海拉爾盆地呼和湖凹陷低階煤孔隙分形特征研究

劉冀蓬，胡海燕，劉德勛，王 濤，劉立航，謝志濤

（1.長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，河北 廊坊 065077；4.中國石油天然氣集團有限公司 非常規(guī)油氣重點實驗室，河北 廊坊 065077）

美國是世界上煤層氣勘探開發(fā)最早、最成功的國家，其煤層氣產(chǎn)業(yè)起步于1970年。由于美國大約65%的煤層氣可采儲量都在落基山脈的粉河盆地和圣胡安盆地，所以將近80%左右的煤層氣產(chǎn)自于這2個含煤盆地。至2012年，美國的黑勇士、圣胡安、粉河、尤因塔和拉頓等10個主要含煤盆地均已進行煤層氣商業(yè)性開發(fā)[1]。近年來，我國逐步加大了中高煤階煤層氣的勘探開發(fā)力度，相應(yīng)的勘探技術(shù)也日益成熟。根據(jù)第4次全國油氣資源評價顯示，低階煤煤層氣占我國煤層氣總資源量的34.5%，資源量約為10.3×1012m3。分形幾何可以更好的描述對象的不規(guī)則性與復(fù)雜性[2-4]，前人將其應(yīng)用于孔隙結(jié)構(gòu)方面取得了較豐富的研究成果：童宏樹等（2004）以鄂爾多斯盆地煤巖樣品為例，用低溫液氮吸附法對樣品進行測試，通過對樣品的孔容及比表面積分維數(shù)進行計算，進一步明確了煤儲層對甲烷的吸附能力與孔隙分維之間的關(guān)系[5]；姚艷斌等（2006）對淮南和淮北煤田中高階煤進行研究后指出，淮南、淮北地區(qū)煤儲層孔隙類型以微小孔為主，其次為大孔，中孔不發(fā)育[6]；張曉輝等（2014）發(fā)現(xiàn)煤中孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度可以采用分形維數(shù)來進行準確描述，并且可以對孔隙結(jié)構(gòu)的變形程度進行定量表征[7]；邵龍義等（2020）以海拉爾盆地褐煤儲層為例開展研究，通過分析其吸附孔孔隙結(jié)構(gòu)，在較為準確的計算出煤樣吸附孔分形維數(shù)后，對最大鏡質(zhì)組反射率及分形維數(shù)與煤巖煤質(zhì)、比表面積、總孔體積等之間的關(guān)系進行了詳細的討論[8]。近年來，雖然利用分形理論定量表征煤儲層孔隙特征已經(jīng)取得了不少的成果，但所得出的結(jié)論是否具有普遍適用性尚有待于進一步的研究。根據(jù)前人的研究成果可知[9]，海拉爾盆地呼和湖地區(qū)低煤階煤層氣資源豐富，但目前對于該地區(qū)低階煤吸附孔孔隙結(jié)構(gòu)的研究卻很少。因此，重點對海拉爾盆地呼和湖地區(qū)低煤階煤巖樣品展開研究分析，首先利用低溫液氮吸附實驗對孔容比表面積及孔容分布情況進行測量，其次根據(jù)FHH模型對各類煤樣不同孔徑段的分形維數(shù)進行計算；重點討論了最大鏡質(zhì)體反射率及分形維數(shù)與煤質(zhì)、孔隙特征以及煤層氣開發(fā)等之間的內(nèi)在關(guān)系。

1 地質(zhì)概況

海拉爾盆地是典型的伸展-擠壓型復(fù)合盆地，主要是由中、小規(guī)模斷陷群組成。在構(gòu)造上盆地基本上表現(xiàn)出“三坳兩隆、坳隆相間”的分布格局，并進一步劃分為16個凹陷和4個凸起。海拉爾盆地呼和湖凹陷構(gòu)造及采樣位置如圖1。

圖1 海拉爾盆地呼和湖凹陷構(gòu)造及采樣位置Fig.1 Structure and sampling location of Huhehu Sag in Hailar Basin

下白堊世是主要的成煤期，伊敏組、大磨拐河組二段以及南屯組二段是盆地的主要含煤地層。就東西方向來說，西部的扎賚諾爾坳陷比東部的貝爾湖坳陷發(fā)育時間更早；南北方向來說，扎和廟-伊敏河斷裂以北斷陷要比南部斷陷的發(fā)育時間要早。在斷陷的孕育期和強烈拉張階段，北部的斷裂活動強于南部，而早期斷陷快速沉降階段以后情況發(fā)生了巨大的反轉(zhuǎn)，南部的斷裂活動開始強于北部。盆地的這種差異沉降進一步影響到了煤層的發(fā)育情況，由于西部凹陷沉降幅度大，使得泥巖較為發(fā)育；東部由于初始階段的下降幅度相對較小，但是后期的抬升幅度大，造成了該地區(qū)以煤系地層為主[10]。海拉爾盆地的含煤地層呈現(xiàn)出東部和北部較為發(fā)育，中部發(fā)育一般，西南部發(fā)育較差的特點。

2 樣品采集及實驗方法

實驗12個煤巖樣品均采自海拉爾盆地呼和湖地區(qū)（圖1），且都是來自于下白堊統(tǒng)伊敏組和大磨拐河組的煤層。在實驗過程中，煤巖鏡質(zhì)組反射率Ro測試嚴格執(zhí)行國標GB/T 6948—2008《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法》進行，測試采用儀器型號為德國蔡司的Axioskop 40偏光顯微鏡系統(tǒng)及熱臺，以及MSPUV-VIS2000顯微分光光度計。工業(yè)分析嚴格執(zhí)行國標GB/T 30732—2014《煤的工業(yè)分析方法-儀器法》，測試儀器型號為長沙開元5EMAG6700。比表面積及孔徑分布分析測試：依據(jù)國標GB/T 19587—2017《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》對研究區(qū)12個煤樣進行低溫液氮吸附實驗，測試采用儀器型為美國的Micromeritcs ASAP2020比表面積與孔徑分析儀。等溫吸附實驗測試采用澳大利亞的大樣量重量法等溫吸附儀Gravimetric Isotherm Rig 3，并嚴格執(zhí)行國標GB/T1 9560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》，實驗前對各煤巖樣品進行了平衡水處理，測試壓力都為15 MPa和測試溫度都為30°C。以上測試均在中國石油集團非常規(guī)重點實驗室完成。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 樣品基礎(chǔ)參數(shù)

海拉爾盆地呼和湖地區(qū)煤巖基本上為半暗型和暗淡型煤[11]。煤樣煤巖分析與工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 煤樣煤巖分析與工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Results of coal samples coal rock analysis and industrial analysis

從表1可知，煤樣的鏡質(zhì)組反射率Ro介于0.32%～0.52%之間，平均值為0.41%，表明該地區(qū)煤巖變質(zhì)程度較低。從測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，煤樣的鏡質(zhì)組含量普遍較高，平均為55.61%；而惰質(zhì)組含量明顯，平均為19.73%；殼質(zhì)組含量在2.0%～50.0%之間，平均20.07%，礦物質(zhì)含量很低，平均值為3.11%。呼和湖地區(qū)煤樣的工業(yè)分析測定結(jié)果顯示：該地區(qū)煤樣的水分含量介于11.08%～20.06%之間，平均值為16.86%，表明該地區(qū)煤巖水分含量較高；煤樣的灰分占比介于3.96%～27.60%之間，平均值為10.11%，表明灰分產(chǎn)率較低；煤樣的揮發(fā)分占比介于24.99%～45.76%之間，平均值為34.82%，揮發(fā)分產(chǎn)率較高。以上分析表明，海拉爾盆地呼和湖地區(qū)的煤樣具有“高水分含量、低灰分產(chǎn)率”等特點。

3.2 低溫液氮吸附實驗

孔徑分類是在微觀尺度下研究煤儲層孔隙特征時進行對比、標定的重要基礎(chǔ)。由于研究目的不盡相同，眾多專家學(xué)者從不同的角度對煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)進行了分類[11-14]。最被廣泛認可的是由國際應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）于1972提出的孔徑分類方案（微孔＜2 nm、中孔：2～50 nm、大孔＞50 nm）和蘇聯(lián)學(xué)者霍多特（1966）提出的孔徑分類方案（大孔＞103nm、中孔102～103nm、過渡孔或小孔10～＜102nm、微孔＜10 nm）。研究采用霍多特（1966）提出的煤巖孔隙劃分方法。

海拉爾盆地呼和湖地區(qū)樣品BET比表面積（SBET）基本在2.085～93.711 m2/g之間，平均達到了22.616 m2/g；BJH總孔體積（VBJH）介于0.008～0.093 m3/g，平均為0.031 8 cm3/g，平均孔直徑的范圍是4.405～18.071 nm。煤巖孔容和比表面積測試結(jié)果見表2。

由表2可知，海拉爾盆地呼和湖地區(qū)煤儲層孔隙系統(tǒng)中微孔、過渡孔發(fā)育較好，二者貢獻的孔體積之和在85.8%～98.9%之間，平均為92.9%；中孔體積所占比例較小，介于1.08%～14.2%，平均為7.1%，這與邵龍義對海拉爾盆地褐煤的研究結(jié)果（微孔、過渡孔、中孔平均占比分別為19.72%、72.62%、7.66%）基本類似，該研究區(qū)孔隙發(fā)育最好是過渡孔，其次為微孔，而孔隙發(fā)育最差為中孔。由于低溫液氮測試技術(shù)的局限，測得的孔徑范圍通常為2～300 nm，故不能完全反映所有的煤巖中孔孔隙特征。

表2 煤巖孔容和比表面積測試結(jié)果Table 2 The experimental results of pore volume distribution of coal samples

4 孔隙分形特征

4.1 分形維數(shù)的計算

孔隙分形特征是用統(tǒng)計學(xué)方法分析孔隙的非均勻性[15]。其應(yīng)用原理就是利用FHH（Frenkel-Halsey-Hill）模型方法計算出分形維數(shù)D，然后再定量表征非均質(zhì)性。應(yīng)用最為廣泛的FHH模型，其主要原理就是利用吸附相對壓力外加吸附量的數(shù)據(jù)，進而對煤的吸附孔分形維數(shù)進行合理的計算該模型具體方程如下：

式中：V為平衡壓力下所對應(yīng)的吸附氣體的體積，mL/g；Vm為單分子層吸附氣體的體積，mL/g；C為常數(shù)；A為分形維數(shù)D相關(guān)的系數(shù)；p0為氣體吸附的飽和蒸汽壓，MPa；p為平衡壓力，MPa。

利用低溫氮吸附實驗所測數(shù)據(jù)，即可對所有樣品的ln（ln（p0/p））與ln V分布的散點圖進行準確的繪制，然后根據(jù)其分布特征再進行不同數(shù)據(jù)段的擬合工作，以此制作出12個煤樣的ln V與ln（ln（p0/p））的關(guān)系圖，海拉爾盆地呼和湖地區(qū)煤巖FHH模型分形維數(shù)計算如圖2。

圖2 海拉爾盆地呼和湖地區(qū)煤巖FHH模型分形維數(shù)計算Fig.2 Calculation of fractal dimension of FHH model of coal and rock in Huhehu Sag area of Hailar Basin

根據(jù)低溫液氮的吸/脫附曲線，發(fā)現(xiàn)I類曲線相對壓力p0/p在0.5左右的時候，滯后環(huán)開始出現(xiàn)，說明這個壓力段所形成的這部分孔隙在孔徑大小及孔隙形態(tài)上已出現(xiàn)了較為明顯的差異，進而導(dǎo)致吸附行為出現(xiàn)差異。所以將相對壓力0.5作為計算不同壓力條件下分形維數(shù)值的分界點。雖然相對壓力在0.5左右時Ⅱ類曲線沒有出現(xiàn)明顯滯后環(huán)，但卻產(chǎn)生了不太明顯的拐點，并且分為2段來求分形維數(shù)比直接計算時，擬合效果更好，這也說明分為2個孔隙分形維數(shù)來表征煤的孔隙分形特征更合理[16-19]。

針對吸附過程中，吸附行為與主導(dǎo)作用力的不同，不同學(xué)者基于不同的吸附理論提出了2種不同的計算方法，且至今尚未達成共識[20]。一種觀點認為，在吸附過程早期，以范德華力作用為主，忽略毛細管作用，此時吸附被認為一種單分子層吸附行為。此時通過A計算D的表達式為：

另一種觀點認為，在吸附過程早期，以毛細管作用為主，忽略范德華力作用，此時吸附行為主要受毛細凝結(jié)作用控制，為多層吸附。此時通過A計算D的表達式為：

根據(jù)分形理論可知，多孔固體物質(zhì)分形維數(shù)在2～3之間，通過式（2）計算得到的維數(shù)值偏低，失去了實際意義。因此，選用式（3）計算，計算結(jié)果多介于2～3。海拉爾盆地呼和湖地區(qū)分形維數(shù)計算結(jié)果見表3。分形維數(shù)D1的介于2.53～2.75之間，分形維數(shù)D2介于2.54～2.66之間，反應(yīng)研究區(qū)低階煤巖樣品孔表面、微小孔的孔結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強。

表3 海拉爾盆地呼和湖地區(qū)分形維數(shù)計算結(jié)果Table 3 Fractal dimension calculation results of Huhehu

4.2 煤巖類型對煤孔隙影響

陳鵬（2001）通過對不同煤級的煤孔隙進行詳細的研究，結(jié)果表明不同孔徑段的煤孔隙在褐煤中有著較為相似的比例，但是大孔及中孔在長焰煤中的比例出現(xiàn)了很大的下降，與此相反微孔所占比例上升較為明顯；具體到中等變質(zhì)程度的煙煤來分析的話，發(fā)現(xiàn)小孔和大孔所占的比例較大，但是中孔的比例迅速下降；對無煙煤來說，占比最大的孔隙是那些微小孔[21]。趙興龍等進行研究后發(fā)現(xiàn)，隨著煤級的不斷增高，煤巖中微孔的比例也會不斷的升高[22]。

FHH模型分形維數(shù)與煤巖煤質(zhì)關(guān)系如圖3。

圖3（a）和圖3（b）反映了分形維數(shù)D1、D2與煤的煤級、煤巖組分沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，推測因為該地區(qū)的煤巖變質(zhì)程度較低，造成煤化程度接近，進而導(dǎo)致了煤巖組分差別不大，使得分形維數(shù)和這些因素間沒有存在明顯的規(guī)律，也進一步說明了呼和湖地區(qū)煤巖吸附孔結(jié)構(gòu)受煤巖成煤物質(zhì)與成煤環(huán)境影響較小。由圖3（c）可以看出，分形維數(shù)D1與該地區(qū)煤巖的水分含量不存在明顯的關(guān)系（R2=0.46），而分形維數(shù)D2與水分含量呈現(xiàn)出較明顯的線性負相關(guān)關(guān)系（R2=0.50），隨著水分含量的增加，煤中的孔隙逐漸被水分子充填，造成煤中的孔隙趨向均一化。由圖3（d）可知，分形維數(shù)D1與呼和湖地區(qū)煤巖的灰分含量呈現(xiàn)出較弱的相關(guān)（R2=0.59），而分形維數(shù)D2與水分含量呈現(xiàn)出較明顯的線性負相關(guān)關(guān)系（R2=0.69），表明分形維數(shù)D2則主要與呼和湖地區(qū)煤巖的灰分和水分含量等關(guān)系密切，它代表了煤的微小孔的孔結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)。

FHH模型分形維數(shù)與煤巖吸附孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖4。

圖4 FHH模型分形維數(shù)與煤巖吸附孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系Fig.4 Correlation of FHH model fractal dimension vs.adsorption pore structure in coal and rock

圖4（a）反映了呼和湖地區(qū)煤樣的BET比表面積和分形維數(shù)D1、D2的關(guān)系，研究表明D1與BET比表面積表現(xiàn)出對數(shù)負相關(guān)性（R2=0.79），即煤樣的比表面積越高，那么D1值就會越小；與此相反的是D2與BET比表面積顯示出明顯的正相關(guān)性（R2=0.90），即煤樣的比表面積越高，那么D2值就會越大。圖4（b）反映了呼和湖地區(qū)煤樣的平均孔直徑和分形維數(shù)D1、D2的關(guān)系，研究分析表明了D1與平均孔直徑呈現(xiàn)明顯的線性正相關(guān)性（R2=0.63），而D2卻與平均孔直徑呈顯著的負相關(guān)性（R2=0.98），具體表現(xiàn)為相關(guān)關(guān)系的擬合優(yōu)度比較高，進一步說明了D2主要與煤的孔徑結(jié)構(gòu)有關(guān)，在一定程度上代表了煤的孔隙結(jié)構(gòu)分維數(shù)。圖4（c）反映了呼和湖地區(qū)煤樣的BJH總孔體積和分形維數(shù)D1、D2的關(guān)系，研究分析表明了D1與BJH總孔體積呈現(xiàn)較為明顯的對數(shù)負相關(guān)性（R2=0.61），推測分形維數(shù)D1可能與BJH總孔體積相關(guān)，但是跟BJH總孔體積關(guān)聯(lián)性較弱；而分形維數(shù)D2與孔體積表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性（R2=0.76），推測分形維數(shù)D2可能代表了煤的孔隙結(jié)構(gòu)分維數(shù)。圖4（d）反映了呼和湖地區(qū)煤樣的微孔含量與分形維數(shù)D1、D2的關(guān)系，研究分析表明了分形維數(shù)D1與微孔含量之間的關(guān)系表現(xiàn)出比較明顯的負相關(guān)性（R2=0.72）；而分形維數(shù)D2與微孔含量則呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性（R2=0.86）。由平均孔直徑和微孔含量均與D2呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，表明D2代表了煤的孔隙結(jié)構(gòu)分維數(shù)。

通過等溫吸附實驗測試對海拉爾盆地呼和湖地區(qū)煤樣進行分析后發(fā)現(xiàn)，平衡水處理后煤巖的蘭氏體積變化介于3.75～8.84 m3/t之間，平均6.13 m3/t。研究分析表明，該地區(qū)煤層具有較強的儲氣能力，在其他條件配置良好的情況下，煤層大概率會儲存大量的煤層吸附氣。平衡水處理后煤巖的蘭氏壓力值較大，其變化范圍介于3.09～7.41 MPa之間，平均值為5.80 MPa。分形維數(shù)與煤巖甲烷吸附朗格繆爾參數(shù)關(guān)系如圖5。圖5（a）反映了呼和湖地區(qū)煤巖的蘭氏體積與分形維數(shù)D1、D2之間的關(guān)系為多項式函數(shù)關(guān)系，蘭氏體積和D1呈現(xiàn)較為明顯的相關(guān)性（R2=0.66），而與D2之間的相關(guān)性則顯得較弱（R2=0.56），這點表明在吸附性能方面，D1的影響力比D2的要大。圖5（b）則反映出呼和湖地區(qū)煤巖蘭氏壓力與D1、D2不存在較為明顯的相關(guān)關(guān)系。

圖5 分形維數(shù)與煤巖甲烷吸附朗格繆爾參數(shù)關(guān)系Fig.5 Fractal dimension vs.CH 4 adsorption Langmuir parameters in coal and rock

5 結(jié)論

1）海拉爾盆地呼和湖地區(qū)的煤樣鏡質(zhì)組反射率介于0.32%～0.52%，屬于褐煤。顯微組分以鏡質(zhì)組為主，同時具有“高水分含量、低灰分產(chǎn)率”等特點。根據(jù)低溫氮吸附實驗測得的不同孔徑段內(nèi)的孔隙具有明顯的分形特征，BET比表面積介于2.085～93.711 m2/g，BJH總孔體積介于0.008～0.093 cm3/g，平均孔直徑的范圍是4.405～18.071 nm，微孔、過渡孔、中孔平均占比分別為26.46%、66.46%、7.08%。

2）以低溫液氮吸附測試中相對壓力0～0.5和0.5～1.0吸附特征各異得到分維數(shù)D1和D2，其中D1表征煤吸附孔表面粗糙程度，而D2表征吸附孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。呼和湖地區(qū)的煤樣的分形維數(shù)D1和D2與鏡質(zhì)組反射率、顯微組分中的鏡質(zhì)組沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，而分形維數(shù)D2則主要與呼和湖地區(qū)煤巖的灰分和水分含量等關(guān)系密切。

3）呼和湖地區(qū)煤巖的分形維數(shù)D2越大，則煤樣的BJH總孔體積越大，微孔含量越高，平均孔直徑越小，表明分形維數(shù)D2能代表吸附孔結(jié)構(gòu)。

4）研究表明分維數(shù)D1和D2都可以反映低階煤的吸附性能，呼和湖地區(qū)煤巖的蘭氏體積與D1呈現(xiàn)比較明顯的相關(guān)性，而與D2相關(guān)性較弱，故D1對吸附性能作用較大，而D2則影響不大。