物的丰度。高灰分可能导致煤层结构稳定性降低、压裂液性能改变以及潜在裂缝堵塞，同时增加设备磨损和作业成本。然而，高灰分并不必然意味着压裂效果恶化，其受矿物成分类型、分布模式及与有机质结合状态的控制；仅用单一指标评价必然存在显著局限性。在构造因素方面，利用三维地震构造曲率法可定量分析研究区煤层构造变形程度，进而定量评价CBM储层的可改造性。该方法主要反映宏观构造特征，对微尺度裂缝发育和局部力学异质性的描述能力有限，仍需与测井、岩心等多源数据共同约束。煤层及其顶底板的岩性特征对煤层压裂延伸扩展的影响主要体现在控制裂缝高度和长度，直接影响压裂效果。一般而言，若煤层顶底板岩性为碳质泥岩、泥岩或粉砂质泥岩，则与煤的力学性质相差不大，压裂易穿透顶底板岩层并沟通含水层，给生产和开采带来一定困难。当顶底板为粗粒或细粒砂岩、石灰岩时，其与煤层力学性质差异较大，有利于控制裂缝高度。需要强调的是，这种控制作用受应力差、岩层界面力学强度以及层间结构组合的共同影响，仅凭岩性判断可能低估实际地质复杂性。
煤体结构反映了在地质历史演化中，经过各种地质作用后构造应力对煤中各组分的破坏程度。适当的构造应力可以增加煤中裂隙、提高渗透率，但过度的构造应力会严重破坏煤中裂隙系统，导致CBM储层渗透率显著恶化，不利于开发。煤体结构反映了CBM储层的完整程度。根据煤体结构不同，煤可分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。原生结构煤和碎裂煤强度高。与碎裂煤相比，原生结构煤割理和微裂隙发育较差，因此渗透率较低。由于其强度高，在这些煤中形成的人工裂缝在加入支撑剂后可保持有效导流能力，且相对较低的渗透率有利于产生长裂缝。原生结构煤和碎裂煤适合储层改造。相反，碎粒煤和糜棱煤结构破坏严重，强度低，稳固性差。这些特征导致改造时起裂压力较低，易形成多裂缝，生成的人工裂缝导流能力低，难以形成长导流裂缝。在原生结构煤和碎裂煤比例超过70%的煤层中，水力裂缝趋于更稳定地发育，改造效果显著提升，而碎粒煤比例过高（大于50%）则改造效果差。煤体结构破碎越强烈，越不利于后续储层改造。具体阈值确定多来自特定区块或工程案例，且受应力场、含气量和施工参数显著影响，其普适性有待进一步验证。为定量评价煤体结构对CBM储层改造行为的影响，前人研究引入了多种参数。煤的坚固性系数从力学角度反映煤的完整性和抗破坏能力。系数较低的煤体结构更破碎、裂隙更多，更有利于压裂起裂和裂缝复杂扩展。系数较高的完整煤具有较高的破裂压力和受限的裂缝扩展。地质强度指标（GSI）理论采用分级分层参数表征方法，建立了煤体结构指数的概念，可据此构建煤体结构强度和结构面等级图。这些指标主要关注宏观力学或特定区域的数据统计，在刻画裂缝几何结构和多尺度破坏机制方面仍有不足，限制了其在精细压裂设计中的直接应用价值。
**2.2. 力学特性**
用于量化力学特性具体控制效果的参数主要分为两类：岩石力学参数和地应力参数。
煤岩力学参数主要包括脆性指数、抗拉强度、顶底板与煤层弹性模量比以及泊松比。脆性是指岩石在外力作用下未发生明显形状改变即发生断裂的现象，是反映岩石断裂前不可逆变形且无明显吸收机械能的参数。脆性CBM储层在压裂中容易破裂并形成复杂裂缝。在裂缝闭合阶段，支撑剂的嵌入会显著增加导流能力，从而导致产量显著增加。CBM储层脆性越大，起裂压力越低，裂缝越易扩展，压裂效果越好。脆性与压裂效果之间并非简单线性关系，特定应力条件下脆性过大可能导致裂缝过度分支和主裂缝扩展受限，不利于实现有效的远距离体积改造，这一问题在高非均质性煤层中尤为突出。抗拉强度是指岩石在单向拉应力作用下的极限强度，数值上等于破坏时的最大拉应力，反映了煤岩破裂的难易程度以及几乎沿层理面发生的张性裂缝。抗拉强度较低的煤更易开裂，但也可能导致裂缝形态显著受层理面控制、延伸方向受限。因此，仅关注降低抗拉强度会忽略裂缝扩展稳定性和排水能力维持等关键问题。煤层与顶底板力学参数差异对储层压裂改造有显著影响，尤其是弹性模量对水力压裂改造的作用尤为突出。具体表现为高弹性模量的围岩更有利于控制裂缝高度。随着围岩与煤层弹性模量差增大，裂缝高度逐渐减小并最终趋于稳定。这一控制机制受地层应力状态、界面粘结强度和层间结构组合的共同制约，单一参数不足以准确预测裂缝的实际扩展行为。泊松比是确定煤岩在上覆垂直重力作用下侧向应力大小的基础依据，因此是控制裂缝方向的关键参数，也是垂向裂缝起裂压力计算中的重要变量。CBM储层泊松比较高，且高度脆性，与砂岩相比在应力作用下更易被压缩。泊松比对裂缝几何形状的影响通常需要结合其他参数进行分析。
地应力对CBM储层压裂改造的影响主要体现在压裂过程中裂缝的形态和扩展状态。水力裂缝通常沿最大主应力方向延伸，垂直于最小主应力方向。因此，水力裂缝的几何构型在很大程度上取决于地应力状态。当水平主应力最大、垂直主应力最小时，水力裂缝趋于形成水平裂缝。当垂直主应力最大、水平主应力最小时，通常产生垂直裂缝；当垂直主应力作为中间主应力时，也形成垂直裂缝。当垂直与水平主应力接近时，趋于发育复杂裂缝网络。应力差异系数是表征地层中最大与最小主应力差异程度的无量纲指标，反映了应力场的不均匀性和应力集中强度。复杂缝网改造的效率主要取决于裂缝的导流能力和扩展规模，应力差异系数是控制裂缝形态的主导因素，且低于0.3时有利于网络裂缝的发育。此外，煤层内相对较小的应力差也可能导致相对复杂的裂缝系统。相反，较大的应力差导致发育单一主裂缝，延伸更大、方向性更清晰。随着垂向应力增大，煤岩破坏逐渐从张性破坏过渡到剪切压缩破坏，导致裂缝形态从发散状演变为带状几何。应力差对裂缝复杂性的控制并非孤立效应，其影响与煤体结构非均质性、天然裂缝发育程度和施工参数密切相关，单一阈值标准不足以完全反映实际压裂响应。
基于储层围压和煤岩抗拉强度计算的断裂韧性是能够表征储层压裂难易程度的重要力学参数。该参数可描述压裂过程中裂缝形成后维持其扩展的能力，其大小与压裂所需施工压力、注入能量和裂缝规模密切相关，可用于判断储层是否适合形成有效水力裂缝。断裂韧性越大，越不利于裂缝扩展。现有研究多基于理想化假设或室内条件，其在复杂煤储层中的适用性仍需结合现场压裂监测数据进行验证。总体而言，地应力对CBM勘探开发有显著影响，这不仅体现在CBM储层的渗透率和压力上，而且地应力对CBM井水力压裂过程中裂缝的破裂压力、起裂位置和扩展模式也有显著影响。
**3. 模拟技术**
本文系统讨论了煤储层可改造性的关键分析技术，将其分为物理模拟技术和数值模拟技术两大类。物理模拟技术侧重于通过实验揭示CBM储层的结构特征和力学响应。孔隙裂缝测量技术和岩石力学测试用于揭示煤的微观结构特征和力学行为。测井解释技术和注入压降测试技术进一步反映储层在实际工程条件下的综合响应。数值模拟技术以多尺度建模为核心。地质力学模拟和数字岩心实验为储层参数表征和机理分析提供基础。裂缝扩展模拟和压裂施工模拟用于表征裂缝演化过程和工程实施效果。因此，本文在技术章节的编排中遵循从基础认知到工程应用的递进逻辑，以实现对CBM储层可改造性的系统描述。
**3.1. 物理模拟技术**
**3.1.1. 煤孔隙结构表征技术**
孔隙结构敏感性研究有助于理解CBM在煤储层中的赋存和运移特征，是提高煤层优质靶区钻探成功率和优化压裂设计的基础，也决定了地质模型的准确性。然而，煤岩内部结构高度复杂，仅靠视觉观察或直接测量来表征或描述煤的非均质结构易产生较大不确定性。
确定煤岩孔隙-裂隙特征的技术方法众多，主要包括流体注入法、图像扫描法、光谱分析法以及直接观察法。这些方法在煤裂隙表征方面取得了显著进展，但其适用性和准确性仍受多种因素影响。对于流体注入法，二氧化碳吸附法（CO
2吸附，孔径<2 nm）、液氮吸附法（LNA，2–100 nm）和压汞法（MIP，>100 nm）各有其适用范围。基于光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）、微焦点X射线计算机断层扫描（MFX-CT）、高分辨率电子显微镜（HRTEM）和原子力显微镜（AFM）的图像扫描方法能有效揭示煤的微观结构，但样品制备过程复杂，难以完全反映煤的非均质性，且不同方法间分辨率差异显著，通常耗时且设备成本高，限制了其广泛应用。弛豫谱分析技术包括低场核磁共振（LF-NMR）、小角X射线散射（SAXS）、小角中子散射（SANS）和X射线衍射（XRD）。光谱分析涵盖侵入岩描述和野外露头观测。该方法主要通过分析样品微观结构的动态变化来推断孔隙和裂缝的分布，其主要局限在于对样品依赖性较强，且无法直接获取孔隙网络的三维结构信息。直接观察法主要用于宏观尺度的煤类型鉴定和野外露头特征描述，可直接获得煤的结构、成分、层理特征和裂隙发育情况。
为全面阐明控制CBM储层水力压裂潜力的微观结构特征，前人研究整合了多种实验技术获得的多尺度孔隙数据，逐步发展了煤的全尺度孔隙-裂隙结构表征和孔径拼接方法。然而，由于不同实验方法有其各自对应的空间尺度适用范围和约束条件，孔径拼接方法仍处于初步探索阶段，其有效性和普适性仍存在较大争议。一个普遍接受的孔径拼接工作流程可概括如下：对煤样进行CO
2吸附（孔径<2 nm）、N
2吸附（2–100 nm）、NMR、MIP和CT扫描（2–10000 nm），获取不同尺度的孔隙结构数据。根据每种技术的基本物理原理定义其有效孔径范围，并去除重叠区间以避免冗余。整合工艺参数（如进汞量和吸附等温线）和实验输出，将所有测量结果转换为统一的孔隙体积（cm
3/g）或比表面积（m
2/g）单位。在此基础上，计算每个孔径区间的孔隙体积分数。基于不同实验技术，按孔径（微孔→中孔→中大孔→宏孔）对数据序列进行分段和拼接，通过孔隙体积分数归一化算法消除权重偏差。最终构建出包含全尺度裂隙、孔隙和矿物结构的煤岩物理模型。然而，不同实验方法间重叠孔隙数据的处理仍然相当复杂。在高孔隙度煤中，孔隙结构的非均质性可能导致拼接后数据偏差。虽然孔径拼接方法通过归一化算法调整数据，但在实际应用中，数据的全面性和可靠性仍受限于各方法的实验条件和样品特征。该方法对实验设备要求高，数据采集过程冗长，限制了其在大型煤层气开发中的广泛应用。
总体而言，现有孔径拼接方法虽然提供了相对完整的煤孔隙结构信息，但其适用性仍受一定条件限制。未来应进一步优化不同实验方法的数据集成过程，提高多尺度数据拼接的精度，并增强煤孔隙结构的多样化表征，为煤层气高效开采提供更精确的理论支持。
**3.1.2. 岩石力学测试**
在CBM勘探开发过程中，岩石力学参数对指导储层改造期间的裂缝发育评价以及钻井期间的井壁稳定性评估起着关键作用。这些参数通常分为动态和静态两类。与测井曲线转换的动态参数相比，通过岩石力学测试直接从煤样获得的静态力学参数更准确地反映地下煤岩的真实原位力学条件。静态参数通常用于模拟CBM储层改造过程中地层的应力生成、储存和力学响应。静态测试面临岩心获取困难、实验成本高和数据离散性大等显著局限，阻碍了其大规模实施。为解决这些限制，工程实践中广泛采用动静态转换模型。通过基于有限的岩心测试数据集拟合测井导出的动态参数与静态参数，可建立区域转换方程，从而推导出更丰富、更可靠的煤岩力学参数。尽管动静态转换模型在一定程度上缓解了静态实验成本高、效率低的问题，但其受区域差异、煤非均质性和有限的实验数据约束，导致模型在拟合过程和工程验证中存在不确定性。例如，尤其是在裂隙发育的煤中，动静态参数差异更大，模型精度可能下降。未来研究应着力增强模型在不同煤类型中的普适性，并通过整合现场数据和开展多方法联合验证来提高其可靠性。
为便于比较和总结不同岩石力学实验的测试目的、关键参数和技术要求，本文将常用实验分类总结为三类：基本力学性能测试、特殊力学行为表征和工程应用模拟实验。基本力学性能测试主要用于获取煤的强度和变形参数。特殊力学行为测试侧重于复杂加载条件下的力学和渗流参数。工程应用模拟实验用于研究工程尺度的应力场和稳定性参数。基本力学性能测试主要包括三种室内实验：单轴和三轴压缩试验用于确定抗压强度、弹性模量、泊松比和应力-应变曲线，标准试件为直径50 mm、高100 mm的圆柱形样品，需符合GB/T 23561.8-2024精度要求；巴西劈裂试验在直径50 mm、高25 mm的圆盘形试件上进行以确定抗拉强度；变角或三轴剪切试验用于评估内摩擦角和内聚力。特殊力学行为测试主要涉及三种方法：动静态组合加载实验采用一维轴向静压结合分离式霍普金森压杆（SHPB）动态载荷冲击，应变率为10
2–10
4 s
–1以确定组合强度；声发射损伤监测用于实时捕获频率为0.1 μs的微弱破裂信号；渗流特性测试利用瞬态压力脉冲法确定气体渗透率，可模拟孔隙压力不超过40 MPa的地质环境。工程应用模拟测试也包含三种主要实验：低温力学性能测试将液氮冷冻至?196 °C后压缩，有时可使煤岩强度提高20%–30%；水力压裂模拟实验可更真实地模拟压裂过程中煤层的力学行为；开采模拟实验利用电液伺服试验台模拟开采活动引起的应力场。
总之，岩石力学实验测量了煤的强度、变形和断裂特征。通过结合动静态参数转换模型，可有效克服静态实验中采样受限和数据离散性强的局限，实现了对原位环境下地下应力状态和岩石力学行为的精确模拟。然而，该方法仍受制于实验成本高、可扩展性有限以及动静态转换模型精度和适用性不足等因素。未来需优化实验方法的组合，增强转换模型的普适性和准确性，以提升其工程应用价值。
**3.1.3. 测井解释技术**
测井解释技术在评价CBM储层水力压裂潜力中发挥着重要作用，是计算和预测煤体结构特征、地层组合、岩石力学参数和地应力参数的重要工具。通过利用测井曲线，如密度（DEN）、自然伽马（GR）、声波时差（AC）、深侧向电阻率（LLD）、自然电位（SP）和电阻率（RD），并结合成像数据与解释模型，这些技术能够实现较为准确的多参数协同反演。
通过对测井曲线进行敏感性分析，可识别不同煤体结构类型对应的测井响应参数分布范围。该方法基于统计方法，为煤体结构识别提供数据基础，其识别准确性受测井曲线质量、煤体非均质性和构造扰动程度限制，在复杂煤体结构条件下仍存在一定不确定性。通过整合岩心观测结果与地质强度指标（GSI），可实现煤体结构的定量表征。此外，通过纳入对应不同煤体结构类型的测井响应，可建立基于测井的定量表征模型，以预测煤体结构的空间分布。此类模型通常呈现明显的区域依赖性特征，难以应用于地质条件差异显著的CBM储层建设。基于测井曲线数据和岩心样品实验室测试，可利用回归曲线拟合和神经网络建模来近似估计CBM井中CBM储层的灰分、水分和煤相。估计结果对训练样本的规模和代表性高度敏感，模型的可解释性相对有限，仍需结合地质约束进行合理验证。通过将K均值聚类算法应用于测井曲线，可对含煤地层进行自动岩性分类，并通过与钻井岩心观测对比验证其准确性，过程中获得的煤岩物性统计范围可作为煤层定量解释的基础。该方法主要依赖测井响应的统计差异，对煤基质结构演化机制的表征能力有限，在煤物性连续变化或多种结构叠加发育条件下，分类结果可能不明确。
利用测井约束的地震反演，可通过高分辨率阻抗剖面识别煤层与围岩的波阻抗差异，从而精确追踪和计算煤层厚度变化。该方法在区域尺度煤层分布刻画方面具有明显优势，但反演精度高度依赖测井标定质量和地震数据分辨率，在薄煤层或构造变形严重区域，反演结果仍存在不确定性。基于底抽巷穿层钻孔获得的测井曲线参数，结合钻孔轨迹信息和钻孔成像视频，可精确确定工作面煤层和围岩的分布特征、岩性、真实厚度、渗透率和含气量，并识别CBM储层的煤体结构异常带和含水层段。该方法高度依赖钻孔密度和数据质量，其应用范围通常限于特定的局部工程区域。利用多测井AC参数，可通过计算动态泊松比和弹性模量并建立动静态力学参数转换关系，建立脆性指数评价模型。该方法为在缺乏大量岩心实验条件下评价CBM储层脆性提供了解决方案，但结果受转换模型假设和区域差异显著影响，脆性指数的工程意义可能被夸大或弱化，数据结果误差较大。通过整合研究区的测井、试井和煤岩力学实验，可应用Newberry模型精确分析单井的地应力分布。此外，基于电测井数据和水力压裂结果，利用ABAQUS进行的分析可阐明深部CBM储层地应力的空间分布，并揭示地应力对储层改造过程中裂缝扩展的影响。进一步地，通过整合测井数据、有限元应力分析和机器学习方法，可构建煤层气储层裂缝发育预测模型，有效提升裂缝发育评价的可靠性和工程应用价值。基于多源数据的反演模型在CBM储层压裂模拟中具有重要应用价值，但其可靠性高度依赖数据的联合约束和区域校正，单一模型无法全面代表复杂CBM储层的真实应力状态。未来仍需在整合测井解释、岩心实验、压裂响应和数值模拟的框架内进行综合分析。
测井解释技术被视为重要的定量地质反演方法。通过综合利用声波时差、电阻率、密度和自然伽马等多种测井曲线，并结合岩心样品、地震数据和数值模拟数据，可准确反演煤体结构、岩性分布、地应力和力学参数。然而，测井解释本质上属于间接反演方法，其结果对解释模型假设、参数标定精度和煤非均质性高度敏感。在构造煤发育、裂隙复杂或地质条件发生显著变化的CBM储层中，依赖测井反演结果可能放大不确定性。因此，测井解释技术更适合作为首要约束方法，需要与岩心观测、力学实验和压裂响应数据结合使用，以有效提升CBM储层可改造性评价和工程决策的可靠性。
**3.1.4. CBM井注入压降测试技术**
注入压降测试是一种基于压力瞬态分析的单井评价技术。其优势在于依靠“可控注入扰动─关井衰减响应”实现对应力信息和渗流特征的同步约束。测试通过注入稳定流量产生近井高压扰动，然后记录关井后的井底压力响应曲线。注入阶段，通过静压和摩擦阻力校正曲线峰值以确定破裂压力及其梯度。压降阶段，利用G函数、压力导数或柔量拐点识别裂缝闭合压力，反算最小水平主应力及其梯度。通过外推后期径向流段获取稳定地层压力，确定孔隙压力及其梯度，并可解释与渗流相关的渗透率和表皮系数等参数。图5展示了中段裸眼注入/压降测试装置及其流程。钻至煤层下方约1–2 m处停止，进行泥浆循环以清除钻井液和滤饼影响。将测试管柱下入裸眼段进行原位测试。该方法工艺简单、施工效率高，在早期煤层气勘探中广泛应用。在北美的CBM开发中，广泛采用结合注入、浸泡和生产的系统压降测试流程，通过密切连续监测井底压力和气体成分，描绘CO
2注入条件下渗透率的演化和低渗煤层的增产机制。根据现行规范，总测试时间固定为36–48小时（注入8–12小时，接着关井压降24–36小时）。此标准源自美国CBM行业，适用于常压或超压、渗透率相对较高的储层（渗透率1–100 × 10
–3 μm
2），但对中国广泛分布的低压、低渗储层适应性差，其渗透率通常仅为0.01–5 × 10
–3 μm
2。根本限制在于低压、低渗储层压力扩散速率慢：过短的关井期使井底压力无法完全恢复到真实储层压力，导致地层被误判为高压储层。此外，由于裸眼测试条件下井壁稳定性差，必须缩短关井期以确保作业安全，从而难以保证解释参数的可靠性。
因此，由于煤层的强非均质性、裂缝-基质双重介质以及应力敏感性渗透率，井底压力响应曲线在流动阶段易形成畸变，导致闭合压力和储层压力确定出现误差。井筒储集、摩擦校正和注入制度差异也会降低破裂压力的可重复性和井间可比性。特别地，在确保作业安全的前提下，合理延长关井压降持续时间对于获取可靠的储层压力至关重要，并已成为在低压、低渗区块获取可信参数的唯一有效手段。注入压降测试技术被视为应力-渗透率耦合响应的综合诊断工具。其解释可靠性依赖于岩心数据、测井数据、成像裂缝等多源约束。引入考虑双孔隙结构和非达西效应的改进模型，可提高裂缝压力增强和甜点预测的适用性和普适性。
**3.2. 数值模拟技术**
**3.2.1. 地质力学数值模拟技术**
地质力学模拟是研究岩体在应力场作用下变形和破坏行为的基础方法。在CBM勘探早期，通过整合野外调查、人工地震数据和实测地应力信息，初步了解研究区现今地应力状态。随后，基于实测数据，采用有限元法（也称为破裂法或声发射技术）推断区域地应力分布，构建研究区地质力学模型。通过适当控制区域边界力的加载方式和大小，使计算域内局部构造单元的计算主应力逐步匹配实测地应力值，从而成功模拟研究区的现今应力变形场。
目前常用的地应力数值模拟方法有五种：边界位移调整法、边界载荷调整法、应力函数法、位移函数法和位移反分析法。边界位移调整法基于地质调查数据建立研究区地质力学模型，利用最小二乘法结合多元回归分析，迭代调整边界位移，使模拟地应力值与实测值达到最佳吻合，从而获得研究区应力分布特征。边界载荷调整法需要调整边界载荷的模式和大小以实现应力模拟。这两种方法计算思路直接，实施过程相对简单，适用于应力场分布相对简单或边界受力条件较为清晰的储层环境。在地质条件复杂、边界载荷难以精确确定的情况下，其反演结果的不确定性较高。应力函数法和位移函数法均通过利用平衡方程、本构方程以及实际点的实测力学参数构建回归方程，同样利用最小二乘法原理确定应力-应变函数公式，并结合有限元法进行校正，通过回归分析获得储层应力场。这类方法数学严谨性优良，但对实测参数的数量和精度要求较高。在煤体结构高度非均质或构造应力联合作用显著的情况下，函数形式的合理性和稳定性仍需审慎评估。位移反分析法基于地下介质的不同性质和力学状态，在不同应力-应变关系条件下，可完成弹性、粘弹性、弹塑性或粘弹塑性位移反分析，获取相关弹性参数。该方法主要用于反映复杂力学行为，其计算过程相当复杂，对初始模型假设和边界条件高度敏感，在实际应用中通常需要大量实测数据约束。
总之，五种地质力学数值模拟方法各具优势和局限性，目前尚无适用于所有煤储层条件的通用解决方案。在气井开发过程中，需综合考虑研究区地质构造复杂性、数据可用性和工程需求，研究人员需合理选择或组合不同方法，并利用多数据集进行交叉验证，以增强地应力模拟结果的可靠性和工程指导价值。
**3.2.2. 数字岩心技术**
煤是由泥炭经地质作用形成的固体有机岩石，具有相对复杂的孔隙和裂缝结构特征。通过物理模拟实验难以定量表征煤岩中的孔隙、矿物和裂缝结构。数值模拟技术的引入可准确、全面地分析煤岩的孔隙裂缝和力学性质。总体思路是完成等效物性模拟和相应的实验室物理实验，利用现代数学计算模拟方法和成像技术，进行物理场数值模拟，将获得的等效物性参数用于建立与岩石非均质结构及其宏观等效性质相关的模型。与物理实验相比，岩心重建技术的优势在于成本低、效率高。目前常用的重建算法主要包括随机法、过程法、连续几何法和混合法。
随机法分为完全随机法、高斯场法（GRF）、模拟退火算法、多点地质统计法、序贯指示模拟法、马尔可夫链蒙特卡洛法（MCMC）等。分类依据来自在数字岩心构建过程中用于统计分析岩石非均匀结构特征的各种随机数学方法，从而获得不同的约束函数。过程法通过模拟沉积岩的沉积、压实和成岩过程来重建数字岩心。此类方法在参数可控性和数据一致性方面具有优势，能很好地再现孔隙尺度分布特征，但结果高度依赖先验统计信息，对岩石结构形成机制的物理表达相对有限。过程法通过模拟沉积岩的沉积、压实和成岩过程重建数字岩心。其中，沉积过程模拟可反映颗粒沉积的具体位置，压实过程模拟颗粒压缩和岩石孔隙度减小，成岩过程模拟颗粒表面不同胶结物质的类型和形态。该方法主要用于砂岩岩心建模，物理合理性较强，但计算复杂度高、参数体系复杂，目前主要适用于沉积过程相对清晰、颗粒结构规则的砂岩岩心建模，在煤岩等多尺度非均质介质中的适用性仍有限。连续几何法主要利用连续数学函数（Voronoi多面体、随机场函数等）表示岩石内矿物颗粒、孔隙和裂缝的空间分布和几何形状，已实现微观尺度下岩心结构的数字重建。该方法在几何表达能力与结构连续性方面具有优势，但其再现岩石真实微观结构的程度受函数形式和参数选择影响较大，难以直接反映复杂成岩过程的物理约束。混合法是一种通过多种建模方法结合时空信息的数字岩心方法，适用于成岩过程复杂的岩石，但仅适用于成分组成简单的岩心样品，在高度非均质岩石中的应用仍有限。此外，可借助人工智能（AI）技术辅助研究，例如研究人员利用深度学习、计算机断层扫描（CT）、扫描电子显微镜（SEM）和巴西试验定量分析张性裂缝对孔隙裂缝网络的影响，构建了新的数字岩心分析模型。
数字岩心重建模拟技术精确、高效地获取了多尺度岩心分析参数，如渗透率、弹性模量、泊松比、煤岩孔隙结构、岩性特征等，有效克服了现场岩心取心获得的样品的局限性和复杂性，为CBM储层性能分析和压裂方案优化提供了重要数据支持。该方法高度依赖建模假设和尺度转换关系，对非均质和结构复杂的CBM储层的刻画能力有限，结果需与岩心实验、测井解释和压裂响应的实测数据共同约束，作为辅助分析工具可带来工程价值。
**3.2.3. 裂缝扩展数值模拟技术**
为深入研究CBM储层水力压裂过程中裂缝的延伸和扩展状态，学者们通过建立数学模型进行计算机模拟，并开展了大规模真三轴物理实验，系统揭示了裂缝生长的动态规律。当前水力压裂模型通常分为二维（2D）模型、拟三维模型和全三维模型。为直观比较不同模型的异同，本文按上述类别总结了常用模型，并从储层类型、优点、缺点和应用效果等维度进行了评价。二维水力压裂模型主要以Perkins-Kern-Nordgren模型（PKN）和Khristianovic-Geertsma-de Klerk模型（KGD）为代表。PKN模型假设裂缝剖面为椭圆形，且上下遮挡层间无界面滑移；KGD模型则假设裂缝侧边为椭圆形，截面为矩形，且与遮挡层有界面滑移。两类模型均要求缝高恒定，且压裂液在裂缝中一维流动。两类模型通过大幅简化裂缝几何形状和流动模式，显著降低了计算复杂度，但其核心假设决定了模型无法准确反映缝高变化和裂缝空间演化特征，在煤层厚度变化显著或应力条件复杂的储层中适用性有限。提出的拟三维模型，如离散元法（DEM）、椭圆校正模型（ECM）和T型裂缝模型（TFM），也考虑了缝高沿缝长方向的变化，更符合实际压裂环境。此外，全三维水力压裂模型，如边界元法（BEM）、有限元法（FEM）和水平集法（LSM），整合了流体力学、岩石力学、断裂力学和热力学理论，实现了多场耦合动态模拟，引入了随注入量增加缝高演化的机制，并将压裂液流态从一维升级为二维，显著增强了模拟的物理真实性。然而，全三维模型的计算复杂度显著增加，对计算机硬件性能要求严格。在CBM储层压裂领域，基于KGD模型框架，构建了T型裂缝（TFM）的复杂裂缝数学模型。这些模型为优化裂缝网络形态提供了理论工具。将煤岩性质纳入该框架可进一步改进适用于煤层的滤失模型和裂缝扩展模型。基于二维PKN框架，利用弹性力学、岩石力学、断裂力学和流体力学分析了压裂持续时间、注入速率和压裂液性质等工程和地质条件，为支撑剂压裂设计提供了科学指导。
例如，以沁水盆地南部煤储层水力压裂工程为例，前人基于KGD裂缝扩展模型，设计了一种适用于高煤阶储层水力压裂下单裂缝的扩展模型，并获得了该区块压裂井的裂缝几何参数。此外，通过使用拟三维裂缝扩展模型，可全面系统地分析岩石力学参数、地应力差异系数和煤层厚度对裂缝形态和扩展状态的影响，获得CBM储层的压裂改造参数。同样，在埃及西部沙漠上Safa组致密砂岩地层研究中，构建了孔隙弹性的全耦合有限元数值模型，用于模拟水力压裂过程中流体流动、孔隙压力和应力场的共同演化，系统分析了储层性质和岩石力学参数对裂缝扩展的影响。上述模型的结果通常表现出明显的区域依赖性，其应用需基于具体地质条件进行验证。近年来，人工智能技术逐渐被引入水力压裂研究，例如研究人员结合μCT原位实验和增强型U-Net深度学习方法进行裂缝识别，系统揭示了不同层理层中裂缝的演化模式及其对裂缝网络复杂性和渗透率的控制作用，为深部CBM储层裂缝扩展的数值模拟提供了关键的微观证据。
裂缝扩展模拟技术通过建立基于二维、拟三维和全三维模型的数学框架，精确模拟了煤储层水力压裂过程中裂缝的延伸和转向，可定量分析压裂液流动、裂缝几何参数和地应力差异等因素对裂缝扩展的影响，为CBM储层可改造性评价提供具体的裂缝网络优化方案。然而，模拟结果对模型假设、参数完整性和地质条件高度敏感。因此，裂缝扩展模拟技术更适合作为压裂方案设计和参数比较的分析工具，需要与测井解释、岩心实验和现场压裂监测结果协调约束，这样才能有效提升煤层水力压裂改造的工程可靠性和风险可控性。
**3.2.4. 压裂施工数值模拟技术**
与常规砂岩储层相比，煤岩具有高泊松比、低弹性模量和天然裂缝发育等特点。因此，参照常规油气标准或仅凭经验经验设计的水力压裂优化方案，往往存在参数优化原则不明确、与CBM储层地质条件兼容性差的问题。为解决压后气井产能与经济效益之间的不匹配问题，水力压裂应逐步融入针对CBM储层独特地质特征的工程创新。因此，有必要充分理解煤岩的特殊地质和力学性质，通过系统优化施工技术和参数，开发符合煤层特征的压裂改造方法，以提高改造效果的稳定性和经济合理性。
基于CBM储层水力压裂常用的数值模拟软件
