鄂爾多斯盆地東緣煤儲層物性及煤階的影響

陳 躍 湯達禎 許 浩 陶 樹 李 松 吳 圣

(中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083)

鄂爾多斯盆地東緣煤儲層物性及煤階的影響

陳 躍 湯達禎 許 浩 陶 樹 李 松 吳 圣

(中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083)

本文以研究區山西組煤層為例，利用壓汞和低溫液氮吸附等實驗技術，詳細剖析了煤儲層孔裂隙特征，在此基礎之上，深入探討了煤階對儲層物性的影響。研究表明，鄂爾多斯盆地東緣山西組煤中孔隙以微小孔為主，有利于煤層氣的吸附儲集，其次發育大孔，中孔最不發育，而煤中吸附孔隙主要以微孔和小孔為主，不同地區孔徑分布差異較大；研究區煤層孔隙度較低，為2.7%～7.9%之間，隨著煤階增高，孔隙度呈現“減小～增大～減小”的波狀變化；隨著煤階增高，吸附孔隙孔徑增大，相應的BET比表面、BJH總孔體積減小，隨著煤化作用進一步增強，微孔增多，兩者出現一定上升趨勢。

鄂爾多斯盆地 煤儲層 孔隙 煤階

1 區域地質概況

鄂爾多斯盆地東緣煤層氣田沿黃河呈南北向分布，南北長約560km，東西寬50～200km，煤層氣地質資源量約9×1012m3，是我國繼沁水盆地之后第二個實現大規模煤層氣產業化開發的煤層氣田，目前已實施煤層氣井近3000余口。鄂爾多斯盆地東緣總體為一向西緩傾的大型單斜構造，由北向南依次為伊盟隆起、晉西撓褶帶和渭北隆起，其上發育輕微褶皺，斷層發育規模較小，具備大型煤層氣田形成條件(姜波等，2012)。區內相對較大的斷層有五條，自北往南依次為離石斷層、三交北斷層、午城-窯渠斷層、薛峰斷層和前高斷層。構造走向以南北向、北東-南西向為主，構造變形強度總體上東部邊緣強于西部，南部強于北部，斷層和褶皺構造主要分布在東部邊緣地區，往西向盆地內部構造變形減弱。區內煤層氣勘探開發的主力煤層為山西組4+5號煤層和太原組8+9號煤層，埋深300～2600m，煤厚0.5～30m，Ro為0.44%～2.6%，滲透率0.01～20mD，4+5號煤層頂底板主要為泥巖、砂質泥巖以少數的砂巖，8+9號煤層頂板為灰巖和泥巖，底板多為泥巖，圍巖封閉性較好。

2 壓汞孔隙特征

鄂爾多斯盆地東緣山西組煤樣壓汞實驗測試結果表明，孔隙度為2.7%～7.9%之間，平均4.8%，孔隙度總體偏低。最大進汞飽和度偏低，為15.55%～54.44%之間，多為35%以下，僅準格爾地區為50%以上；分選系數為0.07～3.30μm之間，孔隙喉道非均質性較強；退汞效率為35.59%～68.10%，退汞效率低，孔隙連通性總體較差。由于最大進汞飽和度多數都未達到50%，故其中值半徑和中值壓力難以獲取(表1)。

表1 鄂爾多斯盆地東緣山西組煤樣壓汞測試數據

根據煤樣的壓汞實驗數據可以計算煤中孔隙的孔徑分布，由于煤中微孔的含量比較高，而汞只能侵入孔徑為3nm以上的孔隙，而煤中存在很大部分微孔(<10nm)，所以壓汞實驗數據只能用來表征煤中大、中、小孔隙及部分微孔隙。計算結果表明，研究區煤中孔隙以微小孔為主，其比例占絕對優勢，為64.82%～91.50%，一般在80%以上，能夠為煤層氣提供大量吸附儲集空間，利于煤層氣的賦存(見表1及圖1)。煤中具有滲流能力的孔隙主要是大孔和中孔，其發育狀況將在很大程度上決定了煤層的滲透性，實驗結果表明，研究區大中孔隙總體發育不好，所占比例較低，大部分低于15%，從而限制了煤層滲透能力，不利于煤層氣開發，這與鄂爾多斯盆地東緣煤層滲透率總體偏低相符。僅就大、中孔隙而言，大孔相對較發育，比例為5.35%～22.69%，北部的準格爾、臨興地區煤層大孔較其他地區發育，普遍在10%以上，而中南部地區(韓城、柳林、鄉寧等)大孔較不發育。研究區山西組煤層中孔發育不好，其比例為6.42%～11.46%，除北部準格爾地區兩個樣品中孔含量達10%以上，其他樣品中孔含量都在10%以下，多在5%上下浮動。

圖1 鄂爾多斯盆地東緣山西組煤孔徑分布

3 吸附孔隙特征

前人研究成果及上文對研究區煤中孔徑分布的研究都表明，煤中大部分孔隙空間被微小孔占據，這是煤儲層與常規天然氣儲層的差異之處。鑒于壓汞實驗未能很好的表征煤中的微小孔隙，尤其是微孔，所以低溫液氮吸附方法近年來被廣泛的應用于煤儲層中吸附孔隙表征。本文對鄂爾多斯盆地東緣不同地區的煤樣進行低溫液氮吸附實驗，結果如表2所示。山西組煤層BET比表面變化較大，為0.2265～11.2186m2/g之間，北部準格爾、河曲地區較高，一般高于5m2/g，中南部地區較小，一般低于1m2/g。BJH總孔體積為0.88×10-3～21.27×10-3mL/g，與BET比表面的變化規律類似，呈現北高南低的特點，北部準格爾、河曲地區較高，一般高于10×10-3mL/g，柳林以南地區普遍在5×10-3mL/g以下。平均孔徑為3.78～53.46nm之間，北部較小，多為10nm以下，中南部地區較大，普遍在20nm以上。

表2 鄂爾多斯盆地東緣山西組煤層吸附孔隙特征

通過煤樣低溫液氮實驗數據可以計算吸附孔隙的孔徑分布，并將其劃分為微孔(<10nm)、小孔(10～100nm)和中孔(>100nm)，通過對研究區煤巖樣品的計算結果統計，多數樣品顯示，微孔和小孔為煤中主要的吸附孔隙，中孔比例較小，但中部的部分地區樣品微孔體積較小，中孔有所增加(圖2)。煤中微孔比例為2.64%～90.27%，呈現北部和南部高、中部低的變化趨勢；除個別樣品外(ZGE-1)小孔比例變化較小，主要分布在50%～60%之間；中孔比例為3.81%～37.31%，其變化趨勢與微孔相反，呈現中部高、南北部低的趨勢。

圖2 鄂爾多斯盆地東緣山西組煤層吸附孔隙孔徑分布

4 煤階對儲層物性的影響

4.1 煤階對孔隙度的影響

圖3 煤巖孔隙度與鏡質體反射率Ro的關系

孔隙度受煤化作用程度的影響較為明顯，隨鏡質組反射率增高呈現“減小～增大～減小”的波狀起伏變化(圖3)。低煤階樣品孔隙度較大，隨著煤化作用程度的增高，孔隙度迅速減小，當Ro為0.8%左右時，孔隙度達到最低，當鏡質組反射率進一步增大時，孔隙度出現一定程度反彈，直至Ro大于1.3%后，孔隙度再次出現降低趨勢。煤的孔隙度隨鏡質組反射率的波狀變化說明了煤化作用對孔隙影響較為復雜。當Ro介于0.5%～0.8%之間時，煤化作用中發生瀝青化作用和第一次躍變，加之物理壓實作用增強，導致煤巖孔隙度迅速減小。Ro大于0.8%以后，隨著煤變質作用的進行，生烴作用導致氣孔逐漸增加，使煤巖孔隙度出現一定程度增大，當Ro大于1.3%以后，隨著煤化作用第二次躍變和脫水作用的完成，煤巖孔隙度再次下降。

4.2 煤階對孔隙連通性的影響

壓汞實驗中最大進汞飽和度、退汞效率是表征孔隙連通性的重要參數，前者表示實驗最大壓力條件下汞能進入的孔隙占所有孔隙的比例，后者表示連通孔隙的體積比例。鄂爾多斯盆地東緣山西組煤樣最大進汞飽和度整體偏低，普遍低于50%，隨煤階增大呈現先減小后微弱增大的變化趨勢，而退汞效率則呈現與之相反的變化趨勢，即先增大后緩慢減小，在最大進汞飽和度降低到最小值時退汞效率則達到最大值(見圖4和圖5)。前已述及，Ro介于0.5%～0.8%之間時，隨著煤化作用程度增高，煤中的大、中孔隙減少，孔隙度降低，而汞難以進入的微小孔比例增加，導致最大進汞飽和度降低，此時退汞效率的增加并不是煤的孔隙滲透性變好，而是由于最大進汞飽和度降低，導致退汞效率相對增加。Ro大于0.8%以后，隨著煤化作用程度進一步增加，最大進汞飽和度微弱增加而退汞效率則緩慢下降，推測是由于生烴后形成氣孔以及內生裂隙逐漸增加，但其連通性并不是很好。

圖4 煤樣最大進汞飽和度與鏡質體反射率Ro的關系

圖5 煤樣退汞效率與鏡質體反射率Ro的關系

4.3 煤階對吸附孔隙的影響

通過對鄂爾多斯盆地東緣煤樣各吸附參數與鏡質體反射率Ro之間的相關性分析發現，隨著煤化作用程度的增高，BET比表面逐漸減小，直至Ro大于1.4%以后，BET比表面出現微弱反彈趨勢(圖6a)。隨煤階的增高BJH總孔體積和吸附量的變化趨勢與BET比表面變化趨勢相似(圖6b，圖6c)，即隨著隨煤階的增高，BJH總孔體積和吸附量都迅速減小，直至后期出現微弱反彈，而平均孔徑呈現與BET比表面相反的變化趨勢(圖6d)。由于本次研究的煤樣鏡質體反射率Ro均小于1.9%，未能完整反映這一反彈趨勢，但是國內已有諸多研究表明高煤階微小孔隙十分發育，故此推斷隨著煤階的進一步增高，這一反彈趨勢將更加明顯。隨煤階增高，吸附孔隙的平均孔徑先增大后減小，呈現與BET比表面相反的變化趨勢。筆者推測主要有兩方面原因：其一，對于中低煤階而言，在煤化作用初期，煤階增高，隨著物理壓實作用和脫水作用的增強，煤中孔隙急劇減少，煤巖變得更加致密，但隨著煤化作用持續進行，有機質生烴而產生大量氣孔，在一定程度上增加了煤巖的可吸附空間；其二，同等吸附孔體積的情況下，煤的吸附能力取決于孔徑分布與孔隙表面結構的復雜性，孔徑越小，表面越復雜，比表面越大，吸附能力越強。

圖6 煤樣各吸附孔隙參數與煤階的關系

國內外很多學者將分形理論引入到煤儲層孔隙結構的研究之中，根據煤的低溫氮吸附實驗中相對壓力和吸附量的數據計算煤的吸附孔的分形維數，并根據分形維數探討吸附孔隙結構特征。FHH模型目前被廣泛地應用于計算煤的吸附孔隙分形維數。由于多數實驗樣品的吸/脫附曲線均在相對壓力為0.5左右產生滯后環，這也反映了在這個壓力前后所測試的孔隙在大小和形態上存在較大差異，同時造成了在此壓力前后存在不同的吸附行為，以相對壓力P/P0=0.5為分界點，分別計算分形維數D1(P/P0<0.5)和D2(P/P0>0.5)，前者表示孔隙表面的粗糙復雜程度，后者表示孔隙結構的復雜程度。鄂爾多斯盆地東緣山西組煤層吸附孔隙D1值為2.51～3.0，D2值為2.36～2.79，隨著煤階增高，D1逐漸增大，表明吸附孔隙表面由光滑變粗糙，D2則呈減小趨勢，表明在煤變質作用過程中，吸附孔隙空間結構由復雜逐漸趨于均一(圖7)。

5 結論

(1)壓汞實驗表明，鄂爾多斯盆地東緣山西組煤中孔隙以微小孔為主，有利于煤層氣的吸附儲集，其次發育大孔，中孔最不發育。低溫液氮實驗表明，煤中吸附孔隙主要以微孔和小孔為主，不同地區孔徑分布差異較大。

圖7 煤的吸附孔隙分形維數與煤階的關系

(2)鄂爾多斯盆地東緣山西組煤樣孔隙度較低，為2.7%～7.9%之間，隨著煤階增高，孔隙度呈現“減小～增大～減小”的波狀變化，轉折點為Ro=0.8%和Ro=1.3%左右，推測是由于煤化作用的第一次和第二次躍變所致。

(3)對于中低煤階煤儲層，隨著煤階增高，吸附孔隙孔徑增大，相應的BET比表面、BJH總孔體積減小，隨著煤化作用進一步增強，微孔增多，兩者出現一定上升趨勢。

[1] Ayers Jr,W.B.2002.Coalbed gas systems, resources, and production and a review of contrasting cases from the San Juan and Powder River basins[J], AAPG bulletin, 86(11), 1853-1890.

[2] Chen, Y., Tang, D., Xu, H., Li, Y., Meng, Y. 2015. Structural controls on coalbed methane accumulation and high production models in the eastern margin of Ordos Basin, China[J], Journal of Natural Gas Science and Engineering, 23, 524-537.

[3] Gan, H., Nandi, S.P., Walker Jr., P.L. 1972. Nature of the porosity in American coals[J], Fuel 51, 272-277.

[4] Li, Y., Tang, D., Fang, Y., Xu, H., Meng, Y. 2014. Distribution of stable carbon isotope in coalbed methane from the east margin of Ordos Basin[J], Science China Earth Sciences, 57(8), 1741-1748.

[5] 姜波, 許進鵬, 朱奎, 汪吉林, 王繼堯, 屈爭輝, 李明. 2012. 鄂爾多斯盆地東緣構造-水文地質控氣特征[J], 高校地質學報, 18(3), 438-446.

[6] 接銘訓. 2010. 鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探開發前景[J], 天然氣工業, 30(6), 1-6.

[7] 李松, 湯達禎, 許浩, 楊紫. 2012. 貴州省織金納雍地區煤儲層物性特征研究[J], 中國礦業大學學報, 41(6), 951-958.

[7] 劉愛華, 傅雪海, 梁文慶, 路露, 羅培培. 2013. 不同煤階煤孔隙分布特征及其對煤層氣開發的影響[J], 煤炭科學技術, 41(4), 104-108.

[8] 喬軍偉. 2009. 低階煤孔隙特征與解吸規律研究[D], 西安:西安科技大學:20-39.

[9] 桑樹勛, 朱炎銘, 張時音. 2005. 煤吸附氣體的同氣作用機理(I)—煤孔隙結構與固氣作用[J], 天然氣工業, 25(1), 13-15.

[10] 唐書恒, 蔡超, 朱寶存, 段利江, 張佳贊. 2008. 煤變質程度對煤儲層物性的控制作用[J],天然氣工業, 28 (12) , 30-33.

[11] 王慶偉, 王勤旺. 2012. 不同煤階煤層氣運移通道的差異性研究[J], 中國煤炭地質, 24(4), 24-26.[12] 楊高峰. 2013. 不同煤階煤儲層物性特征研究[D], 淮南:安徽理工大學:23-52.

[13] 張松航, 湯達禎, 唐書恒, 許浩, 林文姬, 張彪. 2008. 鄂爾多斯盆地東緣煤儲層微孔隙結構特征及其影響因素 [J], 地質學報, 82 (10), 1341-1349.[14] 張松航, 唐書恒, 湯達禎, 顏志豐, 張彪, 張佳贊. 2009. 鄂爾多斯盆地東緣煤儲層滲流孔隙分形特征[J], 中國礦業大學學報, 38(5), 713-718.

(責任編輯 韓甲業)

Physical Properties of the Coal Reservoir and Effects of Coal Rank in Eastern Edge of Ordos Basin

CHEN Yue, TANG Dazhen, XU Hao, TAO Shu, LI Song, WU Sheng

(School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083)

In this paper, the physical properties of the coal reservoir are analyzed in details according to the experimental results of mercury intrusion and low temperature liquid nitrogen adsorption. For further research, the effects of coal rank on physical properties are discussed. The results show that the coal porosity is relatively low, ranging from 2.7% to 7.9%, and shows a wavy variation with coal rank increase. Moreover, the average pore diameter increases at first with coal rank increasing, however, the BET surface area and BJH total pore volume decrease. While the coal rank increases further, the variation trends of average pore diameter, BET surface area and BJH total pore volume reverse.

Ordos Basin; coal reservoir; pore; coal rank

國土資源部公益性行業科研專項(201311015-01)；中央高校基本科研業務費資助項目(35732015068)

陳躍，男,博士研究生，主要從事煤與煤層氣地質研究。