沁水盆地南部深煤層孔隙結構特征

陸小霞， 黃文輝， 陳燕萍， 張守仁， 吳 見， 徐延勇

( 1. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083； 2. 中國地質大學(北京) 海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083； 3. 中聯煤層氣有限責任公司 研究中心，北京 100011； 4. 中原油田物探研究院，河南 鄭州 450000 )

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沁水盆地南部深煤層孔隙結構特征

陸小霞1,2,3， 黃文輝1,2， 陳燕萍4， 張守仁3， 吳 見3， 徐延勇3

( 1. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083； 2. 中國地質大學(北京) 海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083； 3. 中聯煤層氣有限責任公司 研究中心，北京 100011； 4. 中原油田物探研究院，河南 鄭州 450000 )

煤層氣的勘探開發已逐步轉向埋深大于1 000 m的煤層，以沁水盆地南部為研究背景，采集淺部與深部煤樣，進行壓汞和低溫氮吸附實驗，對比孔隙結構特征.結果表明：從淺部到深部，煤層微小孔的體積稍增多，中孔和大孔的略減.當煤層埋深小于750 m，壓汞曲線類型以Ⅱ型為主，孔隙形態以Ⅰ類開放孔為主，孔隙結構配置較好.當煤層埋深為750～1 100 m，壓汞曲線類型包括Ⅱ型和Ⅲ型，孔隙形態以Ⅱ類一端封閉型為主，孔隙結構復雜，存在一個過渡帶.當煤層埋深大于1 100 m，壓汞曲線類型以Ⅲ型為主，孔隙形態主要為Ⅰ類開放孔，含有部分Ⅱ類和Ⅲ類孔，氣體儲存空間減小，孔隙結構配置較差.地應力是影響孔隙結構的關鍵因素，隨著埋深的增大，地應力的分帶性導致孔隙結構由較好，變為復雜的過渡帶，最后變為較差.深煤層的過渡帶物性參數顯示較為復雜的變化特征，為深部煤層氣的開發提供參考依據.

深煤層； 孔隙結構； 孔隙形態； 壓汞曲線； 低溫氮吸附； 過渡帶

0 引言

我國陸上埋深超過1 000 m的煤層氣資源量達22.53×1012m3，占煤層氣資源總量的61.22%.其中埋深1 000～1 500 m的煤層氣資源量為10.61×1012m3，占總資源量的28.8%；埋深1 500～2 000 m的煤層氣資源量為11.93×1012m3，占總資源量的32.4%[1].因此，勘探開發深部煤層氣對于解放深部巨大的煤層氣資源量具有重要意義.沁水盆地南部一直是我國煤層氣勘探開發的熱點地區，以往多集中在煤層埋深小于1 000 m的區塊，目前逐漸轉向埋深大于1 000 m的區塊.深部煤層存在地應力場復雜且構造應力明顯、地溫高且氣固物理化學作用復雜、煤層力學特征與儲滲結構復雜等問題，導致深部煤層滲透率低、儲層分布非均質性強，在開采過程中煤層氣井產量低、衰減快[2-5],因此，深部煤層特征是目前煤層氣勘探開發研究的難點.

近年來，對深煤層的研究主要包括3個方面.一是煤層物性.梁紅俠等分析淮南煤田深部煤的孔隙特征和意義，認為隨埋深增大，煤的比孔容積減小，微孔的比孔容積占總比孔容積的比率增大，煤的孔隙率減小，微孔增多，使得煤吸附瓦斯的容量相對增多[6].人們在高溫高壓下煤巖力學特征、應力應變機制方面進行研究，如楊松等總結深部煤層孔滲特征的研究現狀[7].二是深部煤層含氣量.王愛國、傅雪海、宋全友、趙麗娟等對不同區塊的深部煤層含氣量進行預測，主要預測方法有含氣梯度法、壓力—吸附曲線法、煤質—灰分—含氣量類比法、測井曲線法、有效生氣階段和有效生氣量計算、地質條件綜合分析法等[8-11].三是深部煤層氣成藏特征.秦勇、申建等從深部地應力場、地溫場、含氣量及流體壓力系統等方面分析深部煤層氣成藏的特殊性，認為深部地應力狀態轉換的臨界深度與水平最大主應力有關；深部地溫場對煤層氣吸附能力影響的負效應大于地層壓力的正效應；圍壓是影響深部煤巖力學的主要因素，溫度和流體壓力對煤巖力學性質的影響更為復雜；并建立吸附—溫度—應力—流體壓力效應耦合的深部煤層滲透率數學模型[12-15].可見，對于深部煤層，尤其是孔滲等物性特征方面的研究尚缺乏.在沁水盆地東南部柿莊北區塊，已逐步開始開采埋深1 000～2 000 m的煤層氣，但產氣量一般較低.筆者采集沁水盆地南部深部鉆孔的煤樣，與淺部鉆孔的煤樣進行對比，分析深部煤層孔隙特征，為深煤層的開發提供依據.

1 研究背景

1.1 地質概況

圖1 沁水盆地南部15號煤層埋深等值線Fig.1 Depth contour of the No.15 coal seam in southern Qinshui basin

沁水盆地位于山西省東南部，是中生代末形成的復式向斜構造盆地.盆地主要經歷三期構造運動，即印支期、燕山期及喜山期.盆地邊緣發育大型斷裂，內部以次級褶皺為主，構造線多為北東—北北東方向[16].研究區位于盆地東南部向西北傾的斜坡，地層傾向北西西，傾角平緩.研究區主要發育的煤層有山西組3號煤層和太原組15號煤層，盆地邊緣煤層埋藏較淺，在東南邊緣可見15號煤層出露，向盆地內部，煤層埋深逐漸加大，在長子西南部煤層平均埋深超過1 000 m，屬于深煤層(見圖1)，構造以北北東向的寬緩褶皺為主.研究區煤層埋深由東向西逐漸加大，中部受褶皺影響有較大變化,主要發育3條正斷層，即文王山斷層、二崗山斷層、寺頭正斷層，以及晉獲斷裂帶，對煤層氣的影響不大.

1.2 煤巖煤質特征

研究區含煤地層主要為上石炭統太原組和下二疊統山西組,共鉆遇6～11層煤層，其中厚度較大且全區分布穩定的可采煤層是3號煤層和15號煤層(見圖2).

3號煤層厚度為5.30～7.32 m，平均為6.41 m，結構簡單，部分含0～1層夾矸.3號煤層為黑色塊狀，半亮型，以亮煤為主，夾鏡煤、暗煤薄層，條帶狀結構，似金屬光澤，密度小，內生裂隙較發育.15號煤層厚度為1.00～5.25 m，平均為3.86 m，分叉普遍，多被分為上、下2層，局部地區被分為3層.15號煤層也為黑色塊狀，半亮型，以亮煤為主，金屬光澤，內生裂隙較發育，可見條帶狀、結核狀黃鐵礦.3號和15號煤層的顯微組分以鏡質組為主，一般占80%(體積分數)以上；其次為惰質組，體積分數為5.5%～50.0%，礦物質少見，殼質組幾乎見不到，為無煙煤.3號煤層平均含硫質量分數為0.39%，15號煤層平均含硫質量分數為2.24%；3號和15號煤層的灰分產率和揮發分質量分數平均低于20%，為中—低硫、中—低灰煤.

1.3 樣品采集與測試

采集沁水盆地南部晉城、長治、潞安等地淺部煤礦的煤樣，包括石圪節礦、王莊礦、望云礦、伯方礦、鳳凰山礦和王臺鋪礦，以及深部鉆孔中的3號煤層和15號煤層的煤樣，深部鉆孔煤樣主要來自長子西部的X005、X008、X011、X013-1、X025井、X306井(見圖1).為了對比不同深度的3號煤層和15號煤層孔隙發育特征，3號煤層采集9件樣品，埋深為240～1 500 m；15號煤層采集4件樣品，埋深為280～1 111 m.因較難獲得深部煤層氣井的煤樣，樣品數量不夠多，尤其是15號煤層.由于鉆至15號煤層的深井較少，導致樣品數量少.根據壓汞實驗和低溫氮吸附測試，分析研究區深煤層孔隙結構，所采用的實驗設備分別為Autopore IV9500壓汞儀和Quadrasorb SI比表面測定儀，測試單位為華北石油勘探開發研究院.

圖2 沁水盆地X006井煤系地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphy column of coal-bearing strata of well X006 in Qinshui basin

2 結果分析

2.1 壓汞孔隙結構特征

圖3 沁水盆地南部3號和15號煤層孔隙度與埋深的相關性Fig.3 The correlation between porosity and depth of No.3 and No.15 coal seams in southern Qinshui basin

沁水盆地南部3號煤層和15號煤層的孔隙度為1.30%～9.91%，大多數在6.00%以下，平均為4.76%.當煤層埋深小于500 m，隨埋深增加，孔隙度有降低的趨勢；當煤層埋深在500～1 000 m之間，孔隙度有一個峰值區；當煤層埋深大于1 000 m，孔隙度變小(見圖3).

壓汞實驗結果顯示，3號煤層微小孔的體積占85.38%(體積分數)，中孔的占9.08%，大孔的占3.96%；15號煤層微小孔的體積占83.36%，中孔的占10.39%，大孔的占4.78%，表明3號和15號煤層以微小孔為主.

煤儲層壓汞曲線有孔隙型和裂隙—孔隙型2種.沁水盆地3號煤層和15號煤層壓汞曲線屬于孔隙型，但孔隙結構不同，毛管壓力曲線不同.因此，又可根據毛管壓力曲線形狀，將沁水盆地南部煤樣孔隙類型分為3種類型[17].類型Ⅰ：孔隙度較高，大孔體積在所有類型中最高，中孔體積也較高，孔徑結構配置較好.類型Ⅱ：孔隙度高，孔喉直徑均值大，排驅壓力小，中孔體積較高，但大孔體積較類型Ⅰ的少.類型Ⅲ：孔隙度較低，排驅壓力較大，孔喉直徑較小，進汞飽和度低，中孔和大孔的總和低于10%，孔喉直徑均值也較低(見圖4).按3種類型劃分方法，對比不同深度的煤樣，3號煤層淺部樣品的壓汞曲線主要為類型Ⅱ，深部為類型Ⅲ.15號煤層從淺到深，壓汞曲線由類型Ⅰ變化到類型Ⅲ.可見，隨著埋深的增加，煤樣孔隙結構變差.這主要是由于隨著埋深增加，儲層壓力升高，孔隙被擠壓程度加大，孔隙結構變差.

圖4 壓汞曲線和孔喉半徑特征Fig.4 Mercury injection curve and the characteristics of the aperture

2.2 低溫氮吸附法孔隙結構特征

低溫氮吸附法適用于測試孔喉半徑在10.0 nm以下的孔隙，它能測到的最小孔喉半徑為0.6 nm，最大孔喉半徑為100.0～150.0 nm.因此，低溫氮吸附法主要研究吸附孔.

實驗得出3號煤層的BET比表面積為0.121～1.379 m2/g，平均為0.722 m2/g；BJH總孔體積為9.01×10-4～0.63×10-2mL/g，平均為30.34×10-4mL/g；BJH比表面積為0.707～2.723 m2/g，平均為1.764 m2/g；BJH孔喉直徑為7.93～23.18 nm，平均為15.05 nm.

3號煤層比表面積見圖5.由圖5可知，隨著埋深的增大，當埋深小于1 000 m，3號煤層煤樣的比表面積減小；當埋深大于1 000 m，比表面積先增大后減小；當埋深在1 000～1 100 m之間，比表面積出現高值.這是由于3號煤層小孔的比表面積貢獻率先增大后減小，最大值在1 000～1 100 m之間(見圖6).可見，隨著埋深的增加，小孔總比表面積的變化決定整個煤樣的總比表面積的變化.

圖5 3號煤層比表面積Fig.5 BET of No.3 coal seam

圖6 3號煤層各孔徑段比表面積百分比Fig.6 The percentage of BET of different aperture in No.3 coal seam

15號煤層比表面積見圖7.由圖7可知，隨著埋深的增大，15號煤層煤樣的比表面積減小,其變化趨勢與3號煤層的不同，原因是缺少埋深在1 000～1 100 m之間的樣品.15號煤層的微孔、小孔比表面積百分比也呈現同樣的規律(見圖8).

圖7 15號煤層比表面積Fig.7 BET of No.15 coal seam

圖8 15號煤層各孔徑段比表面積百分比Fig.8 The percentage of BET of different aperture in No.15 coal

3號煤層的比孔容積隨埋深呈現減小—增大—減小的變化趨勢，與小孔貢獻率先減小后增大再減小的變化趨勢一致(見圖9).15號煤層比孔容積隨埋深的增加逐漸減小(見圖10)，原因是樣品深度范圍與3號煤層的不同.15號煤層總孔體積隨埋深減小,微小孔的貢獻率最大，影響總孔體積.

圖9 3號煤層比孔容積Fig.9 Specific pore volume of No.3 coal seam

圖10 15號煤層比孔容積Fig.10 Specific pore volume of No.15 coal seam

不同的吸附等溫線類型代表不同的毛管形狀和孔形結構[18].陳萍、王有智、趙迪斐等根據孔形結構和吸附回線，把孔隙分成開放性透氣性孔(Ⅰ類開放型孔)、一端封閉的不透氣性孔(Ⅱ類一端封閉型孔)及細頸瓶形(Ⅲ類墨水瓶狀)孔.開放性透氣性孔主要包括四邊開放的平行板孔和兩端開口的圓筒形孔，這類孔隙能產生明顯的吸附回線；一端封閉的不透氣性孔不產生吸附回線；細頸瓶形孔，也叫墨水瓶狀孔，這類孔雖然是一端封閉的，但是能產生吸附回線，且吸附回線有一個急劇下降的拐點[19-21].封閉型孔不利于解吸和擴散，開口型孔有利于解吸和擴散.

不同埋深的3號煤層吸附等溫線見圖11.由圖11可知，王莊礦、望云礦及伯方礦3號煤層在壓力較高和較低處，吸附曲線與脫附曲線幾乎重合，表明存在Ⅱ類一端封閉型孔，中間壓力段，吸附回線明顯，表明主要是Ⅰ類開放型孔.X005、X013、X008井的3號煤層吸附回線比較小，表明主要是Ⅱ類一端封閉型孔.X011井3號煤層在壓力較高和較低處吸附、脫附曲線幾乎重合，存在部分Ⅱ類一端封閉型孔，其余壓力段吸附回線明顯，表明主要是Ⅰ類開放型孔.X025井吸附回線明顯，但脫附曲線有一個拐點，表明存在Ⅲ類墨水瓶狀孔，但還是以Ⅰ類開放性孔為主.3號煤層隨著埋深的增大，孔隙形態有所變化，當煤層埋深小于1 000 m，以Ⅰ類兩端開口型孔為主，部分為Ⅱ類一端封閉型孔；當煤層埋深為1 000～1 100 m，以Ⅱ類一端封閉型孔為主，原因是煤層埋深較大，受到上覆巖層的壓力較大，Ⅰ類兩端開口型孔被擠壓，一端封閉；當煤層埋深大于1 100 m，以Ⅱ類兩端開口型孔為主，少部分為Ⅲ類墨水瓶狀孔.

圖11 沁水盆地南部3號煤層吸附等溫線Fig.11 Adsorption isotherm of No.3 coal seam in southern Qinshui basin

不同埋深的15號煤層吸附等溫線見圖12.由圖12可知，石圪節礦、王臺鋪礦、鳳凰山礦及X005井的15號煤層吸附回線較明顯，僅在壓力較高和較低處，吸附曲線與脫附曲線幾乎重合，表明孔隙形態以Ⅰ類開放型孔為主，少量含有部分Ⅱ類一端封閉型孔，隨著埋深的增大，Ⅱ類一端封閉型孔逐漸增多.X306井和X008井吸附回線不明顯，主要是Ⅱ類一端封閉型孔.隨著埋深加大，上覆儲層壓力增大，孔隙受擠壓，15號煤層孔隙形態逐漸由Ⅰ類開放型孔轉為Ⅱ類一端封閉型孔.

圖12 沁水盆地南部15號煤層吸附等溫線Fig.12 Adsorption isotherm of No.15 coal seam in southern Qinshui basin

3 討論

孔隙結構對煤層氣的影響主要表現在2個方面:一是影響煤層氣的滲流，二是影響煤層氣吸附和富集.由于3號煤層樣品較多，且能反應各個深度段的特征，15號煤層樣品較少，因此，主要針對3號煤層分析孔隙結構隨埋深的變化特征(見表1).

表1 沁水盆地南部3號煤層孔隙結構隨埋深變化特征

由表1及圖4可知，隨著埋深增大，3號煤層的進汞飽和度、退汞效率降低，孔喉直徑均值減小，連通性變差，壓汞曲線類型以類型Ⅲ為主，孔隙結構變差.孔隙形態埋深小于1 000 m，以Ⅰ類開放型為主；埋深在1 000～1 100 m之間，以Ⅱ類一端封閉型孔為主；埋深大于1 100 m，以Ⅰ類開放型孔為主，部分為Ⅱ類一端封閉型和Ⅲ類墨水瓶狀孔.深部煤儲層孔隙結構配置有變差的趨勢，但在中間存在一個過渡帶.

煤層氣主要以吸附狀態賦存在煤的微孔和小孔的內表面，因此煤的比表面積和微小孔體積對煤層氣的吸附和儲集有一定影響，并且關于比表面積與吸附能力的關系存在一定爭議[22].主要有兩種觀點，一種認為煤的孔比表面積與吸附能力呈負相關關系，另一種認為兩者呈正相關關系[23].甲烷分子的直徑為0.38 nm，煤中孔隙，不論是微小孔還是大中孔，都是甲烷賦存的空間.在埋深1 000 m左右，所有礦區的任何煤層內實際被吸附的甲烷量還達不到朗格繆爾方程內的朗格繆爾體積，即如果壓力增大，則該煤層的孔隙還可以容納更多的甲烷.因此，煤中的吸附氣量與孔隙結構無直接關系，而取決于煤質、壓力及溫度等，即孔比表面積與煤的吸附能力并無必然關系，只代表煤層儲存氣體的空間.由表1可知，當煤層埋深小于1 000 m，氣體的儲存空間隨埋深增大而減小；當煤層埋深為1 000～1 100 m，氣體的儲層空間先增大后減小；當煤層埋深大于1 100 m，氣體的儲層空間逐漸減小.可見，在1 000～1 100 m之間煤層有一個過渡帶，與圍壓有關.

申建認為，按照地應力的指標，沁水盆地深煤層的臨界深度為750 m.埋深小于750 m，最大水平主應力大于最小水平主應力和垂直應力，主應力差較強；埋深大于750 m，主應力差弱化，滲透率受孔隙影響顯著[13].孟召平等根據側壓系數，將沁水盆地南部地層中的地應力狀態分為伸張帶、過渡帶和壓縮帶，伸張帶埋深小于650 m，壓縮帶埋深大于1 000 m，過渡帶埋深介于兩者之間[24].付曉龍根據水力壓裂數據，分析沁水盆地柿莊北區塊，埋深小于600 m，地應力以水平應力為主；埋深為600～1 100 m，垂向應力為最主要的因素；埋深超過1 100 m，重力為最主要的影響因素[25].綜合分析，地應力隨著埋深的增大逐漸變化，且中間存在過渡帶.

綜合實驗分析及表1認為，埋深小于750 m，壓汞曲線類型以Ⅱ型為主，孔隙形態以Ⅰ類開放型孔為主，孔隙結構配置較好.這主要是由于煤層埋深淺，主應力差較強，地應力處于伸張帶，孔隙受壓縮程度相對小.埋深在750～1 100 m之間，孔隙度有一個峰值區，壓汞曲線類型既有Ⅱ型也有Ⅲ型，孔隙形態以Ⅱ類一端封閉型孔為主，BET比表面積較高，氣體的儲存空間較大，地應力處于過渡帶，表明此深度段孔隙結構特征較復雜，孔隙結構也存在一個過渡帶.埋深大于1 100 m，壓汞曲線類型以Ⅲ型為主，孔隙形態主要為Ⅰ類開放型孔，但含有部分Ⅱ類一端封閉型和Ⅲ類墨水瓶狀孔，氣體儲存空間也減小，表明孔隙結構配置較差.這是由于地應力處于壓縮帶，以壓力正效應為主，孔隙排列更緊密.

在沁水盆地南部，煤層埋深在750～1 100 m之間，煤層物性存在一個過渡帶.在過渡帶應力發生轉變，孔隙結構、孔隙類型、比表面積等煤層物性也表現復雜的特征，對煤層氣的儲集、解吸和滲流有影響.

4 結論

(1)沁水盆地南部3號和15號煤層孔隙結構以微小孔為主，從淺部到深部，煤儲層微小孔稍有增多，中孔和大孔略減少.3號煤層的孔比表面積、比孔容積隨埋深先減小再增大再減小，峰值在1 000～1 100 m之間.由于受樣品深度的限制，15號煤層的孔比面積、比孔容積呈現隨埋深增大而減小的趨勢.3號和15號煤層液氮吸附曲線顯示，隨著埋深的增大，孔隙形態由以Ⅰ類開放型孔為主轉向以Ⅱ類一端封閉型孔為主，不利于氣體的滲流和擴散.

(2)在沁水盆地南部，煤層埋深在750～1 100 m之間，煤層物性存在一個過渡帶.埋深小于750 m，壓汞曲線類型以Ⅱ型為主，孔隙形態以Ⅰ類開放型孔為主，孔隙結構配置較好.埋深為750～1 100 m，孔隙結構復雜，由于受地應力影響，孔隙結構存在一個過渡帶.埋深大于1 100 m，壓汞曲線類型以Ⅲ型為主，孔隙形態主要為Ⅰ類開放型孔，但含有部分Ⅱ類一端封閉型孔和Ⅲ類墨水瓶狀孔，氣體儲存空間也減小，孔隙結構較差.

(3)地應力是影響孔隙結構的關鍵因素，隨著埋深的增大，最大主應力發生變化，地應力形成分帶，分別有伸張帶、過渡帶及壓縮帶.這種分帶性直接導致隨著埋深的增大，孔隙結構由較好變為復雜的過渡帶，最后變成較差.

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2014-12-01；編輯：陸雅玲

國家科技重大專項(2011ZX05042)

陸小霞(1986-) ，女，博士研究生，主要從事煤層氣與煤地質方面的研究.

P618.1

A

2095-4107(2015)03-0041-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.006