煤層氣儲層微觀結構特征及研究方法進展

李相臣 康毅力

(西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室, 四川 610500)

隨著科學技術的快速進步, 能源問題、環境問題和煤礦安全問題的日益突出, 人們認識到煤層氣的開發利用, 可以較好地改善煤礦安全、保護生態環境, 并能提供一種優質潔凈的新能源。據最新煤層氣資源評估結果, 我國埋深2000m 以淺的煤層氣資源總量為36．81 ×1012m3, 與陸地常規天然氣資源量相當, 位列世界前三位, 占世界前12 個國家煤層氣資源總量的13%。在我國對天然氣需求逐年增加的背景下, 將煤層氣作為常規天然氣的接替或補充能源最為現實和有利。

煤層既是烴源巖又是儲集巖, 與常規油氣儲層相比具有明顯不同的特征。煤層是由孔隙和裂隙組成的雙重介質, 其基質孔隙是煤層氣的主要儲集場所, 裂隙則是煤層氣運移的通道。煤層氣儲層的微觀結構特征直接影響煤層氣的賦存和運移, 深入對儲層微觀結構的研究對煤層氣的開發具有重要意義。

1 煤巖基質孔隙結構特征

1．1 煤孔隙的大小分類

根據不同的研究對象和目的, 煤的孔隙結構分類方案有所差別, 表1 是幾種常見的分類方案。其中Girish 等的分類是依據煤的吸附特性進行的, 并且得到國際理論與應用化學聯合會的認可。霍多特的分類是依據對工業吸附劑的研究提出的, 認為微孔構成煤的吸附容積, 小孔構成煤層氣的毛細管凝結和擴散區域, 中孔構成煤層氣的緩慢層流滲透區域, 而大孔則構成劇烈層流滲流區域, 這是煤層氣開采中普遍采用的方法。

表1 煤的孔隙分類方案 (單位： 10- 9m)

1．2 煤孔隙的成因分類

Gan (1972) 按成因將其劃分為分子間孔、煤植體孔、熱成因孔和裂縫孔。郝琦 (1987) 劃分的成因類型為植物組織孔、氣孔、粒間孔、晶間孔、鑄?？?、溶蝕孔等。蘇現波 (1998) 將孔隙分為氣孔、殘留植物組織孔、次生孔隙、晶間孔、原生粒間孔等。張素新等 (2000) 劃分為植物細胞殘留孔隙、基質孔隙和次生孔隙三類。張慧 (2001) 以較大量的掃描電鏡觀測結果為依據, 將煤孔隙的成因類型劃分為原生孔、外生孔、變質孔、礦物質孔。這些劃分有些將孔隙和裂隙一并考慮; 有些在某些方面借用了砂巖儲層和灰巖儲層的名稱。煤孔隙成因類型多, 形態復雜, 大小不等, 各類孔隙都是在微區發育或微區連通, 它們借助于裂隙而參與煤層氣的滲流系統?？紫兜某梢蝾愋图鞍l育特征是煤儲層生氣儲氣能力和滲透性能的直接反映。

1．3 孔隙的作用

(1) 儲集性

煤中的原生孔、氣孔及其他各種空隙, 都發揮其儲集性能。低煤級煤的儲氣任務主要由原生孔來擔當, 原生孔孔徑大, 儲存的氣體以游離狀態存在。低煤級煤中的游離氣成為潛力巨大的煤層氣資源。中- 高煤級煤中孔隙類型多, 級別多, 儲存的氣體賦存狀態復雜。外生孔在形成初期, 儲氣作用可能很小或沒有, 隨后可以接受分子擴散或微裂隙滲流而輸入的氣體, 逐步增加儲氣量。

(2) 連通性和滲透性

沒有一種孔隙能夠在整個煤層中連通, 各類孔隙之間也沒有明顯的連通關系。雖然各類孔隙空間連通性差, 但它們與裂隙一起構成煤的雙重孔隙系統。無論哪種孔隙發育, 都有利于增加煤的孔隙體積, 有利于煤中氣體的擴散和儲存。在圍壓和裂隙環境適宜的條件下, 孔隙也有利于煤層氣的滲流。煤中的孔隙體積遠大于裂隙體積, 煤層氣的儲存和運移由多級孔隙和裂隙聯合作用來完成, 孔隙滲流作用不可忽略。

2 煤巖裂隙結構特征

2．1 煤巖裂隙系統

裂隙是煤中常見的自然現象, 但不同國家、不同學科、不同學者對此有不同的稱謂, 名稱的使用尚不統一。裂隙的近義詞和同義詞有： 節理、割理、裂縫、斷裂等, “節理”指沒有明顯位移的小型斷裂構造 (徐開禮, 1984) , 常用于沉積巖石學中, 與煤中裂隙含義一致;“斷裂”“裂縫”多用于區域構造地質, 其規模相對大得多; 而“割理”一詞來源于美國 (GRI, 1991) , 主要指由煤化作用形成的內生裂隙?！傲严丁币辉~是引用蘇聯的概念,最早在中國煤田地質學 (楊起, 1979) 上出現, 有內生和外生之分, 并已在我國煤田地質領域應用多年。

煤層中一般有兩種裂隙系統, 一是由地質構造作用造成的, 其力學性質可以是壓性、張性或剪性的; 二是在煤化作用過程中, 煤中凝膠化物質受溫度和壓力等因素影響, 體積均勻收縮產生內張力而形成的, 力學性質是張性的。按成因分類, 前者為外生裂隙, 后者為割理。割理通常被劃分為相互垂直的兩組： 連續性好的面割理和連續性不太好的終止于面割理的端割理, 這兩組割理通常垂直于或接近垂直于煤層層理面, 共同組成了煤層的割理系統。由于割理和外生裂隙的成因不同, 它們的地質特征和分布規律的地質控制因素也不完全相同, 產出特征上表現出重要區別 (表2) 。

表2 割理和外生裂隙的區別

2．2 割理特征描述參數

割理系統具有割理的長度、高度、密度、形態和壁距等屬性。割理長度是在平行于層面的斷面或煤巖類型界面上割理的橫向連續延伸長度, 而割理高度指的是垂向上割理的連續延伸長度。割理密度是在平行于層面的斷面或煤巖類型界面上, 與一條垂直于割理延伸方向的一定長度的直線相交的割理的條數, 該直線的長短視割理的疏密而定, 一般以5cm 較合適。割理的面密度是在平行于層面或煤巖類型界面上, 一定平面面積內的面割理和端割理的總條數, 一般使用兩邊分別與面割理和端割理平行的四邊形來進行統計。割理面形態是指煤巖沿割理裂開后, 割理的兩壁是光滑平整的, 還是參差不齊的。由于割理為張性裂隙, 所以, 參差不齊的割理面形態并非少見。割理壁距是同一條割理的兩壁之間的距離。

2．3 割理發育影響因素及平面組合類型

煤層割理的發育程度受很多煤層因素影響, 包括煤階、煤巖類型 (顯微組分和巖石力學性質) 、宏觀煤巖組分和煤層厚度等方面。通常低煤階煤的割理不甚發育, 演化到煙煤時割理發育, 割理面最密集的主要發生在低揮發分煙煤煤階附近, 高于低揮發分煙煤煤階, 割理反而變得不發育。一般煤層厚度越小, 割理密集度越大。在大多數情況下, 割理間隔煤巖厚度相等或略小。割理通常存在于富含鏡質顯微組分的光亮型鏡煤條帶中, 極少出現在暗煤 (絲質組及惰性組) 中。大量的觀察和實驗數據顯示： 割理通常開始于煤層灰分顯著變化或煤巖的微裂縫處。割理的平面組合形態可以大致劃分為網狀、孤立- 網狀和孤立狀三種類型。

2．4 割理的作用

煤中割理的孔隙度大概為0．5%～2．5%, 儲集能力小, 但滲透率卻很高, 是氣、水滲流的主要通道。割理系統是影響煤儲層滲透性的主要因素, 其中又以割理密度、割理壁距、割理走向和平面組合特征對煤層的滲透性影響最為明顯。一般割理密度越大, 煤層滲透性越好, 反之則越低。割理壁距愈小, 滲透性越差, 反之越好; 割理面形態的不規則性有利于部分割理在高應力環境下仍保持開啟狀態。沿面割理方向滲透率最大, 通常是其它方向的3～10 倍, 與端割理滲透率之比高達17∶1。割理長度是實現煤層氣井井間干擾的必要條件。在其它條件, 如現今地應力、地層壓力、煤體結構、外生裂隙特征和充填程度相近時, 網狀割理的煤層滲透性好。

3 煤巖微觀結構研究方法

3．1 壓汞法和低溫氮吸附法

常規壓汞技術研究巖石孔隙結構具有快速、準確的特點, 且能夠涉及較高的毛管壓力范圍, 便于對細小孔喉分布進行測量。常規壓汞技術是利用一定壓力條件下, 進入巖樣的汞體積對應一定大小的孔喉, 進汞壓力越高測量的孔喉越小, 最高進汞壓力可達200MPa。壓汞法可以定量得到孔徑大于7．5nm 以上范圍內有關孔隙大小、孔隙分布、孔隙類型等孔隙結構信息。

低溫氮吸附法是利用低溫氮 (液氮) 的吸附-凝聚原理, 通常采用77K 氮氣的吸附來測出煤的比表面積和孔徑分布。低溫氮吸附法可以測到的最小孔徑達0．6nm 左右, 但其所能測到的最大孔的孔直徑一般只能達到100～150nm。

3．2 散射法

小角X 射線散射 (SAXS) 和小角中子散射(SANS) 。小角X 射線散射方法是研究多孔材料孔隙結構的有效方法之一, 它具有制樣簡單、適用范圍寬等優點, 如不管所研究樣品是干態還是濕態,也不管其內孔隙是開孔還是閉孔, SAXS 都適用。采用同步輻射作X 射線源, 強度高, 可提高實驗的分辨率, 縮短實驗時間。小角中子散射是通過分析長波長中子 (0．2～2nm 左右) 在小角度范圍(大約在2°以下) 內的散射強度來研究大小在幾到幾百納米范圍內的物質結構的一種專門的測量技術。A．P．Radlinski 等應用這兩項技術成功地測定了煤樣的孔隙度、孔隙大小分布和內表面積。

3．3 二維圖像分析法

光學顯微鏡 (Optical Microscopy) ： 光學顯微鏡法識別組分方便, 準確性高, 并可作定量分析, 但其放大倍數至多達到幾千倍, 識別礦物質能力有限, 可獲得的信息量少。

掃描電鏡 (Scanning Electron Microscope, SEM) ：掃面電鏡有較高的放大倍數, 5～30 萬倍之間連續可調, 分辨率可達到了0．5nm 左右, 圖像富有立體感, 可直接觀察各種樣品凹凸不平表面的細微結構; 同時, 掃描電鏡與X 射線能譜配合使用, 不僅可以看到樣品的微觀結構, 還能分析樣品的元素成分及在相應視野的元素分布。但是, SEM 的分辨率雖高, 它只能在真空中對導電樣品進行觀察, 否則, 電子在到達樣品之前將被介質吸收, 無法達到觀察的目的, 對液體、特殊環境下才存在的一些現象, SEM 無法進行觀察。

原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope,AFM) ： 原子力顯微鏡具有原子級分辨率, 其橫向分辨率和縱向分辨率可達到0．1nm 和0．01nm, 即可以分辨出單個原子; 可實時地得到在實空間中表面的三維圖像, 可用于具有周期性或不具備周期性的表面結構研究, 這種可實時觀測的性能可用于表面擴散等動態過程的研究; 可以觀察單個原子層的局部表面結構, 而不是體相或整個表面的平均性質, 因而, 可以直接觀察表面缺陷、表面重構、表面吸附體的形態和位置等; 可以測量樣品表面的硬度、粗糙度、磁場力、電場力、溫度分布和材料表面組成等樣品的物理特性, 提供不同樣品的成分信息; 可在真空、氣體空氣或液體多種環境下進行實驗。但是, AFM 的工作區域選擇非常盲目, 而且工作區域非常有限, 只能在微米尺度范圍進行掃描, 對較大樣品表面進行掃描非常困難。

3．4 三維圖像分析法

核磁共振成像技術 (Nuclear Magnetic Resonance Imaging, NMRI) 。其實質上就是通過受檢物體各種組成成分和結構特征的不同弛豫過程, 根據觀測信號的強度變化, 利用帶有核磁性的原子與外磁場的相互作用引起的共振現象而進行實驗和檢測的。唐巨鵬等利用核磁共振成像技術研究煤層氣滲流規律, 建立了核磁滲透率和煤儲層滲透率的關系表達式, 指出核磁T2分布譜與煤孔隙結構具有較好的對應關系。楊正明等研究表明, 核磁共振所測試的孔隙度和滲透率與實驗室常規所測試的孔隙度和滲透率基本一致, 兩者的相關性很好。

X-CT 巖心掃描三維成像技術。利用X 射線計算機層析 (Computerized Tomography, CT) 對巖石樣品進行三維成像, 空間分辨率達到幾個微米, 能直觀地描述巖石微觀孔隙結構特征和流體運動特征,同時可以定量分析。國外一些學者應用該技術, 對煤中割理的間距、寬度和角度分布等方面進行了研究。

3．5 分形法

自1975 年Mandelbort 首先提出分形概念以來,分形幾何被用來研究自然界中沒有特征長度而又有自相似性的形體和現象, 成為定量描述不規則形體的有力工具。應用分形理論可獲得煤巖破碎程度分布和煤中孔隙、裂隙分布的近似定量信息, 評價煤層氣的吸附- 解吸、擴散、滲流及煤層有效滲透率估算。國內很多學者將分形應用于煤儲層的孔隙物性研究中, 指出可以用分形維數來定量表征孔隙結構的特征, 煤巖成分越復雜分形維數越大, 分形維數與煤變質程度具有較好的相關性, 隨煤級增加,分形維呈線性逐漸減少。

4 展望

煤的孔徑結構分類將為研究煤中氣體吸附和運移特征提供重要信息。限于實驗方法、認識水平等因素, 不同方案間的孔徑分級、同一級別孔的孔徑大小多不一致, 孔類型術語比較混亂, 給研究工作帶來了不便。建議從煤層氣解吸- 擴散- 滲流三個產出過程出發, 形成一套能夠反映產出機理的孔隙分類體系, 以利于資料的對比應用。

現在大家習慣使用埃作為表征孔隙大小的單位, 建議采用法定計量單位納米 (nm) 作為計量單位, 這樣可以為煤層氣儲層中的納微流動描述提供方便。

不同國家、不同學科、不同學者對煤中裂隙的稱謂不同, 名稱的使用尚不統一。建議在煤層氣藏開發中, 應用“裂隙 (fracture)”一詞指代煤中的各類裂隙, 將割理統稱為內生裂隙。

各種測試技術已被應用于煤巖的微觀結構研究中, 但各測試方法的原理不同, 得到的結果各有異同, 對比性差。應該將各種方法的數據綜合分析,充分利用各項技術測得數據的優越性, 更加準確地反映儲層微觀結構。

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