二連盆地群低煤階煤儲層孔隙發育特征研究

劉建華，王生維，粟冬梅

（1.山西工程技術學院，山西 陽泉045000；2.中國地質大學 資源學院，湖北 武漢430074；

3.北京中公教育科技有限公司，四川 成都610000）

相較于煤層氣開發比較成熟的沁水盆地煤儲層 煤變質程度高、吸附量大、煤層壓力低、煤層滲透率低和煤層氣飽和度低的特點，二連盆地煤儲層物性特征更類似于美國粉河盆地煤儲層，具有煤變質程度低（多為褐煤）、吸附量較小、煤層滲透率較大、含氣飽和度高的特點[1-2]。現階段，對于低煤階煤儲層孔隙結構的研究主要針對地區有沁水盆地、陜北、鄂東、準東等。羅磊（2015）等結合煤巖學測試、核磁共振和低溫氮吸附試驗，探明了準東地區低階煤的儲層孔隙系統特征[3]。王鏡惠（2019），基于火柴棍模型，推導了鄂東區新的中、低煤巖孔隙結構分形特征[4]。黃婷（2019）等，采用掃描電鏡電子成像技術和低溫液氮吸附試驗分析方法，研究探討了沁水盆地煤儲層孔隙結構特征及其影響因素[5]。楊甫（2020）等利用壓汞、液氮吸附和CO2吸附等測試手段表征陜北地區低階煤儲層的孔徑分布、孔隙類型等參數，聯合核磁共振測試定量分析低階煤階段孔徑和多尺度孔徑分布特征[6]。而對于以二連盆地群為代表的低煤階煤儲層孔隙研究缺乏。二連盆地群各煤層普遍發育，主要分布在白堊系下統的巴彥花組中，以低煤階褐煤為主，煤層的氣測異常普遍存在，煤層氣資源豐富，是我國低煤階煤層氣勘探的有利選區[7-10]。位于二連盆地群最東端的霍林河盆地和白音華盆地是二連及海拉爾地區煤層氣勘探前景最好的地區之一。二連盆地群中各盆地地質條件類似，研究霍林河盆地和白音華盆地煤儲層孔隙結構特征對于二連盆地群低煤階煤儲層煤層氣勘探開發也具有重要意義。基于此，以二連盆地群霍林河盆地和白音華盆地低煤階煤儲層為研究對象，通過精細分析研究區煤儲層孔隙發育特征和對煤層氣吸附解吸的影響，以期為后續煤層氣工程開發提供參考。現階段國內外煤孔隙的孔徑結構分類方案較多，研究采用Χoдoт 十進制分類系統，即孔徑大于1 000 nm 的為大孔，100～1 000 nm 為中孔，10～<100 nm 為小孔，小于10 nm 為微孔[5]。

1 煤儲層特征及樣品采集說明

霍林河盆地下含煤段為該盆地的主要含煤層段，共含煤23 層，經內蒙古472 地質隊劃分組合為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4 個煤組。研究主要涉及Ⅲ煤組和Ⅳ煤組。白音華盆地含煤地層為白堊系下統白音華組（對應巴彥花組）的第3 段（K1b3）。研究主要涉及3煤組3-1 煤層。

現場調研主要觀測了霍林河盆地Ⅳ煤組儲層（北露天一號礦坑）、Ⅲ煤組ⅢA 煤儲層（扎哈淖爾礦坑）及白音華盆地3 煤組3-1 煤儲層（白音華二號礦坑），共采集28 煤樣（包括5 個構造附近煤樣）。北露天一號礦坑共采集Ⅳ煤組儲層8 個煤樣（包括1個礦化煤樣），以字母“BL”開頭編號（BL01～BL08）；扎哈淖爾礦坑共采ⅢA 煤儲層煤樣11 個（包含5 個構造附近煤樣），以字母“ZH”開頭編號（ZH01～ZH11）；白音華二號礦坑共采3-1 煤儲層煤樣9 個，以字母“BYH”開頭編號（BYH01～BYH09）。

1.1 霍林河盆地煤儲層物性特征

北露天礦區主要觀測到霍林河下含煤段Ⅳ組煤，煤巖多為褐黑色，瀝青光澤或暗淡光澤，斷口可見貝殼狀及階梯狀斷口，多為參差狀斷口，透鏡狀、條帶狀結構，層狀構造。煤巖類型以木質煤與碎屑煤為主，礦化煤呈透鏡狀局部分布，未見絲炭煤。

煤境質組最大反射率Romax為0.277%～0.325%，平均0.301%，煤巖等級分類為褐煤。顯微組分鏡質組75.85%～91.01%，平均85.92%；惰性組0.74%～18.16%，平均5.84%；殼質組0～0.76%，平均0.22%。為低灰分產率、中等揮發分、高全水分煤，霍林河盆地Ⅳ組煤巖樣品基礎數據見表1。

表1 霍林河盆地Ⅳ組煤巖樣品基礎數據Table 1 Basic data of coal rock samples of group IV in Huolinhe Basin

扎哈淖爾礦區主要觀測到ⅢA 煤層，煤巖多為褐黑色，絲絹光澤或暗淡光澤，斷口可見貝殼狀及階梯狀斷口，多為參差狀斷口，透鏡狀、條帶狀結構，層狀-均一狀構造，煤巖類型以碎屑煤和絲炭煤為主，含少量木質煤。煤境質組最大反射率Romax為0.303%～0.398%，平均0.351%，煤巖等級分類為褐煤。顯微組分鏡質組41.01%～98.88%，平均72.17%；惰性組0.75%～57.06%，平均22.62%；殼質組0～0.77%，平均0.19%，為低灰分產率、中等揮發分、高全水分煤。霍林河盆地ⅢA 煤層煤巖樣品基礎數據見表2。

表2 霍林河盆地ⅢA 煤層煤巖樣品基礎數據Table 2 Basic data of coal rock samples of ⅢA coal seam in Huolinhe Basin

1.2 白音華盆地煤儲層物性特征

白音華二號礦坑觀測點可見3-1 煤層上部，煤巖多為褐黑色，暗淡的瀝青光澤或暗淡光澤，斷口可見貝殼狀及階梯狀斷口，多為參差狀斷口，透鏡狀、條帶狀結構，層狀構造，煤巖類型以碎屑煤和木質煤為主，少量絲炭煤。煤境質組最大反射率Romax為0.263%～0.284%，平均0.274%，煤巖等級分類為褐煤。顯微組分鏡質組85.88%～96.78%，平均90.83%；惰性組1.72%～7.45%，平均3.89%；殼質組0 ～0.19%，平均0.05%。為低中灰分產率、中高揮發分、高全水分煤，白音華盆地3-1 煤層煤巖樣品基礎數據見表3。

表3 白音華盆地3-1 煤層煤巖樣品基礎數據Table 3 Basic data of coal rock samples of 3-1 coal seam in Baiyinhua Basin

2 煤儲層孔隙發育特征

2.1 壓汞曲線

根據實驗結果，研究區壓汞曲線可劃分為A、B、C 3 種類型，研究區壓汞曲線類型圖如圖1。

圖1 研究區壓汞曲線類型圖Fig.1 Type chart of mercury injection curves in the study area

1）A 類以研究區BYH01、BYH06、BL08、ZH08樣品壓汞曲線為代表。A 類壓汞曲線特點為：開始時在低壓下進汞緩慢，壓力10～1 000 psia 之間（1 psia=0.006 895 MPa），進汞量隨壓力的增大增加更為緩慢。壓力達到1 000 psia 后，進汞量與壓力呈線正向線性關系迅速增多，進汞飽和度平均在60%左右。退汞曲線明顯分離于進汞曲線，退汞效率平均達到35%左右。A 類曲線類型反映的孔隙特點是：小微孔尤其發育，大孔次之，中孔較不發育，孔隙間的連通性一般，對煤層氣的儲集較為有利。

2）B 類 以 研 究 區BYH03、BYH09、ZH01、ZH07樣品壓汞曲線為代表。B 類壓汞曲線特點為：開始時在低壓下進汞緩慢，壓力1～1 000 psia 之間，進汞量隨壓力的增大增加更為緩慢。壓力達到1 000 psia后，進汞量與壓力呈線正向線性關系迅速增多，但進汞速率比A 類略低，進汞飽和度平均在65%左右。退汞曲線明顯分離于進汞曲線，退汞效率平均達到30%左右。B 類曲線類型反映的孔隙特點是：小微孔及大孔較發育，孔隙喉道較集中，孔隙連通性較好，對煤層氣的儲集和解吸滲流均較為有利。

3）C 類以研究區BL01、BL03、ZH03 樣品壓汞曲線為代表。C 類壓汞曲線特點為：壓力1～100 psia之間，進汞量隨壓力的增而緩慢增加。壓力達到100 psia 后，進汞量與壓力呈線正向線性關系迅速增多，進汞飽和度平均在58%左右。退汞曲線明顯分離于進汞曲線，退汞效率平均達到25%左右。C 類曲線類型反映的孔隙特點是：小微孔、中孔及大孔均發育，細喉道分布較多，孔隙多以細頸瓶孔為主，孔隙連通性較差，不利于煤層氣的儲集和解吸。

霍林河盆地煤儲層樣品壓汞曲線類型A、B、C 3類均有發育，總體上看，Ⅳ組煤C 類壓汞曲線類型較多見，表明霍林河盆地Ⅳ組煤儲層中孔及大孔較發育，小微孔較不發育，細喉道分布較多，孔隙連通性較差，不利于煤層氣的儲集。ⅢA 煤B 類壓汞曲線類型較多見，表明ⅢA 組煤儲層小微孔及大孔較發育且大孔半徑較大，中孔較不發育，孔隙喉道較集中，孔隙連通性相對Ⅳ組煤較好，有利于煤層氣的儲集和解吸滲流。

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白音華盆地3-1 煤儲層樣品壓汞曲線類型A、B 2 類均有發育，總體上小微孔及大孔較發育，中孔較不發育，孔隙間的連通性較好，對煤層氣的儲集和產出較為有利。

2.2 孔徑分布特征

2.2.1 霍林河盆地孔徑分布特征

霍林河盆地Ⅳ煤組儲層孔隙發育特征表現為小微孔、中孔、大孔均勻發育：其中小微孔最為發育，占總孔隙百分比為25.04%～69.54%，平均占比40.95%；其次為大孔，占總孔隙百分比為18.24%～38.43%，平均占比31.13%；中孔占總孔隙百分比最低，為12.22%～38.24%，平均占比27.92%，三者占比相差不大。霍林河盆地Ⅳ煤組和ⅢA 煤儲層孔隙類型分布圖如圖2。不同孔徑段孔隙對孔容的貢獻不同，Ⅳ組煤儲層孔隙中孔徑10～100 nm 的小孔和孔徑100～1 000 nm 的中孔對孔容貢獻最大，且二者相差不大，其次孔容主要由孔徑大于1 000 nm 的大孔提供。BL01 孔徑-孔容分布圖如圖3。

圖2 霍林河盆地Ⅳ煤組儲層和ⅢA 煤儲層孔隙類型分布圖Fig.2 Pore type distribution of coal seam Ⅳand ⅢA in Huolinhe Basin

圖3 BL01 孔徑-孔容分布圖Fig.3 BL01 pore size - pore volume distribution

ⅢA 煤儲層孔隙發育特征表現為小微孔、大孔發育，中孔較不發育。ⅢA 煤儲層孔隙發育除了ZH03 小微孔異常不發育外，其他樣品孔隙發育分布特征都具有微小孔最為發育且占比約60%，大孔較為發育且占比約30%左右，中孔較不發育且占比在10%左右的特征，結合野外采樣情況，推測是由于ZH03 號樣品取自斷層附近的受構造影響較大的煤儲層，結構破碎，微裂隙較發育。ⅢA 煤儲層孔隙小微孔最為發育，占總孔隙百分比為14.91%～59.83%，平均占比46.36%；其次為大孔，占總孔隙百分比為30.51%～38.44%，平均為33.46%；中孔占總孔隙百分比最低，為8.89%～46.65%，平均占比20.19%。ZH07 孔徑-孔容分布圖如圖4，ⅢA 煤儲層孔隙中孔徑小于100 nm 的小微孔對孔容貢獻最大，其次孔容主要由孔徑大1 000 nm 的大孔提供，孔徑100～1 000 nm 的中孔對孔容貢獻最小。

圖4 ZH07 孔徑-孔容分布圖Fig.4 ZH07 pore size - pore volume distribution

2.2.2 白音華盆地孔徑分布特征

白音華盆地3-1 煤儲層孔隙發育特征表現為小微孔、大孔發育，中孔較不發育，白音華盆地3-1 煤儲層孔隙類型分布圖如圖5。

其中小微孔最為發育，占總孔隙百分比為44.79%～69.64%，平均占比58.21%；其次為大孔，占總孔隙百分比為20.83%～35.67%，平均為26.78%；中孔占總孔隙百分比最低，為7.75～22.45%，平均占比15.02%。3-1 煤儲層孔隙中孔徑小于100 nm 的小微孔對孔容貢獻最大，其次孔容主要由孔徑大于1 000 nm 的大孔提供，孔徑100～1 000 nm 的中孔對

圖5 白音華盆地3-1 煤儲層孔隙類型分布圖Fig. 5 Pore type distribution in Baiyinhua Basin of 3-1 coal reservoir

圖6 BYH01 孔徑-孔容分布圖Fig. 6 BYH01 pore size - pore volume distribution

2.3 孔隙結構類型

基于孔隙孔徑分布比例及孔徑對煤層氣儲集和滲流的作用，把煤儲層孔隙結構分為4 種類型：

1）滲流型Ⅰ。大中孔比例大于50%，煤儲層中大中孔為滲流孔，大中孔比例較大有利于煤儲層運移和產出。

2）吸附型Ⅱ。微小孔比例大于50%，微孔是煤儲層中的主要煤層氣儲集場所，小孔又稱過渡孔，是煤層氣解吸和擴散的主要區域，小微孔發育有利于煤儲層中煤層氣的儲集和煤層氣開發過程中煤層氣的解吸。

3）開放型O。進汞飽和度高，退汞效率較高，各類孔隙均衡發育，孔隙間連通性較好，有利于煤儲層運移和產出。

4）封閉型C。進汞飽和度較低，退汞效率較低，中孔、小孔比例較小，孔隙間連通性較差，不利于煤儲層運移和產出。

經過基于上述標準的統計，將研究區孔隙結構類型劃分為ⅡC 封閉吸附型、ⅡO 開放吸附型、ⅠC封閉滲流型、ⅠO 開放滲流型4 類。

2.3.1 霍林河盆地孔隙結構類型

霍林河盆地煤儲層孔隙結構類型主要為ⅡO 開放吸附型和ⅠC 封閉滲流型。Ⅳ組煤孔隙結構類型ⅠC 封閉滲流型較多見，表明霍林河盆地Ⅳ組煤儲層中孔及大孔較發育，小微孔較不發育，細喉道分布較多，連通性差，不利于煤層氣的儲集。ⅢA 煤孔隙結構類型多為ⅡO 開放吸附型，表明ⅢA 組煤儲層小微孔較發育，孔隙喉道較集中，孔隙連通性較好，有利于煤層氣的儲集和產出，霍林河盆地Ⅳ煤組儲層和ⅢA 煤儲層孔隙結構類型見表4。

表4 霍林河盆地Ⅳ煤組儲層和ⅢA 煤儲層孔隙結構類型Table 4 Pore structure types of coal seam Ⅳand ⅢA in Huolinhe Basin

2.3.2 白音華盆地孔隙結構類型

白音華盆地3-1 煤儲層孔隙結構類型主要為ⅡC 封閉吸附型和ⅠO 開放滲流型，總體上小微孔及大孔較發育，中孔較不發育，孔隙間的連通性一般。其中ⅡC 封閉吸附型有利于煤層氣的儲集，不利于煤層氣的開發。ⅠO 開放滲流型不利于煤層氣的儲集，但有利于煤層氣的開發，白音華盆地3-1 煤儲層孔隙結構類型見表5。

表5 白音華盆地3-1 煤儲層孔隙結構類型Table 5 Pore structure type of 3-1 coal reservoir in Baiyinhua Basin

3 結 論

1）霍林河盆地Ⅳ煤組儲層中小微孔、中孔、大孔發育較均勻；小孔和中孔對孔容貢獻最大；孔隙結構類型主要為封閉滲流型。ⅢA 煤儲層中小微孔、大孔發育，中孔較不發育；小微孔對孔容貢獻最大，其次為大孔；孔隙結構類型多為開放吸附型。

2）白音華盆地3-1 煤儲層中小微孔、大孔發育，中孔較不發育；小微孔對孔容貢獻最大；孔隙結構類型主要為封閉吸附型和開放滲流型。

3）綜合來看二連盆地群低煤階煤儲層孔隙系統發育良好，孔隙度較大，孔隙度Ⅳ煤組<ⅢA 煤< 3-1煤；孔隙結構以小微孔、大孔為主，孔徑小于100 nm的小微孔和孔徑大于1 000 nm 的大孔對孔容貢獻最大。基于孔隙孔徑分布比例及孔徑對煤層氣儲集和滲流的作用，把研究區孔隙結構類型劃分為ⅡC封閉吸附型、ⅡO 開放吸附型、ⅠC 封閉滲流型、ⅠO開放滲流型4 類，其中ⅡO 開放吸附型最有利于煤層氣的富集和產出。將霍林河盆地Ⅳ煤組、ⅢA 煤儲層和白音華盆地3-1 煤儲層相比較，ⅢA 煤孔隙結構最有利于煤層氣儲集和開發。