高、低煤階煤儲(chǔ)層孔隙分布差異性對(duì)煤層氣富集與滲透運(yùn)移的影響

高、低煤階煤儲(chǔ)層孔隙分布差異性對(duì)煤層氣富集與滲透運(yùn)移的影響

0煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分布高光煤炭包括貧煤和無(wú)煙煤，鏡質(zhì)組的最大反射率超過(guò)1.90%。低碳煤包括棕色煤和長(zhǎng)焦煤，鏡質(zhì)組的最大反射率低于0.65%。高、低煤階煤處于煤變質(zhì)程度的兩端元。煤化作用過(guò)程中,從低煤階煤到高煤階煤,其物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了顯著的變化,反映出質(zhì)變的特征,煤的孔隙分布相應(yīng)發(fā)生了明顯的改變。煤儲(chǔ)層孔隙是煤層氣的主要聚集場(chǎng)所和運(yùn)移通道,煤孔隙結(jié)構(gòu)分布是研究煤層氣賦存狀態(tài)、氣、水介質(zhì)與煤基質(zhì)間的相互作用以及煤層氣解吸、擴(kuò)散和滲流的基礎(chǔ)。因而煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)不僅制約煤層含氣量,且對(duì)其可采性也有重要影響。前人研究主要集中在開(kāi)發(fā)程度較高的高煤階煤孔隙系統(tǒng)特征方面,也有學(xué)者對(duì)某含煤區(qū)各個(gè)變質(zhì)階段的煤孔隙分布進(jìn)行分析,然而很少有文獻(xiàn)對(duì)我國(guó)高、低煤階典型含煤區(qū)煤孔隙特征進(jìn)行對(duì)比研究,缺乏針對(duì)經(jīng)歷完整變質(zhì)階段后的孔隙結(jié)構(gòu)差異性認(rèn)識(shí),因而導(dǎo)致煤儲(chǔ)層物性特征的認(rèn)知不足,限制了針對(duì)高、低煤階儲(chǔ)層煤層氣的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。1開(kāi)口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)1.1煤中孔徑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的低煤階(褐煤、長(zhǎng)焰煤)煤巖試驗(yàn)樣品采自?xún)?nèi)蒙古海拉爾盆地、新疆吐哈盆地、準(zhǔn)噶爾盆地及河北省萬(wàn)全煤田,共13個(gè),鏡質(zhì)組最大反射率Ro,max介于0.24%~0.65%;高煤階煤巖試驗(yàn)樣品(貧煤、無(wú)煙煤3號(hào)、無(wú)煙煤2號(hào))采自沁水盆地和焦作煤田,共10個(gè),Ro,max介于1.89%~4.37%(表1)。23個(gè)樣品孔徑結(jié)構(gòu)測(cè)定采用汞侵入法(9510型壓汞微孔測(cè)定儀),得到煤中孔徑7.2nm以上的各孔徑段孔隙比孔容和比表面積等參數(shù);煤巖孔隙度測(cè)試采用比重瓶法。筆者依據(jù)Χoдoт劃分煤孔徑結(jié)構(gòu),分別對(duì)大孔(>1000nm)、中孔(100~1000nm)、過(guò)渡孔(10~100nm)和微孔(7.2~10nm)進(jìn)行煤比孔容和比表積分布的統(tǒng)計(jì)(表1)。此外也對(duì)其中8個(gè)高、低煤階煤巖樣品(HLR-01、HLR-05、HLR-07、WQ1、H1、H2、H3、H4)進(jìn)行了30℃下等溫吸附試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試儀器為IS-300型等溫吸附儀,參考GB/T19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》進(jìn)行。1.2煤中孔隙度的變化1)孔隙度特征。筆者對(duì)13個(gè)低煤階煤巖樣品(Ro,max=0.24%~0.65%)的測(cè)試結(jié)果顯示,低煤階煤樣孔隙度為2.29%~31.91%(表1),平均值12.31%。低煤階煤孔隙度變化范圍較大,平均值較高,其中吐哈盆地樣品孔隙度最低。究其原因,一方面與其惰質(zhì)組分含量少有關(guān)。低變質(zhì)程度煤的惰質(zhì)組分具有完整發(fā)達(dá)的孔隙系統(tǒng),孔徑分布范圍廣,大孔、中孔以及過(guò)渡孔分布的比例相對(duì)較高,平均孔徑大。鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組相比,微孔比例相對(duì)較高,致使鏡質(zhì)組中的孔隙平均孔徑較小;另一方面為吐哈盆地煤變質(zhì)程度偏高(長(zhǎng)焰煤)。隨著煤變質(zhì)程度提高,褐煤發(fā)達(dá)的原生孔隙被迅速壓實(shí),至長(zhǎng)焰煤時(shí)大孔、中孔明顯減少,微孔增多,孔隙度降低,造成吐哈盆地煤儲(chǔ)層孔隙度偏低。至高煤階階段,煤孔隙經(jīng)歷了由中等變質(zhì)程度孔隙度降低到高煤階孔隙度再次升高的過(guò)程。10個(gè)高煤階煤樣品實(shí)測(cè)孔隙度介于4.29%~10.00%(表1),平均為6.79%?？傮w來(lái)看,孔隙度與煤階的關(guān)系表現(xiàn)為褐煤(Ro,max<0.5%)孔隙度最高,其次是無(wú)煙煤3號(hào)(Ro,max為2.5%~4.0%),長(zhǎng)焰煤最低(Ro,max為0.50%~0.65%,圖1a)。2)孔徑分布特征。從比孔容分布特征來(lái)看,低煤階煤的總比孔容變化范圍大,且總體較高,而高煤階煤總比孔容較低煤階煤的孔體積減小(圖1b)。低煤階煤大孔、中孔、過(guò)渡孔體積均比高煤階煤大,尤以過(guò)渡孔為甚。高煤階煤大孔孔容最高,過(guò)渡孔、微孔的孔容次之(表2)。研究發(fā)現(xiàn),在Ro,max為2.30%~3.43%時(shí),煤中有一定數(shù)量的微米級(jí)熱成孔和裂縫孔(大孔)產(chǎn)生,表現(xiàn)出大孔的容積增大。由于煤大分子的秩理化程度增高,導(dǎo)致高煤階煤中微孔孔容比例也不斷增大。從比表面積來(lái)看,呈現(xiàn)低煤階煤的總比表面積大于高煤階煤(圖1c)的規(guī)律。高、低煤階煤比表面積均以過(guò)渡孔、微孔為主,大孔比表面積最小(表2)。低煤階煤過(guò)渡孔比表面積比最高(59.65%),與比孔容具有較好的一致性。微孔比表面積比(38.19%)僅次于過(guò)渡孔,與微孔比孔容比相比升高。而大孔與中孔對(duì)比表面積的貢獻(xiàn)很小。高煤階煤比表面積比以微孔最高(51.28%)。理論上,隨變質(zhì)程度提高,微孔含量會(huì)大幅增加,微孔比表面積占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),成為總比表面積的最大貢獻(xiàn)者。由于壓汞測(cè)試范圍大于7.2nm,因此無(wú)法測(cè)得孔徑小于7.2nm的微孔,一定程度上低估了高煤階煤中微孔比表面積。高煤階煤孔容較大的過(guò)渡孔,其比表面積僅次于微孔,比表面積百分比為47.90%。大孔、中孔同低煤階煤類(lèi)似,比表面積比低。3)孔隙形態(tài)及連通性。煤中有效孔隙包括開(kāi)放孔和半封閉孔2種基本類(lèi)型。煤壓汞曲線(xiàn)的“孔隙滯后環(huán)”可反映孔隙的基本形態(tài)及其連通性。圖2為高、低煤階典型煤樣的進(jìn)汞-退汞曲線(xiàn)。圖2a為4個(gè)褐煤煤樣的壓汞曲線(xiàn)。HLR-01、WQ1、HLR-05、HLR-07煤樣壓汞回線(xiàn)的進(jìn)汞、退汞曲線(xiàn)體積差較大,滯后環(huán)寬大,孔隙連通性比較好,且以開(kāi)放孔為主。圖2b為H1、H2、H3、H4等4個(gè)無(wú)煙煤樣品的壓汞曲線(xiàn),其進(jìn)汞飽和度低,孔隙率小;退汞存在明顯的滯后現(xiàn)象,且壓汞滯后環(huán)窄小,說(shuō)明煤的孔隙連通性較差,孔隙中多存在類(lèi)似于“墨水瓶”型的半封閉孔。2煤儲(chǔ)層孔隙分生長(zhǎng)規(guī)律煤是一種具有各種級(jí)別孔徑的復(fù)雜多孔介質(zhì),使用傳統(tǒng)的幾何方法難以精確地描述,且無(wú)法用固定的尺度來(lái)度量。研究表明煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)在不同的尺度上具有明顯的分形特征,應(yīng)用壓汞測(cè)試數(shù)據(jù)可以分析煤儲(chǔ)層孔隙的分形維數(shù),其中Menger提出的海綿構(gòu)造思想多用來(lái)模擬煤巖體孔隙特征。分形維數(shù)Db=lgNb1/lgm,其中m為邊長(zhǎng)是R的立方體初始元分成等大的小立方體數(shù)量;Nb1為按照一定規(guī)則去掉部分這樣的小立方體,剩下的小立方體數(shù)。通過(guò)Washburn方程可構(gòu)建進(jìn)汞體積與進(jìn)汞壓力之間的雙對(duì)數(shù)方程式:其中:p為外加壓力,MPa;V為壓力p時(shí)的進(jìn)汞體積,mm3;r為煤樣孔隙半徑,nm;Db為孔隙分布分形維數(shù)。對(duì)lg[dV/dp]與lgp作圖,得到斜率K,則Db-4=K,即:利用式(2)進(jìn)行分形計(jì)算。褐煤HLR-05、無(wú)煙煤H4的雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn)如圖3所示。其他6個(gè)典型煤樣的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。以維數(shù)為3分界,4個(gè)褐煤煤樣的分形維數(shù)均在3以上;而無(wú)煙煤的分形維數(shù)在3以下。煤儲(chǔ)層孔隙體積的分形維數(shù)隨煤變質(zhì)程度的增高而減小。此外,分析孔隙度與分形維數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn),孔隙度較大時(shí),體積分形維數(shù)也相應(yīng)較高(表3)。雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn)最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)壓汞法所測(cè)巖樣最大孔隙,因此可將壓汞法測(cè)試范圍上限1000nm定為煤樣分形上限。各學(xué)者對(duì)分形上限的確定結(jié)論基本一致;前人對(duì)于孔隙分形下限還沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。分形尺度是討論煤巖孔滲性的重要參數(shù)。傅雪海等、王文峰等分別研究得到當(dāng)孔徑大于65、75nm時(shí)煤儲(chǔ)層孔隙才具有明顯的分形特征;張松航等將100nm作為煤樣的分形下限。圖4中HLR-05褐煤煤樣不同孔徑的進(jìn)汞量顯示,孔徑為106.1nm處進(jìn)汞量出現(xiàn)突變。H4樣品相應(yīng)孔徑的進(jìn)汞量則顯示在90.7nm處出現(xiàn)突變。HLR-01、WQ1、HLR-05、HLR-07等4個(gè)褐煤分形下限孔徑介于104.5~150.7nm,H1、H2、H3、H4等4個(gè)無(wú)煙煤分形下限孔徑介于90.1~98.9nm?？梢灶A(yù)見(jiàn),在煤變質(zhì)程度增高的情況下,體積分形下限會(huì)持續(xù)降低。3高煤階煤的吸附特性煤層含氣量、解吸量以及滲流能力是煤層氣高效開(kāi)發(fā)的重要評(píng)判指標(biāo)。其中孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)煤儲(chǔ)層的吸附能力和流動(dòng)能力均有影響。一般來(lái)說(shuō),微孔對(duì)吸附和擴(kuò)散起著主要作用,而過(guò)渡孔、中孔及大孔對(duì)煤儲(chǔ)層的滲透性作用明顯。高、低煤階煤平衡水等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果顯示,高煤階煤具有強(qiáng)吸附能力(表3),Langmuir體積高達(dá)29.62m3/t,低煤階煤Langmuir體積則為1.13~8.09m3/t。高煤階煤較之低煤階煤的具有強(qiáng)吸附能力,證實(shí)了高煤階煤小于7.2nm的微孔含量高、比表面積分布巨大。一般來(lái)說(shuō),吸附能力與含氣量成正相關(guān)關(guān)系。高煤階煤微孔含量總體較高,為煤層氣開(kāi)發(fā)提供了良好的氣體富集基礎(chǔ)。低煤階煤微孔比表面積也較大,但吸附能力低。孔隙體積分形維數(shù)與水分含量呈正相關(guān)關(guān)系,低煤階煤分形維數(shù)較高,水分也高,水分一方面降低了吸附能力,另一方面阻擋了煤的吸附通道。煤層氣解吸量直接影響煤層氣井的單井產(chǎn)量。解吸一方面與吸附氣含量的高低有關(guān),另一方面與煤層氣在儲(chǔ)層中的流動(dòng)能力相關(guān)。煤儲(chǔ)層孔徑結(jié)構(gòu)的連續(xù)性越好,流動(dòng)能力越強(qiáng)。對(duì)比圖6中高、低煤階的孔隙分布特征以及孔隙體積分形下限孔徑可以發(fā)現(xiàn),高煤階煤的滲流孔發(fā)育程度較低,煤巖滲透能力低下,排水采氣時(shí)不容易持續(xù)穩(wěn)定降壓。因而,流動(dòng)能力的強(qiáng)弱是判別高煤階煤儲(chǔ)層煤層氣有利開(kāi)發(fā)區(qū)域的決定因素。低煤階各個(gè)階段孔隙發(fā)育較為均衡,存在高滲流能力的天然優(yōu)勢(shì),極大地降低了煤層氣開(kāi)采的難度。此時(shí),尋找煤層氣含氣量高的富集區(qū)將是開(kāi)發(fā)低煤階煤層氣的關(guān)鍵。4煤的變質(zhì)程度及滲流能力1)高、低煤階煤孔隙系統(tǒng)發(fā)育特征存在著明顯的差異。低煤階煤孔隙度平均為12.31%,而高煤階煤的孔隙度平均值為6.79%。低煤階煤大孔、中孔、過(guò)渡孔比孔容均較大,尤以過(guò)渡孔為甚;高煤階煤則以大孔孔容最大,而過(guò)渡孔、微孔的孔容次之;高、低煤階煤比表面積均以過(guò)渡孔、微孔為主。低煤階煤孔隙連通性較好,以開(kāi)放孔為