煤層氣儲層基質(zhì)孔隙發(fā)育的主控因素

煤層氣儲層基質(zhì)孔隙發(fā)育的主控因素

煤的比例很大，吸附性強。一般來說，煤吸附狀態(tài)下的天然氣約為80%。因此，天然氣吸附量是煤勘探選擇的重要因素。而煤層氣的吸附量主要取決于天然氣的供給量和煤層的儲集性能。煤層具有極高的氣體發(fā)生率,根據(jù)煤的巖石熱解實驗結果,無煙煤視煤氣發(fā)生率大于300m3/t,中揮發(fā)分煙煤(焦煤)的視煤氣發(fā)生率也高于100m3/t,而無煙煤和焦煤的最大吸附能力分別是50m3/t和20m3/t左右?,因而有足夠的天然氣可供煤層吸附。因此煤層儲集性能成為控制煤層氣吸附量的關鍵因素。煤儲層的儲集性能主要受控于孔隙的發(fā)育程度,但影響孔隙發(fā)育的因素很多。雖然前人在這方面已經(jīng)做了一些研究,但由于煤層及其孔隙演化非常復雜,因此對于煤層儲集性能的主控因素仍然需要更加深入地探討和分析。1割理孔隙度與基質(zhì)微裂隙度吸附是一種物理過程,煤層氣主要是在壓力的作用下,靠分子間的相互吸引力——范德華力而吸附在煤的表面,因此比表面積的大小對于煤層吸附的天然氣量至關重要。割理是在成煤演化過程中發(fā)育的兩組大致成直角相交的內(nèi)生裂隙(圖1),它將煤體分成不同的基質(zhì)塊體。割理是一種相對宏觀的孔隙,它對比表面積并沒有太大的貢獻;顯微裂隙是一種微觀孔隙,它不但是連接割理與原生微孔隙的橋梁,而且可以大大增加煤層的比表面積,另外也是煤層氣吸附的重要場所。根據(jù)各類孔隙對煤層氣吸附性的貢獻,可將煤儲層孔隙分為兩種類型,基質(zhì)孔隙和割理孔隙,其中基質(zhì)孔隙可以進一步分為基質(zhì)微孔隙和基質(zhì)微裂隙。在國外煤層氣勘探中,煤巖中割理孔隙度一般小于2%,在煤巖總隙度中占20%左右;基質(zhì)孔隙度在總孔隙度中占有較高的比例,達80%左右。我國煤巖的孔隙度也基本具有這種特征,割理孔隙度為0.47%～1.49%,在總孔隙度中所占的比例為4.80%～18.00%。煤基質(zhì)孔隙具有極大的內(nèi)表面積(100～400m2/g),其強大的吸附性是煤層氣富集的主要原因,因此煤層基質(zhì)孔隙的發(fā)育程度決定著其儲集性能的好壞。2煤相煤相特征煤層基質(zhì)孔隙發(fā)育受多種因素的影響,主要包括有煤相、變質(zhì)程度、有效應力、孔隙流體壓力等。在煤層氣的開采過程中,有效應力的增大和孔隙流體壓力的降低會造成基質(zhì)的收縮變形,可以作為煤層氣開采工藝中提高滲透率的重要手段。煤相主要反映在煤巖組成方面的差別上,包括顯微組分、礦物質(zhì)(灰分)含量等,有研究者發(fā)現(xiàn)煤相可能是該盆地煤儲層孔隙差異發(fā)育的主控因素。從儲集性能的評價方面來看,孔隙性作為煤層固有的屬性,應主要從煤的物質(zhì)組成及演化程度方面進行考慮,因此煤層基質(zhì)孔隙度的影響因素主要包括顯微組分、灰分含量、變質(zhì)程度等。2.1膜質(zhì)組與殼質(zhì)組煤巖的顯微組分主要包括鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組。鏡質(zhì)組是由支撐植物體的根、莖、葉組織中木質(zhì)素、纖維素和丹寧素等經(jīng)腐化作用演變而來的。它主要以小孔和微孔為主,孔隙比較發(fā)育,在大多數(shù)煤層中該顯微組分占絕對優(yōu)勢,因此鏡質(zhì)組對煤的孔隙特征起著重要作用。惰質(zhì)組又稱為絲質(zhì)組,主要起源于植物遺體的根、莖、葉中的木質(zhì)素,但這些組織在泥炭化階段或煤化階段中經(jīng)歷了各種方式的氧化作用,形成了不透明的惰性物質(zhì),其中孔隙以中孔和大孔為主,保存著明顯的植物細胞結構,可以大大提高有效孔隙度。惰質(zhì)組在煤化作用過程中比較穩(wěn)定、不容易發(fā)生變化,但是在較高溫度壓力下,胞腔被擠壓成長軸垂直于壓力軸的扁平孔隙,進而孔隙消失而僅呈一條縫合線,這意味著在高變質(zhì)階段,絲質(zhì)體的孔隙會變少、孔徑會變小。殼質(zhì)組也稱穩(wěn)定組,主要包括植物成因的孢子、角質(zhì)、木栓、樹脂、蠟、脂肪和油等。殼質(zhì)組是煤中孔隙最不發(fā)育的顯微組分,一般含量很少,很難測定其對孔隙度的影響。2.2煤的孔滲性實際上,灰分就是煤層中與生物體一起沉積的碎屑物質(zhì),其成分主要是粘土礦物,其次是黃鐵礦和碳酸鹽類。由于只有在生物體大量富集時,才能夠形成煤,因此一般煤層中的灰分含量很低。但這些碎屑物質(zhì)會對煤的孔隙起充填作用,使煤的孔滲性變差。同時它們主要充填在大孔和中孔中,在微孔、小孔中少見,所以隨著煤的灰分增加,其微孔和小孔的體積百分比會增加,而大孔和中孔的體積則大幅度下降。2.3煤巖孔隙分布煤層作為沉積地層的一種類型,與其他巖層一樣在上覆沉積物不斷增厚的過程中,會發(fā)生壓實作用,從而使孔隙度變小。但是煤層不是普通的沉積地層,而是一種富含有機質(zhì)的特殊沉積層,它在較高的地溫條件的作用下,其中的有機質(zhì)會發(fā)生熱演化,并生成大量的烴類物質(zhì),在這個過程中同樣會影響其孔隙的發(fā)育。按霍多特提出的煤巖孔隙分級標準,結合秦建中對煤巖孔隙分布與鏡質(zhì)體反射率Ro的關系研究,發(fā)現(xiàn)煤巖在0.5%<Ro<2.0%區(qū)間,煤巖的微孔比例呈現(xiàn)出兩頭高、中間低的特點,而大孔的比例正好與此相反,呈現(xiàn)兩頭低、中間高的特點。實際上煤層中這種孔隙的變化是由壓實作用和有機質(zhì)熱演化共同作用的結果。在演化的早期階段(Ro為0.5%～0.6%),煤層的熱演化生烴作用較弱,隨著埋深的增加,主要在上覆巖層的壓力作用下不斷壓實,孔隙不斷縮小,形成煤巖中微孔居多、大孔較少的特征。隨著演變程度逐漸增高,熱演化生烴作用逐漸增強,但煤層仍然硬度較低、易壓實,在壓實作用下孔隙會不斷縮小,直至演化為以炭質(zhì)骨架為主的、具有一定支撐能力的、硬度相對較大的煤。隨著有機質(zhì)的生烴、固態(tài)物質(zhì)的氣化,微孔才隨之減少,而大孔則明顯增多。從圖2中可看出,大約在Ro為1.2%～1.5%時,微孔降至最低;Ro為1.0%～1.3%時,大孔增至最多;之后,微孔隨演變程度的增高而增多,而大孔卻漸趨減少。3儲備能源性能的主要因素3.1引入回歸方程并提取y作用的特征變量逐步回歸分析是一種“邊引入邊剔除”的方法,在回歸分析的過程中,根據(jù)變量xi(i=1,2,…,m)對y作用的大小依次引入到回歸方程中,同時還要對引入回歸方程中的變量逐個檢驗,及時剔除其中對y作用不顯著的變量。照此進行下去,直到無對y作用顯著的變量可引入,同時方程中也無對y作用不顯著的變量為止。逐步回歸分析的優(yōu)點就是能夠從數(shù)量較多的變量中篩選出對y作用重要的變量引入回歸方程。3.1.1xkl1假設回歸方程中已引入了l個變量xk1,xk2,…,xkl的回歸方程是:y?=b0+bk1xk1+?+bklxkl(1)y^=b0+bk1xk1+?+bklxkl(1)則計算一切不在回歸方程內(nèi)的(m-l)個變量的方差貢獻,選出其中最大者,記為Vka。假設變量xka與y無線性相關關系,統(tǒng)計量Fka=Vka(xk1,xk2,?,xkl)/lQ1(xk1,xk2,?,xkl,xka)/(n?l?2)Fka=Vka(xk1,xk2,?,xkl)/lQ1(xk1,xk2,?,xkl,xka)/(n-l-2)遵從F(1,n-l-2)分布。適當引入變量的臨界值F1,當Fka>F1,認為xka對y的影響大,應當引入,否則不能引入。3.1.2變量xk1,xk2,假設回歸方程中已引入了l個變量xk1,xk2,…,xkl,如式(1)。算出回歸方程中l(wèi)個變量對y的方差貢獻,從中選出最小的,記為Vkb。假設變量xkb對y作用不顯著,統(tǒng)計量F′kb=Vkb(xk1,xk2,?,xkl)/lQ1(xk1,xk2,?,xkl)/(n?l?1)F′kb=Vkb(xk1,xk2,?,xkl)/lQ1(xk1,xk2,?,xkl)/(n-l-1)遵從F(1,n-l-2)分布。適當選取剔除變量的臨界值F2,如果F′kb≤F2,則需要將回歸方程中的xkb剔除。3.2煤儲層儲集性能影響因素的回歸分析該次分析主要使用了來自沁水盆地、焦作礦區(qū)、滎鞏、淮南、淮北、準噶爾盆地、吐哈盆地等地區(qū)的25個樣品的顯微煤巖組分測試和煤質(zhì)化驗結果(表1)。根據(jù)分析化驗的結果,將鏡質(zhì)組含量、殼質(zhì)組含量、惰質(zhì)組含量、灰分含量、鏡質(zhì)體反射率5個參數(shù)引入逐步回歸分析方程。分析過程中發(fā)現(xiàn),任何單一因素與孔隙度的關系都非常離散,說明煤巖樣品中的孔隙度并非僅受單一因素的影響,而是各種因素綜合作用的結果。在回歸分析過程中,鏡質(zhì)組含量、殼質(zhì)組百分含量、礦物組分百分含量3個變量被剔除,惰質(zhì)組百分含量、鏡質(zhì)體反射率兩個參數(shù)被引入(該兩參數(shù)與孔隙度的值正相關,復相關系數(shù)為0.69):?=1.12146+0.091×x1+0.4217×x2(2)式中,?為基質(zhì)孔隙度;x1為惰質(zhì)組的含量;x2為鏡質(zhì)體反射率的值。從回歸的結果可以看出,鏡質(zhì)體反射率(變質(zhì)程度)和惰質(zhì)組含量是影響煤層儲集性能的主控因素,而且鏡質(zhì)體反射率(變質(zhì)程度)影響最大,其次為惰質(zhì)組含量?；曳忠话愠涮钣诖笾锌紫吨?由于樣品中其含量較少,對孔隙度的影響較小,不足以影響到儲層的儲集性能。殼質(zhì)組本身不發(fā)育孔隙,且是煤樣中含量最少的組分,因此它對于孔隙度的影響也是較低的。鏡質(zhì)組含量雖然是煤儲層中主要的有機顯微組分,但因其含量在大多數(shù)煤巖樣品中都較高,它對煤儲層的孔隙度差異性的影響就不很明顯。而對于隋質(zhì)組,在以往的研究中,往往將其作為大中孔隙的主要貢獻者,回歸分析結果表明,除鏡質(zhì)體反射率外,惰質(zhì)組是影響基質(zhì)孔隙的另一重要因素。由于隋質(zhì)組保存著明顯的植物細胞結構,在高溫高壓作用下,胞腔被擠壓成長軸垂直于壓力軸的扁平孔隙,形成微裂隙,不但可以成為連接割理與基質(zhì)空隙的橋梁,而且可以減少與外界不連通的基質(zhì)“死孔隙”的數(shù)量,可大大提高煤儲層的儲集性能。4煤層儲集性能影響因素1)煤層孔隙主要由基質(zhì)孔隙和割理孔隙構成,而基質(zhì)孔隙占煤層總孔隙的大多數(shù),是影響煤層氣吸附量的關鍵因素