邢臺礦區(qū)煤儲層孔隙特征分析

高 亮，上官拴通，張國斌，張 苗

（1.河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北邢臺 054000；2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇徐州 221008）

邢臺礦區(qū)煤儲層孔隙特征分析

高 亮1，上官拴通1，張國斌1，張 苗2

（1.河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北邢臺 054000；2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇徐州 221008）

為查明邢臺礦區(qū)煤儲層孔隙分布特征對煤層氣含氣量和可采性的影響，對采自邢臺礦區(qū)不同生產(chǎn)礦井的6個煤樣進行了鏡質(zhì)組最大反射率、壓汞實驗分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該區(qū)煤儲層孔隙具有如下特征：6個煤樣平均孔隙度為5.87%，對煤層氣的儲集開發(fā)貢獻一般，其大小與煤變質(zhì)程度和大孔含量關(guān)系密切；煤儲層吸附孔平均含量達74.29%以上，滲流孔含量很少，這對煤層氣的儲集非常有利，但影響煤層氣的開發(fā)；6個煤樣的中孔孔容都不太發(fā)育，成為煤層氣滲流的“瓶頸”；3～17 nm的孔隙對孔體積和比表面積具有控制作用，大孔、中孔幾乎不起作用；分析6個煤樣的壓汞曲線發(fā)現(xiàn)，孔隙類型以半封閉孔、封閉孔為主，孔隙連通性較差，不利于后期煤層氣的開采，應(yīng)加強此類儲層煤層氣鉆井工藝和開采技術(shù)研究，通過儲層改造來改善煤層氣的可采性。

煤儲層；孔隙；煤層氣；壓汞實驗

0　引言

煤儲層是一種三元孔、裂隙介質(zhì)，煤層氣在宏觀裂隙、大孔、中孔以滲流為主，在小孔、微孔中以吸附、擴散為主，各個孔徑段的孔隙均在一定程度上發(fā)育且孔裂隙系統(tǒng)配置合理的煤儲層有利于煤層氣的產(chǎn)出[1-2]。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、擴散和滲流的基礎(chǔ)[3]，它制約著煤層氣含氣量，同時影響其可采性[4]。

邢臺礦區(qū)位于太行山東麓含煤區(qū)，含煤地層為石炭-二疊系，煤炭資源豐富，斷裂、褶皺較發(fā)育[5-6]（圖1）。受巖漿巖影響，區(qū)內(nèi)煤種在平面上自北向南、自東向西變質(zhì)程度逐漸增高，氣煤變?yōu)闊o煙煤[7]。前人對本區(qū)煤層氣含氣性特征、控氣因素等方面開展了較多研究[8-12]，但對于煤儲層孔隙特征研究相對較少?；诖?，本次研究對采自邢臺礦區(qū)的6個煤樣進行了鏡質(zhì)組最大反射率測試和壓汞實驗，探討了本區(qū)煤儲層孔隙分布特征并分析其對煤層氣可采性的影響。

1　樣品采集及測試

本次共采集了邢臺礦區(qū)不同生產(chǎn)礦井的6個樣品，煤巖樣品采自主采煤層新鮮工作面，鏡質(zhì)組最大反射率Ro，max為0.76%～3.18%（表1），涵蓋氣煤、貧煤和無煙煤，具有一定的代表性。采用汞侵入法對6個樣品孔徑結(jié)構(gòu)進行了測試，測試儀器選用AU?TOPORE IV9500型壓汞微孔測定儀，工作壓力0.0039～413.085 MPa。按《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度第1部分：壓汞法》（GB/T21650.1-2008/ISO 15901-1:2005）取樣、破碎和篩分。上機前將煤樣放置于烘箱中，在70～80℃的條件下恒溫干燥12 h，然后裝入膨脹儀中抽真空至壓力小于6.67 Pa時進行測試。通過壓汞實驗得到煤中孔隙度、比孔容和比表面積等參數(shù)，受儀器限制，最小測試到3.0 nm，其以下孔隙未能測出。

圖1　區(qū)域構(gòu)造格局及煤樣分布圖（據(jù)張路鎖等，2008修改）Figure 1 Regional tectonic framework and sampling points distribution（modified from Zhang et al，2008）

2　孔隙系統(tǒng)發(fā)育特征

依據(jù)目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的B.B.霍多特十進制孔隙分類標準[13]，分別對大孔（>1000 nm）、中孔（100～1000 nm）、過渡孔（10～100 nm）和微孔（≤10 nm）進行了6塊樣品比孔容和比表面積的統(tǒng)計（表1）。

表1　煤樣測試數(shù)據(jù)表Table 1 Data sheet of coal sample tested results

2.1孔隙度

對本區(qū)6塊樣品的測試數(shù)據(jù)顯示，煤樣孔隙度為3.88%～8.39%（表1），平均為5.87%。從孔隙度大小的單一因素來看，平均孔隙度達到7%以上煤儲層對煤層氣的儲集和開發(fā)有利[14]，本區(qū)煤儲層孔隙度對煤層氣的儲集開發(fā)貢獻一般。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，煤的孔隙度與煤變質(zhì)程度和大孔含量關(guān)系密切。隨著大孔含量的升高，孔隙度亦呈增大趨勢（圖2a）。高煤階煤與中煤階煤相比孔隙度較大（圖2b），這是由于煤孔隙經(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程[15]。

圖2　大孔含量（a）及Ro，max（b）與孔隙度的關(guān)系Figure 2 Relationships between macropore content and(a)Romax;(b)porosity

2.2孔容與孔比表面積

通過總比孔容數(shù)據(jù)可以明顯看出，本區(qū)煤的總比孔容變化范圍較大，為279×10-4～725×10-4cm3/g，平均為496.5×10-4cm3/g。其中DP-1數(shù)據(jù)最小，高煤階煤總比孔容較中煤階煤相比呈現(xiàn)增大趨勢（圖3a）。高煤階煤各孔徑段孔隙體積均比中煤階煤大，中煤階煤微孔孔容最為發(fā)育，過渡孔孔容次之；高煤階煤亦是微孔孔容最為發(fā)育，過渡孔、大孔孔容次之（表2），不符合以往研究中華北地區(qū)中高階煤類中大孔、過渡孔占較高比例的結(jié)論[16]，究其原因，可能與本區(qū)煤的宏觀煤巖組分多鏡煤、少絲炭有關(guān)，絲炭的孔隙率比鏡煤大3～4倍且以中孔、大孔為主，鏡煤則以微孔和小孔為主[17]。比孔容百分比圖4（a）表明微孔是比孔容的主要貢獻者。

圖3　 Ro，max與總比孔容（a）、總比表面積（b）的關(guān)系Figure 3 Relationships between Romaxand(a)total specific pore volume;(b)total specific surface area

表2　中、高階煤樣比孔容、比表面積均值Table 2 Mean values of medium to high ranked coal sample specific pore volume and specific surface area

圖4　煤樣不同孔徑比孔容（a）、比表面積（b）百分比分布Figure 4 Percentage distribution of different pore sizes:(a)specific pore volume;(b)specific surface area

樣品總比表面積為12.621～31.050 cm2/g，平均為21.596 cm2/g。從比表面積來看，高煤階煤總比表面積較中煤階煤相比亦增大（圖3b）。各煤階比表面積均以微孔為主，大孔比表面積最小（表2、圖4b）。中、高煤階煤微孔平均比表面積比分別為88%、90%，比孔容僅次于大孔的過渡孔平均比表面積僅為12%和3%，可以看出微孔比表面積是總比表面積的最大貢獻者，而大、中孔對比表面積的貢獻甚微。這與隨變質(zhì)程度提高，微孔比表面積占絕對優(yōu)勢的結(jié)論一致[15，18]。

傅雪海等[3]將煤孔隙劃分為小于65 nm的擴散孔隙和大于65 nm的滲透孔隙兩級，姚艷斌等[14]將孔徑大于100 nm的孔隙歸為滲流孔隙，將孔徑小于100 nm的孔隙歸為吸附孔隙。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。分析本區(qū)煤樣各孔徑段孔隙含量發(fā)現(xiàn)，6個樣品的中孔孔容都不太發(fā)育，成為煤層氣滲流的“瓶頸”[19]。按孔徑100 nm為劃分界限，本區(qū)吸附孔占絕對優(yōu)勢，平均含量達74.29%以上，滲流孔含量較小，約25.71%，這種孔隙系統(tǒng)對煤層氣的儲集非常有利，但影響煤層氣的開發(fā)。

2.3孔徑分布

利用本次壓汞實驗測得孔體積和孔徑數(shù)據(jù)繪制的孔體積隨孔徑的變化率分布可以看出（圖5），煤樣孔體積主要在3～17 nm變化強烈，其中在3 nm、11 nm和14 nm處出現(xiàn)3個峰值，除樣品DP-2外，其它樣品在孔徑大于17 nm的區(qū)間變化率幾乎為0，表明孔徑在3～17 nm內(nèi)孔隙對孔體積的貢獻起主要作用。

圖5　煤樣孔體積變化率分布Figure 5 Distribution of coal samples pore volume change rates

同樣，利用比表面積和孔徑數(shù)據(jù)繪制的比表面積隨孔徑的變化率分布可以看出（圖6），煤樣比表面積隨孔徑的變化率主要集中在3～17 nm，尤其以孔徑3～12 nm變化率最大，孔徑12～17 nm變化率趨于平緩，孔徑大于17 nm的變化率幾乎為0，說明3～17 nm的孔隙對比表面積具有主導作用，而大孔和中孔對比表面積幾乎不起作用。

圖6　煤樣比表面積變化率分布Figure 6 Distribution of coal samples specific surface area change rates

2.4孔隙形態(tài)及連通性

煤中的有效孔隙包括開放孔和半封閉孔2種基本類型。壓汞實驗的進、退汞曲線的形態(tài)可以直觀反映煤儲層連通性，開放孔具有壓汞“滯后環(huán)”，半封閉孔則由于退汞壓力和進汞壓力相等而不具“滯后環(huán)”[14，20-21]。

從各煤樣的進汞曲線可以看出（圖7），當注入壓力較小時，6個煤樣的進汞量迅速增大且達到一定值，該值反映煤樣中大孔的發(fā)育程度[22]。煤樣GQ-1和GQ-2在初始階段煤樣進汞量最大，說明該2個煤樣的大孔發(fā)育程度最好。隨后，除煤樣DP-2外，各煤樣進汞量隨著壓力的增大幾乎呈線性增加。煤樣DP-2進汞曲線在壓力0.256～30.934 MPa呈水平直線，反映該壓力區(qū)間無進汞量，煤樣DP-2測試結(jié)果顯示該樣品中孔孔容為0，說明壓力在0.256～30.934 MPa時汞以進入中孔為主。

對比邢臺礦區(qū)6個煤樣的壓汞曲線可以發(fā)現(xiàn)，6個樣品的進汞曲線和退汞曲線形態(tài)大體形同，均近于平行，無明顯“滯后環(huán)”，為平行型壓汞曲線，說明孔隙類型以半封閉孔甚至封閉孔為主，這與樣品微孔、過渡孔比孔容發(fā)育而中孔不發(fā)育的測試結(jié)果一致。煤樣XD-1和XT-1在同一壓力值處進汞、退汞量差值最小，部分出現(xiàn)重合現(xiàn)象，說明封閉孔較多，孔隙連通性較差。一般來說，這類孔隙煤儲層的滲透性不好，不利于后期煤層氣的開采。

3　孔隙特征對煤層氣藏的影響

邢臺礦區(qū)儲集空間由大孔、中孔、過渡孔和微孔4種類型組成，微孔和過渡孔為主要孔徑，3～17 nm孔隙占有重要比例。平均總比孔容496.5×10-4cm3/g，平均總比表面積為21.596 cm2/g，兩者的主要貢獻者均為微孔，這有助于煤層氣的吸附聚集，若封蓋條件良好，則區(qū)內(nèi)可能形成一定的富氣帶。但與此同時，本區(qū)孔徑結(jié)構(gòu)不連續(xù)，且微孔占比高，由于微孔的封閉性阻礙了壓差在煤儲層內(nèi)的有效傳遞從而降低煤層氣的解吸能力[23]，這將是煤層氣未來解吸開發(fā)的最大“瓶頸”，應(yīng)加強此類儲層煤層氣鉆井工藝和開采技術(shù)研究，通過儲層改造來改善煤層氣的可采性。

圖7　邢臺礦區(qū)不同煤樣壓汞曲線Figure 7 Different coal samples mercury injection curves in Xingtai mining area

4　結(jié)論

①邢臺礦區(qū)6個煤樣平均孔隙度為5.87%，考慮孔隙度單一因素，其對煤層氣的儲集開發(fā)的貢獻一般；煤的孔隙度大小與煤變質(zhì)程度和大孔含量關(guān)系密切；

②煤儲層微孔孔容最為發(fā)育，可能與煤的宏觀煤巖組分有關(guān)；6個煤樣的中孔孔容都不太發(fā)育，成為煤層氣滲流的“瓶頸”；吸附孔平均含量達74.29%以上，滲流孔含量僅為25.71%，這種孔隙系統(tǒng)對煤層氣的儲集非常有利，但影響煤層氣的開發(fā)；

③進一步分析發(fā)現(xiàn)，煤樣孔體積和比表面積隨孔徑變化率分布表明3～17 nm的孔隙對孔體積和比表面積具有控制作用，大孔、中孔幾乎不起作用；

④通過分析6個煤樣的壓汞曲線發(fā)現(xiàn)，孔隙類型以半封閉孔甚至封閉孔為主，孔隙連通性較差。一般來說，這類孔隙煤儲層的滲透性不好，不利于后期煤層氣的開采，應(yīng)加強此類儲層煤層氣鉆井工藝和開采技術(shù)研究，通過儲層改造來改善煤層氣的可采性。

致謝：中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院傅雪海教授指導了樣品的采集及測試工作，河南理工大學資源與環(huán)境學院李猛博士對本文提出了寶貴意見，特此感謝！

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Coal Reservoir Pore Characteristic Analysis in Xingtai Mining Area

Gao Liang1,Shangguan Shuantong1,Zhang Guobin1and Zhang Miao2
(1.The Second Exploration Team,Hebei Bureau of Coal Geological Exploration,Xingtai,Hebei 054000; 2.School of Resource and Earth Science,CUMT,Xuzhou,Jiangsu 221008)

To find out the impact from coal reservoir pore distribution features on CBM content and exploitability in the Xingtai mining area carried out maximum reflectance of vitrinite analysis and mercury injection experiment for 6 coal samples from different coalmines in the area.The results have found that the coal reservoir pores in the area have following features:average porosity of the 6 samples is 5.87%,pore contribution to CBM accumulation and exploitation is not great,and their sizes especially large pores content closely relat?ed to the degree of coal metamorphism.Coal reservoir adsorption pore average content can be over 74.29%,percolation pore content very few,that propitious to CBM accumulation,but impacted exploitation.The mesopore volume is less developed in 6 samples,thus the bottleneck of CBM seepage.Pores with diameter 3～17nm have controlling effect on pore volume and specific surface area,while macropore and mesopore almost no effect.Through analysis of sample mercury injection curves has found that the pore types are mainly semi-closed and closed pores with poor connectivity,thus is not good for CBM exploitation in the future,So that should intensify CBM drilling technology and exploitation studies,through reservoir reformation to improve CBM exploitability for such coal reservoirs.

coal reservoir;pore;CBM;mercury injection experiment

P618.11

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.11.05

1674-1803(2016)11-0019-06

高亮（1984—），男，河北石家莊人，工程師，本科，2009年畢業(yè)于河南理工大學地質(zhì)工程專業(yè)，從事礦產(chǎn)資源勘查及評價研究工作。

2016-06-07

責任編輯：宋博輦