煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)對煤層氣可采性的影響

煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)對煤層氣可采性的影響

煤炭不僅是重要的石化能源，也是煤層的儲層。作為一種以吸附為特征的不規(guī)則天然氣資源，煤層一直受到國內(nèi)外能源界的高度關(guān)注。在美國,煤層氣已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化開采20多年,澳大利亞和加拿大也已經(jīng)實現(xiàn)煤層氣的商業(yè)化。近年來,我國的煤層氣商業(yè)化開發(fā)也取得了較大進展。煤作為一種多孔介質(zhì),其孔隙結(jié)構(gòu)不僅影響著煤層氣的含氣量,還制約著煤層氣的滲透性及可采性。目前,已有學者利用鏡質(zhì)組反射率、掃描電鏡、壓汞、低溫液氮吸附、核磁共振、CT技術(shù)等方法從煤的變質(zhì)程度或變形程度研究煤儲層的孔隙結(jié)構(gòu)及變質(zhì)變形環(huán)境,在煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征、煤層氣富集和可采性研究等方面取得了一定的成果。然而,將煤的變質(zhì)作用與變形作用相結(jié)合,并以此探討煤儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對煤層氣可采性制約方面的研究則相對較少。在同一煤體中,煤的變質(zhì)與變形作用不是孤立進行的,變形作用到一定程度會引起變質(zhì)作用,而在變質(zhì)作用的基礎(chǔ)上也會產(chǎn)生不同程度的煤變形。實際上,煤的變質(zhì)與變形是密切相關(guān)、相互影響、共同作用的綜合過程。當變質(zhì)與變形作用合理配置時,煤的含氣量與滲透性才能達到最佳,成為有利的煤層氣儲集層。因此,綜合研究煤的變質(zhì)與變形作用,能夠科學地反映煤儲層的物性特征。本文研究了取自淮北煤田和沁水盆地的具有不同變質(zhì)與變形特征的代表性煤巖樣品,分析了不同變質(zhì)變形煤儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對煤層氣可采性的制約。1構(gòu)造單元特征淮北煤田位于華北陸塊東南部的徐淮坳陷,夾持于近東西向的豐沛隆起和蚌埠隆起之間,其北至魯西斷隆北部,以利國—臺兒莊斷裂為界;東以郯廬斷裂與膠遼臺隆和下?lián)P子臺褶帶相鄰;南抵蚌埠隆起與淮南煤田相隔;西以夏邑—阜陽斷裂與華北坳陷相隔?；幢泵禾飬^(qū)內(nèi)煤及煤層氣資源非常豐富,構(gòu)造格局具有南北分異、東西分帶的特征,其主體部分為徐宿弧形雙沖疊瓦扇逆沖斷層系統(tǒng),近EW向和NNE-NE向斷裂構(gòu)造及軸向為NS-NNE和EW向的褶皺構(gòu)造發(fā)育。斷裂多呈鏟式,上陡下緩,褶皺則多為開闊短軸型(圖1)。沁水盆地是我國煤層氣勘探開發(fā)程度最高、煤層氣儲量最為豐富的地區(qū)之一,位于華北陸塊內(nèi)部太行隆起帶和呂梁隆起帶之間,構(gòu)造上屬于呂梁—太行斷塊上最大的次級構(gòu)造單元——沁水塊坳。其北至五臺山隆起帶,東與太行山隆起—中生代以來先褶后斷的抬升區(qū)相鄰,南以中條山為界,西與呂梁山相鄰?？傮w上沁水盆地呈其主軸為NNE-SSE的復向斜構(gòu)造(圖2)。相對周緣構(gòu)造單元而言,沁水盆地較穩(wěn)定,變形強度由盆緣向盆內(nèi)減弱;邊緣斷層多為逆沖性質(zhì),尤其是東西兩側(cè)邊緣分別向外側(cè)逆沖,顯示了水平擠壓的特征。區(qū)內(nèi)不同構(gòu)造部位,次級構(gòu)造非常發(fā)育。煤層氣的賦存、富集程度差異極大,充分體現(xiàn)了構(gòu)造對煤層氣成藏的控制作用。總體而言,淮北煤田構(gòu)造變形較強,巖漿-熱作用活躍,區(qū)域內(nèi)煤儲層變形程度較強,不同變質(zhì)程度的煤均有發(fā)育,體現(xiàn)了構(gòu)造作用與熱力作用的疊加。而沁水盆地為區(qū)域構(gòu)造和深部作用的過渡帶,構(gòu)造變形不強,但受到了明顯的巖漿-熱作用,煤儲層變質(zhì)程度較強,變形程度較弱。因此,選取這兩個地區(qū)的煤樣進行研究,具有較好的代表性。2實驗樣品與實驗儀器為揭示不同變質(zhì)變形系列煤儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征,本項研究選擇了位于淮北煤田及沁水盆地不同構(gòu)造單元的12個礦井,進行井下觀測和樣品采集。采樣中考慮到不同程度的構(gòu)造作用和巖漿活動對樣品的影響,并兼顧煤巖的變形及變質(zhì)類型,選取具有代表性的不同變質(zhì)與變形程度的煤巖樣品19塊,進行宏觀與光學顯微鏡下的微觀觀測、鏡質(zhì)組反射率與孔隙度測試和壓汞實驗。綜合琚宜文等提出的不同構(gòu)造變形機制構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)-成因分類方案,對研究區(qū)不同變形程度煤樣進行了系統(tǒng)的描述與分類。鏡質(zhì)組(油浸)反射率測試在中國地質(zhì)大學(北京)材料物理實驗室進行。選取代表性樣品磨制煤巖光片后,采用實驗儀器MPV-3顯微光度計在浸油物鏡下測試,每個樣品統(tǒng)計50個點以上,通過電算求取其平均反射率。壓汞實驗在中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院天然氣藏開發(fā)實驗室進行。選取新鮮塊煤進行壓汞實驗測試,實驗儀器采用美國Micromerities儀器公司9410型全自動微孔結(jié)構(gòu)壓汞儀。儀器的工作壓力范圍為0.0035～206.843MPa,分辨率0.1mm3,粉末膨脹儀容積5.1669cm3,測定下限為孔隙直徑7.2nm。3樣品的觀察和實驗結(jié)果3.1研究區(qū)煤樣變質(zhì)變形程度煤變質(zhì)作用是影響煤層氣的形成、賦存、富集乃至其可采性的重要制約因素,早已受到國內(nèi)外學者的重視[2,13,14,15,2,14,15];而煤變形作用也影響煤層氣的孔隙度及滲透性,并制約煤層氣的有效開采,所以有關(guān)這兩者之間的相互關(guān)系一直受到人們的廣泛關(guān)注。近年來為便于研究,根據(jù)煤變質(zhì)程度,將煤樣分為高、中、低變質(zhì)程度煤,分別研究其特性及其與煤層氣富集和可采性的關(guān)系。研究區(qū)從煤儲層采集的代表性煤樣的鏡質(zhì)組反射率(Ro)測試結(jié)果介于0.78%～4.66%,沁水盆地煤樣變質(zhì)程度較高,Ro均在1.5%以上,而淮北煤田煤Ro介于0.8%～3.0%,說明研究區(qū)煤樣變質(zhì)程度范圍比較大。研究區(qū)代表性煤樣的宏微觀觀測表明,不同變質(zhì)變形煤儲層中煤樣的變形程度差異也比較大,碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤、片狀煤、鱗片煤、揉皺煤、糜棱煤均有發(fā)育。其中沁水盆地的煤儲層總體變形程度較弱,碎裂煤,碎斑煤發(fā)育。淮北煤田煤儲層普遍變形程度較強,揉皺煤、糜棱煤發(fā)育。綜合前人研究,將煤樣按變質(zhì)程度分為高(Ro>2.0%)、中(Ro為1.3%～1.9%)、低變質(zhì)程度煤(Ro為0.5%～1.2%),按變形程度分為強變形、較強至強變形和較弱變形,由此對研究區(qū)不同變質(zhì)變形煤樣進行了詳細研究(表1)。淮北煤田的海孜、臨渙、蘆嶺、祁南等礦區(qū)煤儲層主要是二疊系下石盒子組8、9煤層和山西組的10煤層,石臺礦區(qū)煤儲層主要是二疊系下石盒子組3煤層等;沁水盆地的黃丹溝、沁新、漳村、老木峰、寺河、成莊、王臺鋪等礦區(qū)主煤層主要是二疊系山西組3#煤。不同礦區(qū)主煤層的井下觀測、代表性煤樣的實驗室測試分析表明,受不同變質(zhì)變形作用影響,煤樣變質(zhì)變形程度差異較大,高變質(zhì)較強至強變形程度的煤樣多具揉皺構(gòu)造、鱗片構(gòu)造,顆粒呈定向排列以及S-C組構(gòu);高變質(zhì)較弱變形的煤樣張裂隙和張剪性裂隙發(fā)育,煤樣較硬不易碎;中變質(zhì)較強變形的煤樣多具有鱗片構(gòu)造、流動構(gòu)造和S-C組構(gòu),用手捏易碎;中變質(zhì)較弱變形的煤樣其內(nèi)生裂隙發(fā)育并疊加有張裂隙、剪裂隙和張剪性裂隙;低變質(zhì)強變形的煤樣揉皺構(gòu)造、流動構(gòu)造明顯,顆粒呈定向排列,煤樣易碎成粉末狀。3.2氣體在大、中孔、過渡孔、孔徑不同時流、移研究區(qū)煤樣孔隙分類采用前蘇聯(lián)學者霍多特的分類標準,即將煤中孔隙分成大孔(孔徑>1000nm)、中孔(孔徑100～1000nm)、過渡孔或小孔(孔徑10～100nm)和微孔(孔徑<10nm)來討論。氣體在大、中孔主要以層流或紊流方式為主,過渡孔或小孔以擴散或吸附方式為主,微孔主要以吸附方式為主。因而,大于100nm的孔歸為滲流孔,小于100nm的孔歸為吸附孔。吸附孔隙主要影響煤層氣的聚集,滲流孔隙主要影響煤層氣的解吸和開采。本文對取自研究區(qū)具有代表性的不同變質(zhì)變形煤樣進行了孔隙結(jié)構(gòu)實驗,實驗結(jié)果見表2和圖3。4變質(zhì)變形煤的儲層類型劃分變質(zhì)和變形作用在同一煤體的演化過程中是密不可分的,煤在不同變質(zhì)條件下會產(chǎn)生不同程度的變形作用,而變形作用在某種程度上也會引起煤的變質(zhì)。研究表明,不同變質(zhì)程度煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征、吸附性、滲透性等有所不同,不同變形程度煤的儲層物性特征及其對煤層氣富集滲流方面制約的差異也很大。根據(jù)煤儲層井下觀測以及代表性煤樣宏微觀特征觀測與分析,可將研究區(qū)的煤儲層主要劃分為5種變質(zhì)變形類型(即:Ⅰ類為高變質(zhì)較強變形程度煤儲層、Ⅱ類為高變質(zhì)較弱變形程度煤儲層、Ⅲ類為中變質(zhì)較強變形程度煤儲層、Ⅳ類為中變質(zhì)較弱變形程度煤儲層和Ⅴ類為低變質(zhì)強變形程度煤儲層)。實驗分析表明,不同變質(zhì)變形煤儲層的孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)特征也有所不同。4.1煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)利用孔隙度測試和壓汞實驗不僅可以確定煤樣的孔隙含量和不同孔徑段的孔隙在總孔隙中所占的百分含量,而且利用進汞、退汞曲線形態(tài)和退汞效率可以確定各孔徑段孔隙之間的連通性。因而,本文通過孔隙度測試和壓汞實驗,對研究區(qū)有代表性的不同變質(zhì)變形煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征進行了深入研究。這些代表性煤樣的孔隙度測試結(jié)果顯示,研究區(qū)不同變質(zhì)變形煤儲層孔隙度變化較大(如圖3),實測煤樣孔隙度變化范圍為1.9%～10.2%,平均4.9%。Ⅰ類煤儲層煤樣的平均孔隙度為7.3%,Ⅱ類煤儲層煤樣平均孔隙度為3.6%,Ⅲ類煤儲層煤樣的平均孔隙度為3.0%,Ⅳ類煤儲層煤樣孔隙度均值為4.3%,Ⅴ類煤樣的平均孔隙度為5.6%。當煤的鏡質(zhì)組反射率介于0.88%～4.60%時,煤孔隙度隨著鏡質(zhì)組反射率的增加而呈規(guī)律性變化。實驗表明,研究區(qū)的煤樣這種規(guī)律不太明顯,尤其在低變質(zhì)強變形的煤儲層中,煤樣孔隙度較高,本文分析認為主要是強變形作用對煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生了較大的影響。對于煤儲層而言,平均孔隙度達到7%左右時對煤層氣的儲集和開采比較有利。而研究區(qū)煤儲層煤樣的孔隙度普遍偏低,這是變質(zhì)程度較高的煤儲層固有的缺陷。因而,研究區(qū)煤樣總體的孔隙度中等。僅就孔隙度而言,Ⅰ類和Ⅴ類煤儲層的煤層氣開采比較好,Ⅱ類和Ⅳ煤儲層中等,Ⅲ類煤儲層最差。由代表性煤樣的壓汞實驗分析可得,不同變質(zhì)變形的煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征差異較大。不同變質(zhì)變形煤儲層的退汞效率變化范圍為29.9%～75.0%,其中Ⅰ類煤儲層平均退汞效率為47.9%,Ⅱ類煤儲層平均退汞效率為67.9%,Ⅲ類煤儲層平均退汞效率為46.5%,Ⅳ類煤儲層平均退汞效率為53.8%,Ⅴ類煤儲層平均退汞效率為32.6%。一般而言,退汞效率越高,表明孔隙系統(tǒng)的連通性越好,因此研究區(qū)Ⅱ類和Ⅳ類煤儲層較高的退汞效率說明這兩類煤儲層孔隙系統(tǒng)連通性好,煤儲層滲透性較好,而Ⅰ類、Ⅲ類和Ⅴ類煤儲層孔隙系統(tǒng)連通性比較差,煤儲層滲透性低。高變質(zhì)煤一般微孔發(fā)育,大孔和中孔較少,因而總體上這類煤儲層滲透性較低,Ⅰ類煤儲層孔隙連通性差,滲透性較低,而Ⅱ類煤儲層滲透性較好,主要是由于一定的變形作用形成了大量的裂隙,使得煤儲層總體滲透性變好。Ⅲ類煤儲層退汞效率較低,孔隙連通性差,主要由于較強的變形作用破壞了煤儲層連通性。Ⅳ類煤儲層退汞效率較高,主要是煤儲層內(nèi)生裂隙發(fā)育并疊加了較弱變形作用形成的構(gòu)造裂隙使煤儲層的孔隙連通性變好,煤儲層的滲透性較好。Ⅴ類煤儲層退汞效率低,煤儲層孔隙系統(tǒng)連通性差,煤儲層滲透性低,主要也是由于強烈的變形作用導致的。Ⅰ類和Ⅱ類煤儲層孔隙以吸附孔占主導,Ⅰ類煤儲層平均吸附孔含量為83.7%,中孔含量為10.2%,大孔含量為6.1%;Ⅱ類煤儲層吸附孔平均含量為83.4%,中孔含量較低為5.0%,大孔含量為11.6%;Ⅲ類和Ⅳ類煤儲層吸附孔含量較前兩類煤儲層有所降低,其中Ⅲ類煤儲層吸附孔含量為64.6%,中孔含量為10.4%,大孔含量為25%;Ⅳ類煤儲層吸附孔平均含量為71.7%,中孔為9.8%,大孔平均含量為18.5%;Ⅴ類煤儲層其吸附孔含量最少為46.5%,過渡孔含量較高為40.7%,大孔平均含量為12.8%。煤中總孔隙空間由有效孔隙空間和孤立孔隙空間構(gòu)成,前者為氣、液體能進入的孔隙,后者則為全封閉的“死孔”。壓汞實驗可以測出有效孔隙的分布,所以可以用來評價煤儲層氣的可采性。煤中的有效孔隙由開放孔和半封閉孔組成,利用壓汞回線形態(tài),可以對孔隙的連通性進行評價。開放孔具有進退汞“滯后環(huán)”,封閉孔則由于退汞壓力和進汞壓力相等,而不具有“滯后環(huán)”。但存在一種特殊形態(tài)的“半封閉孔—細頸瓶孔”,由于其瓶頸與瓶體退汞壓力不同,也可形成“突降”型滯后環(huán)退汞曲線,進汞退汞體積差大,但其孔隙連通性差。研究區(qū)代表性煤樣進退汞曲線特征表明不同變質(zhì)變形的煤樣進退汞曲線形態(tài)不同,孔隙連通性差異較大(圖4)。具體而言,5種類型煤儲層代表性煤樣的壓汞回線總體上呈現(xiàn)為:具有一定進汞、退汞體積差(壓力差)的滯后環(huán),即孔隙多以開孔為主。但退汞曲線部分呈下凹狀,表明其中包括一定數(shù)量的半封閉孔,還有壓汞回線退汞線出現(xiàn)“突降”現(xiàn)象,說明細頸型孔隙存在,煤儲層孔隙連通性差。Ⅰ類煤儲層代表性樣品(LHM05)的壓汞回線,進汞、退汞體積差小,一部分進退汞曲線近乎重合,說明存在相當數(shù)量的封閉孔或孔徑在納米級以下,汞不能進入,孔隙連通性差。Ⅱ類煤儲層煤樣(SH02)壓汞回線的進汞、退汞體積差較大,說明其孔隙連通性好,煤儲層滲透性好。Ⅲ類煤儲層煤樣(STM03,LHM10)壓汞回線的進汞、退汞體積差很小,有一部分近乎重合,說明封閉孔較多,孔隙連通性差。Ⅳ類煤儲層煤樣(ZC01)壓汞回線的進汞、退汞曲線體積差較大,孔隙連通性比較好。Ⅴ(LLM05)類煤儲層煤樣形成“突降”型滯后環(huán)的壓汞回線,說明其細頸型瓶孔含量較高,盡管進退汞壓力差較大,進汞體積較大,但孔隙連通性差。由以上分析可得,Ⅰ類和Ⅱ類煤儲層的孔隙以吸附孔為主,但Ⅱ類煤儲層孔隙連通性比Ⅰ類煤儲層好;Ⅲ類吸附孔含量中等,煤儲層吸附性較好,但孔隙連通性差;Ⅳ類煤儲層吸附孔含量較高,大孔較發(fā)育,且內(nèi)生裂隙發(fā)育,因而孔隙連通性好;Ⅴ類煤儲層由于其變形強烈,吸附孔平均含量較多,但壓汞回線顯示,其孔隙以細頸瓶孔為主,孔隙連通性差,煤儲層滲透性不好。4.2煤儲層煤質(zhì)儲層可采性因子分析以往在分析、預測一個地區(qū)煤層氣可采性時,往往只重視煤層含氣量、滲透率、地層壓力、埋藏深度等控制因素,而煤的變質(zhì)變形程度及孔隙特征對煤層氣可采性的研究則未得到應有的重視。一般認為,不同類型的構(gòu)造煤有不同的含氣性和滲透性,韌性變形可以提高煤層氣的吸附量,但變形程度過高可能會影響煤層的滲透性;煤的變質(zhì)作用方面,隨著煤變質(zhì)作用的增加,煤的含氣量增高,有利于煤層氣的富集,但其大孔的含量降低,不利于煤層氣的滲流?？碧介_發(fā)實踐表明,煤層氣的可采性通常都是諸多因素有效配制的結(jié)果。沁水盆地位于區(qū)域構(gòu)造和深部作用的過渡帶,煤儲層總體構(gòu)造變形不強,但受到了明顯的巖漿-熱作用,因而其煤儲層煤變質(zhì)程度總體較高?；幢泵禾飿?gòu)造變形較強,巖漿-熱作用也比較活躍,因而區(qū)內(nèi)不同變質(zhì)程度的煤均有發(fā)育,同時區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造變形作用比較強,因此,煤變形程度也較強,煤揉皺構(gòu)造、流動構(gòu)造發(fā)育。受區(qū)內(nèi)構(gòu)造作用控制,不同礦區(qū)煤樣的變質(zhì)變形作用不同,區(qū)內(nèi)不同變質(zhì)變形煤儲層的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)差異也較大。研究區(qū)Ⅰ類煤儲層煤樣孔隙以吸附孔為主,說明煤層氣吸附性較好,但壓汞回線顯示孔隙連通性差,煤儲層的滲透性不好,不利于煤層氣的解吸,因而煤層氣可采性較差。Ⅱ類煤儲層煤樣變質(zhì)程度高,吸附孔亦占主要地位,并且煤儲層經(jīng)歷了一定程度的構(gòu)造變形,形成了一定的構(gòu)造裂隙,孔隙連通性變好,提高了煤層氣的可采性,是有利于煤層氣開采的煤儲層類型。Ⅲ類煤儲層煤樣吸附性較好,但由于其較強的變形作用使其孔隙連通性變差,不利于煤層氣的滲流。Ⅳ類煤儲層煤樣變質(zhì)程度中等,