大寧-吉縣區塊深層煤巖多尺度孔縫結構特征

楊秀春,宋柏榮,陳國輝,何 睿,趙浩陽,楊 瀟

(1.中國石油煤層氣有限責任公司，北京 100028；2.中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100095；3.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010；4.北京潤澤創新科技有限公司，北京 100120)

0 引 言

中國深層煤層氣資源豐富，是煤系氣勘探的新領域，鄂爾多斯盆地臨興地區、新疆五彩灣地區試采取得了工業氣流，大寧-吉縣區塊開展先導試驗并獲得高產，這表明深層煤層氣勘探開發具有巨大的潛力。深層煤巖孔隙識別、全方位定量表征是認識深層煤優質儲層分布的關鍵，同時也是研究煤層氣賦存和滲流機理的關鍵因素。目前，國內外研究煤層孔縫結構的實驗方法很多，常見方法有壓汞、低溫液氮吸附[1-2]、掃描電鏡[3-5]、X射線計算機層析掃描[6-9]及核磁共振[9]等。壓汞實驗的高壓條件會對煤孔隙造成人為破環；低溫液氮吸附實驗只能測得較小的孔徑(主要為納米孔)分布范圍[2]；掃描電鏡實驗獲得的圖像視域小且代表性有限，無法實現全面的定量計算；X射線計算機層析掃描，也僅停留在某一單一尺度；核磁共振實驗僅能獲得孔縫結構二維信息。上述方法均存在單一性和片面性的問題。因此，首次提出利用多尺度數字巖心拼接技術實現煤巖全孔徑孔隙結構特征的定量描述，先通過全直徑CT掃描實現毫米和微米孔縫識別與計算，再利用微米、亞微米級CT掃描及納米級電鏡掃描完成微米孔縫及納米孔的識別和定量計算，最后利用多尺度數字巖心掃描技術，完成煤巖全孔徑孔隙結構表征。該技術具備無損化、三維表征的獨特優勢，極大程度保留了儲層孔縫原始特征。該文以鄂爾多斯盆地大寧-吉縣區塊深層8號煤層為研究對象，應用多尺度數字巖心拼接技術，完成煤儲層孔縫結構多尺度定量分析及可視化表征，確定優勢儲層段，并與氣測錄井相結合，實現了煤層氣壓裂選層，以期為該地區煤勘探提供了技術支撐。

1 實驗樣品

煤樣選自鄂爾多斯盆地大寧-吉縣區塊太原組8號煤層，厚度為4.0～12.0 m，平均厚度為7.8 m；宏觀煤巖類型為亮煤、鏡煤，顯微組分以鏡質組為主，平均含量為65%，最高可達95%；其次為惰質組，平均含量為20%左右，具有低水分、灰分、揮發分特點。煤巖演化程度較高，Ro為2.19%～3.02%，含氣量為22～33 m3/t，孔隙度為2.35%～6.11%，滲透率大部分小于0.05 mD。選取6口典型井(H12、H13、H14、H15、D54、D20)，樣點埋藏深度為2 000～2 500 m。對8號煤層進行全直徑CT掃描實驗，在此基礎上，鉆取10顆煤巖柱塞樣品用于微米CT掃描、納米FIB掃描電鏡、場發射掃描電鏡等實驗。

2 實驗方法

煤巖儲層是具備孔隙和割理雙重系統的復雜介質，為更加準確地對煤巖儲層進行定量研究[10]，開展了多種尺度組合的掃描分析。

2.1 CT掃描實驗

X射線CT掃描的全稱是X射線計算機層析成像技術。其原理為X射線以360 °全角度掃描巖心時，基于樣品內部物質對X射線的吸收系數不同，即樣品礦物組成的密度不同，在探測器上形成灰度值不同的投影圖像，利用專業軟件對圖像進行三維重構處理，從而建立全直徑巖心的三維數字模型，并得到相關的定量數據。

2.2 聚焦離子束掃描電鏡實驗

聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)，是用離子束對樣品拋光面進行轟擊，產生二次離子以及二次電子來成像，可以獲取納米級分辨率的三維結構特征[11]。按照切割小塊樣品、打磨光滑面、氬離子拋光儀進行拋光、噴鍍導電層的步驟制成氬離子拋光樣品，將制樣放置在樣品臺上進行觀測。選取感興趣區域進行切割，每切割一次形成一張切片圖像，連續切割幾百次后，得到一系列SEM圖像，從而形成三維結構模型。

3 煤巖數字巖心孔縫結構多尺度表征

3.1 煤巖多尺度孔-縫類型

通過全直徑CT掃描實驗、微米CT掃描實驗、FIB-SEM掃描電鏡實驗以及煤巖光片分析等技術手段，得到全直徑CT掃描宏觀毫米裂縫-割理發育圖，煤巖顯微光片、微米CT微米孔縫發育圖和煤巖掃描電鏡納米孔發育圖(圖1～3)。由圖1～3可知，深層煤巖具有多尺度孔縫發育特征，發育宏觀尺度毫米級外生裂縫、內生割理、微米尺度孔縫以及納米孔隙。研究表明[12-17]：宏觀毫米級的高角度裂縫和割理發育為氣體大規模運聚提供了優勢的滲流通道，是煤層氣開發生產的主要滲流通道；微米級孔縫組合為小規模的氣體擴散及滲流提供條件，主要發育有微裂縫及礦物溶蝕孔隙；納米級孔隙主要提供氣體的賦存空間，主要發育氣孔和組織孔。

圖1 全直徑CT掃描宏觀毫米裂縫-割理發育圖Fig.1 The macroscopic millimeter fracture-cleat development by full-diameter CT scanning

圖2 煤巖顯微光片、微米CT微米孔縫發育圖Fig.2 The micro pore-fracture development of coal rock by microscopic light film and micro-CT

3.2 煤巖全直徑CT掃描孔縫發育特征

巖心孔縫評價是現場試油試采、壓裂選層的重要參考因素，對煤巖段毫米級孔縫結構的定量表征，可為現場壓裂及選層提供有利指導[18-19]。煤巖儲層具有復雜的多尺度孔縫結構特征，姚軍朋等[20-21]運用測井曲線組合特征來判斷煤巖宏觀孔縫結構特征，但由于受縱向分辨率的限制，毫米級的裂縫和割理在測井曲線上無法有效識別，此次運用全直徑CT掃描技術，分辨率可達到146 μm，能夠有效解決這一問題。

以D20井為例，D20井2 280.37～2 280.82 m段煤巖，長度為0.45 m。對選取的直徑為8 cm的煤巖樣品進行全直徑CT掃描，利用PerGeos專業軟件完成巖心毫米級三維表征(圖4a—c)，并建立孔縫模型(圖4d)，再提取裂縫模型(圖4e)，后計算孔縫參數。巖心密度越大，掃描灰度圖像上越接近白色。煤巖在掃描圖像上顯示為黑褐色，碳酸鹽和黃鐵礦等高密度礦物顯示為白色、亮白色。由圖4可知：煤巖樣品發育毫米級高角度縫、水平縫、內生割理及溶孔。經計算，裂縫孔隙度為1.55%，裂縫密度為22.5條/m，裂縫平均開度為1.1 mm；發育4條高角度縫，傾角為65.5～78.0 °，延伸長度最大為96 mm；煤巖內部割理發育，呈網狀分布，部分被黃鐵礦及碳酸鹽礦物充填；橫截面上可見毫米級溶孔，最大孔徑為2.2 mm。

圖3 煤巖掃描電鏡納米孔發育圖Fig.3 The nano-pore development of coal rock by scanning electron microscope

3.3 煤巖微、納米多尺度孔縫發育特征

對選取的煤巖樣品進行微米級CT掃描和納米級FIB-SEM掃描電鏡實驗，掃描分辨率分別為1 μm和10 nm，并利用專業的數字巖心分析軟件PerGeos完成煤巖微、納米級孔縫結構的三維表征(圖5)。骨架模型中黑色部分為微孔和微裂縫，灰色及白色為巖石骨架；孔隙模型直觀展示了巖石中孔-縫的三維空間展布；孔喉分布球棍模型中球狀部分為孔隙，棍狀部分為喉道，煤巖中的微裂縫往往以大量喉道網狀分布的形式存在，為基質微孔間的連通提供通道。根據煤巖微、納米數字巖心橫型，分別對煤巖微米和納米孔喉空間進行定量計算，微米孔喉樣品孔隙度為3.68%～7.11%，平均孔隙半徑為2.99～4.15 μm，平均喉道半徑為1.16～1.80 μm，平均配位數為0.038 1～0.462 2個(表1)；納米孔喉的孔隙、喉道半徑主要分布在10～100 nm(表2)，煤巖納米孔是氣體主要的吸附空間，納米孔體積小但數量多，為煤層氣的吸附提供了大量的表面積。微裂縫孔隙度為0.11%～0.30%，裂縫貢獻率(微裂縫體積占孔-縫總體積的比例)為2.65%～6.80%，裂縫平均開度為3.75～4.84 μm(表3)。微裂縫對孤立微孔的連通起到至關重要的作用，微裂縫的形態、條數、開度和連續性是評價其有效性的關鍵因素。

圖4 D20井煤巖毫米數字巖心模型圖Fig.4 The millimeter digital core model of coal rock in Well D20

圖5 2號煤巖微、納米數字巖心模型圖Fig.5 The micro and nano digital core model of No.2 coal rock

表1 煤巖微米孔隙結構定量參數Table 1 The quantitative parameters of micro-pore structure of coal rock

表2 煤巖納米孔隙結構定量參數Table 2 The quantitative parameters of nano-pore structure of coal rock

表3 微裂縫發育定量參數Table 3 The quantitative parameters of micro-fracture development

煤巖儲層孔隙發育具有復雜的多尺度特征，研究煤巖孔隙發育的多尺度分布特征對探究煤層氣儲層滲透性及高產控制因素具有重要意義。將3塊煤巖(7、9、10號)不同尺度的孔隙數據進行拼接，獲得多尺度的孔隙分布數據，采用霍多特(1996)十進制分類方法進行孔隙類型的劃分(表4)：微孔(小于10 nm)、小孔(10～102 nm)、中孔(102～103 nm)、大孔(大于103 nm)。分析得出，微孔和小孔在數量上具有較高的占比，小孔占比可達68.24%，同時這部分孔隙也為吸附氣提供了絕大部分的表面積，平均表面積占比為63.68%。大孔包括了微米孔和微米縫，其數量占比低，但貢獻了大部分的孔隙體積，微米孔-縫的發育為煤層氣的解吸、擴散及滲流提供了通道。

表4 煤巖多尺度孔隙聯合定量表征數據Table 4 The joint quantitative characterization data of multi-scale pores in coal rock

4 結 論

(1) 應用多尺度數字巖心掃描技術，獲得了多尺度的巖心孔-縫發育圖像，分析認為煤巖儲層孔-縫系統發育具有復雜的多尺度特征，納米尺度發育有較多氣孔和組織孔；微米尺度發育有礦物溶孔、組織孔及微裂縫；毫米尺度發育高角度外生裂縫及內生割理組合。

(2) 通過全直徑CT掃描實驗對D20井煤巖段巖心進行毫米級三維表征，建立孔-縫模型，計算孔-縫參數得到裂縫孔隙度為1.55%，裂縫密度為22.5條/m，裂縫平均開度為1.1 mm，發育4條高角度縫，傾角為65.5～78.0 °，延伸長度最大為96 mm。

(3) 通過微米級CT掃描和FIB-SEM納米掃描實驗，得出微米孔隙平均半徑為2.99 ～4.15 μm，微米喉道平均半徑為1.16～1.80 μm；微裂縫平均開度為3.75～4.84 μm；納米孔隙平均半徑為51.21～80.65 nm，納米喉道平均半徑為19.44～32.06 nm。

(4) 通過微、納米孔隙數據拼接，得出微孔和小孔在數量上具有較高的占比，其中，小孔數量占比最高，平均表面積占比為63.68%，為吸附氣提供了絕大部分的表面積；大孔數量占比低，但貢獻了大部分的孔隙體積，微米孔-縫的發育為煤層氣的解吸、擴散及滲流提供了通道。