沁北陽泉區塊煤儲層孔隙分布對吸附特征的影響

薛園園， 邵長奎， 劉辰琛， 張 偉， 任志揚， 鄭嬌嬌

1.中國地質大學長城學院， 河北 保定 071000； 2.中國地質工程集團有限公司， 河北 保定 071000

0 引 言

煤層氣不同于常規的天然氣， 它主要以吸附態、水溶態和游離態三種狀態儲存在煤儲層中。 在儲層原位狀態下， 絕大部分氣體被吸附在煤基質顆粒的表面之上［1］。 而煤的孔隙結構特征、 分布規律等儲層特征影響吸附解吸特征， 進而關系到煤層氣的含量。 在總結并歸納以往的研究成果的基礎上， 結合掃描電鏡實驗、 壓汞實驗及等溫吸附實驗， 探討了沁水盆地北部陽泉含氣區塊上石炭統太原組15＃煤儲層的顯微組分、孔隙分布規律及其對煤儲層吸附能力的影響［2］。 這是地質評價的主要內容之一， 也是煤層氣勘探開發工作之重要組成部分， 對于指導、 優化煤儲層開發等具有十分重要的意義［3］。

1 樣品采集與測試

實驗研究所用樣品采自沁水盆地北部陽泉含氣區塊上石炭統太原組15＃煤儲層， 采集樣品充分考慮了采樣點分布的多樣性及均勻性。 為確保各項實驗的準確性， 樣品采集后進行了密封保存。

1.1 掃描電鏡實驗

作為煤層氣主要的儲集空間及運移流通通道， 煤儲層中的孔隙、 裂隙的發育程度、 分布規律等物性特征不僅直接關系到煤層氣的含量， 也對后期煤層氣排采效果產生影響。 通過掃描電鏡可以更加直觀地觀察到煤體中的微觀孔隙和裂隙， 進一步了解煤體的形態、 大小和發育程度的特征， 從而為更加深入地研究煤層氣的賦存規律提供依據［4］。 見圖1。

1.2 壓汞實驗

壓汞實驗法是分析煤孔隙的常用方法之一。 孔隙在毛細管中的非濕潤性特征， 是壓汞實驗測定介質孔尺寸的基本原理。 受汞的表面張力的影響， 接觸角＞90°的小孔， 液體不能自發地進入。 這種阻力可通過施加壓力予以克服， 施加壓力大小與孔徑的大小密切相關， 兩者之間的關系符合Washurn 方程：

式中， p 為施加的壓力； r 為半徑； σ 為汞的表面張力； θ 為接觸角。

式（1） 表明， 孔隙的孔徑與壓力成反比例關系，即：

若取汞的表面張力為480 達因／f， 接觸角取141.3°， 可得

在常壓下， 即p ＝l bar （kgf／c） 時， 汞可進入半徑為75 000 以上的孔隙［5］。

通過上述公式， 可以得到不同汞壓下煤的孔半徑r， 亦能得出煤孔隙中各孔半徑所占比例。 由壓汞實驗中汞的變化侵入量以及煤樣品的孔徑可得出煤樣的比表面積， 進而對煤儲層進行孔隙分析。

本次壓汞實驗采用美國Micpomeritics 公司生產的AutoPore IV 9500 V1.09 型壓汞儀。 儀器壓力范圍0.69～4.37 Mpa， 孔徑測量范圍3～360 μm， 進汞體積測試精度可達0.1 μL［6］。 汞表面張力為485×10-5N／m， 汞與測試樣品表面的接觸角為130°。

1.3 等溫吸附實驗

在等溫吸附實驗儀上測定了煤層氣的吸附常數，用壓力法測定了等溫吸附實驗（表1）。 實驗采用中國礦業大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室的由荷蘭Ankersmid 生產的ISOSORP-GASSC 高壓磁懸浮重量法等溫吸附實驗儀， 對煤樣進行破碎加工后，選用60～80 目礦篩， 篩選出粒度為0.2 ～0.25 mm 的煤樣。 經真空干燥后， 將樣品置于30°恒溫的吸附缸中進行真空脫氣。 為了使吸附氣缸內的壓力達到平衡， 將一定體積的甲烷氣體注入氣缸內， 部分氣體被吸附， 一部分氣體仍以游離狀態處于死體積之內， 已知所注入的甲烷氣體體積， 減去死空間內游離氣的體積， 即可得到吸附氣的體積。

表1 研究區樣品實驗數據統計表Table 1 Statistical table of sample experimental data in research area

在本次等溫吸附實驗中， 分別在0.5 MPa、 1.5 MPa、 3 MPa、 4 MPa、 5 MPa、 6 MPa、 7 MPa、 8 MPa八個壓力點對各個樣品進行測定［7］。 重復上述實驗測定， 即得到各壓力段所對應的吸附氣量xi與平衡壓力pi， 從而得出朗格繆爾等溫吸附曲線， 將 （pi， xi）按式（4） 進行最小二乘法回歸， 可計算出煤層氣的吸附常數a 和b。

式中， p-吸附平衡狀態下煤層氣的壓力， MPa；V-壓力p 下的吸附氣量， ml／g； a-朗格繆爾體積， 反應煤儲層的最大吸附潛力， ml／g； b ＝1／PL（PL為朗格繆爾壓力， 為解吸速度常數與吸附速度常數之比），反應煤的內表面的吸附能力， MPa-1［8］。

2 實驗結果分析

2.1 掃描電鏡分析

掃描電鏡結果顯示（圖1）， 15＃煤主要由各種類型的鏡質組組成， 見有粒狀及片狀之惰質組、 殼質組， 偶見有少量礦物質微粒。 孔隙較為發育， 鏡質組組分中最常見的孔隙為氣孔， 多以橢圓形、 圓形呈現， 氣孔內未見填充物。 孔隙大多以條帶狀分布且孔徑相差較大， 孔隙連通性良好， 十分有利于煤層氣的輸導［9］。

研究區15＃煤中不僅存在有眾多的孔隙， 裂隙也十分發育。 而煤層氣最重要的滲流通道就是發育于煤儲層中的裂隙系統， 它是煤化作用以及后期改造過程中，受到構造應力的作用后， 煤體發生破裂而形成的。

15＃煤儲層中裂隙發育大小多樣， 多數貫穿于煤儲層內或整個煤層， 少部分僅于鏡質體的條帶中分布。 研究區總體位于一單斜構造上， 其走向為北西向， 傾向為南西向。 研究區內褶皺群及局部陡傾撓曲較發育， 其構造線主體以北東向、 北北東向為主， 并于局部發生復合變異。 相對復雜的構造， 形成了本區15＃煤儲層復雜且不規則的裂隙網絡。

2.2 壓汞實驗分析

由壓汞試驗結果可知（表1、 圖2）， 15＃煤煤樣的排驅壓力平均高達98 MPa， 最高驅替壓力達413 MPa， 最小孔隙半徑為3 mm。 孔隙度介于4.07 ～7.83%， 平均為5.43%， 孔隙度相對較高， 表明研究區15＃煤儲層的孔隙十分發育， 且孔容較大， 為煤層氣提供了充足的富集儲存空間［10］。

實驗結果顯示（表1、 圖2）， 15＃煤孔隙較發育且分布十分廣泛， 自大孔至微孔均有分布， 其中， 過渡孔所占比例最大， 孔容比均值為50.66%， 微孔孔容比亦達19.84%。 由此可知， 15＃煤中孔隙類型多為以渡孔， 過渡孔和微孔總孔容比近70%， 它們使得煤的表面積增大， 這為煤層氣賦存儲集提供了空間， 增強了煤儲層的吸附能力， 有利于煤層氣的賦存［11］。 此外，大孔和中孔的孔容比分別達17.38%、 12.11%， 發育程度也較理想， 此類型孔隙結構發育及分布特征既有利于煤層氣的儲集且利于其在儲層內的滲流［6］。

圖2 壓汞實驗曲線圖Fig.2 Curve of mercury injection test

2.3 吸附特征分析

分析等溫吸附實驗數據可知， 在朗格繆爾體積a值中， Y14 最小為29.41 cm3／g； Y1 最大為38.76 cm3／g， 主要集中于33 ～35 cm3／g 之間， 平均值為33.85 cm3／g， 標準差為2.33， a 值越大反應煤層氣含量越高， 表明同一煤儲層不同位置煤層氣吸附能力存在著一定差異； 朗格繆爾壓力PL中， Y11 最小， 為0.55 MPa， 而Y18 最大， 達0.79 MPa， 平均值為0.66 MPa， 標準差為0.061， 分散度較低， b 值越大，表明朗格繆爾壓力PL越小（如圖3）。 本次等溫吸附實驗中， 朗格繆爾壓力PL＜1， 說明15＃煤儲層中， 煤層氣解吸速度小于其吸附速度。 綜上可知， 15＃煤儲層對煤層氣具有較強的吸附能力［12］。

圖3 樣品Y1-Y10 等溫吸附曲線Fig.3 Isothermal adsorption curve of sample Y1-Y10

3 結 論

通過對采集的沁水盆地東北部陽泉區塊15＃煤儲層樣品進行儲層物性特征研究， 取得了以下認識：

（1） 通過掃描電鏡實驗發現， 15＃儲層孔隙較為發育， 鏡質組組分中最常見的孔隙為氣孔， 多以橢圓形、圓形呈現， 氣孔內未見填充物。 孔隙大多以條帶狀分布且孔徑相差較大， 孔隙連通性良好； 15＃煤儲層中裂發育有復雜且不規則的裂隙網絡， 多數貫穿于煤儲層內或整個煤層。 這些均有利于煤層氣的賦存、 運移。

（2） 壓汞實驗顯示， 15＃煤儲層孔隙較為發育，且以過渡孔、 微孔為主， 它們使得煤的表面積增大，這為煤層氣賦存儲集提供了空間， 增強了煤儲層的吸附能力， 有利于煤層氣的賦存。 此外， 煤儲層大孔、中孔發育也較理想， 既有利于煤層氣的賦存又利于其在煤儲層中的滲流。

（3） 等溫吸附實驗結果顯示， 15＃煤煤層氣的吸附量介于33 ～35 cm3／g 之間， 朗格繆爾壓力PL＜1，說明15＃煤儲層中， 煤層氣解吸速度小于其吸附速度。綜上可知， 15＃煤儲層對煤層氣具有較強的吸附能力。