煤巖顯微組成對煤儲層吸附能力的影響分析

張飛燕 程 偉 季 璐 熊 斌 周國文

(中石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院,江蘇 210011)

煤儲層對煤層氣的容納能力遠遠超過自身基質孔隙和裂隙體積,所以與天然氣常規(guī)儲層相比,煤儲層的特點是煤層氣以溶解態(tài)、游離態(tài)和吸附態(tài)三種形式儲集在煤儲層中,其中以吸附態(tài)為主;吸附性起源于煤的有機固體格架。因此,煤的巖石學組成與煤儲層物理學特性密切相關,兩者綜合作用,對煤層氣的賦存特征以及開采地質條件產(chǎn)生顯著影響。煤的吸附性能決定了煤的儲集能力,同時由于煤層氣的產(chǎn)出是一個降壓解吸的過程,煤的吸附性能對煤層氣的開采也起至關重要的作用。而煤對CH4的吸附能力,除受煤的物質組成、變質程度等自身特性的影響外,還受許多外部因素如煤的水分、溫度、顆粒大小等的影響。

研究實驗樣品采自鄂爾多斯盆地延川南地區(qū)、沁水盆地和順地區(qū)以及南方織金地區(qū)。本文將應用這些實驗樣品所得實驗結果,結合煤巖的其他實驗數(shù)據(jù),從煤巖顯微組分對煤儲層吸附能力的影響展開分析。

1 煤階對吸附能力的影響

通過實驗,筆者認為中石化三大主要研究區(qū)塊內(nèi)鏡質組反射率在2%～4.2%的范圍內(nèi)煤對甲烷的吸附能力是隨著煤化程度的加深而增加的,只是在鏡質組反射率超過4.2%時,蘭氏體積隨著煤化程度的加深而下降。

1.1 實驗條件

對所采煤樣進行了一系列室內(nèi)分析,包括等溫吸附實驗、鏡質體反射率測定及顯微組分定量統(tǒng)計等。實驗的條件包括：

(1)利用IS0-200型等溫吸附儀對各煤樣進行等溫吸附實驗。吸附實驗條件為：最大平衡吸附壓力不高于20MPa;實驗溫度29～35℃;吸附氣體為濃度99.999%的CH4,先對各煤樣進行水分平衡。

(2)使用顯微光度計—MPV-SP按SY/T5124-1995標準對各煤樣進行分析。檢測條件是：油浸50倍物鏡,測得隨機反射率Ro(%);油浸32倍物鏡,0.5mm×0.5mm的點距、行距,測點數(shù)達500有效點,統(tǒng)計煤巖顯微組分;檢測室溫度：23℃±2℃。

1.2 實驗結果

實驗結果見表1。

表1 各煤樣吸附實驗結果及顯微組分統(tǒng)計表

續(xù)表

1.3 煤階對吸附能力的影響

煤的變質程度直接影響著煤的結構和化學組成,并嚴重制約著煤的吸附能力。由圖1可知,中石化三大主要研究區(qū)塊內(nèi)鏡質組反射率在2%～4.2%的范圍內(nèi)煤對甲烷的吸附能力是隨著煤化程度的加深而增加的,只是在鏡質組反射率超過4.2%時蘭氏體積隨著煤化程度的加深而下降 (此處數(shù)據(jù)量有限只存在一個趨勢),這與張新民等的研究發(fā)現(xiàn)具有相似性。即鏡質體反射率在1.2%～4.0%的范圍內(nèi),煤的吸附量隨煤化程度增加而增加。因為鏡質組反射率大于4.2%的煤樣數(shù)據(jù)只有2個,所以下面在分析煤巖顯微組分對吸附能力的影響時,對于實驗所得以上數(shù)據(jù)可以進行統(tǒng)一分析。

2 煤巖顯微組分組成與煤儲層吸附性

一般來講,對甲烷吸附能力最強的是鏡質組,其次為惰質組,殼質組最低;對于不同煤階的煤來說,鏡質組含量多的鏡煤要比惰質組或穩(wěn)定組含量相對較多的暗煤的吸附能力強。剔除水分及灰分對其吸附性所產(chǎn)生的影響,利用干燥無灰基的蘭氏體積對顯微組分與煤儲層吸附性進行分析。

煤儲層吸附性能與煤巖顯微組分組成之間雖然離散性較大,但仍顯現(xiàn)出確定的分布趨勢。鏡質組含量與蘭氏體積之間總體正相關,但這種關系并非是連續(xù)漸變的,而是極限吸附量在鏡質組臨界含量處發(fā)生量上的顯著變異 (圖2)。

圖2 煤的蘭氏體積 (干燥無灰基)與鏡質組含量的關系圖

圖3 煤的蘭氏體積 (干燥無灰基)與惰質組含量的關系圖

在Ro＞2%的煤儲層中,鏡質組臨界含量約在70%左右。低于這一臨界值,無論鏡質組含量高低如何,極限吸附量均小于40m3/t,離散性相對較小。反之,極限吸附量突然躍升,離散性突然增大,最大值可達43.35m3/t。鏡質組臨界含量之后最大極限吸附量隨鏡質組含量增高而變大的趨勢漸趨明顯。通過對極限吸附量與顯微組分含量之間關系的分析,可以對煤儲層的儲集能力進行初步預測。從圖中可以明顯看出當鏡質組含量降低時,蘭氏體積普遍大于30m3/t,這充分顯示在三個研究區(qū)中,含氣飽和度不是太低的情況下,鏡質組含量的高低不影響煤層氣的開采價值。

在Ro＞2.0%的階段,惰質組含量增高,極限吸附量呈現(xiàn)為降低的變化趨勢。當惰質組含量大于30%時,煤樣的蘭氏體積仍大于30m3/t,表現(xiàn)為較高的吸附能力 (圖3)。這部分煤樣變質程度較高,最大鏡質組反射率在2.5%～4%之間,煤中的微裂隙較多,比表面積較大,煤的吸附能力大。和順地區(qū)的煤樣中以寬度小于5μm且長度大于300μm而小于1mm的時斷時續(xù)的裂隙和長度小于等于300μm的短裂隙為主 (備注：在熒光顯微鏡下觀察能清晰地辨認各類型裂隙。在50倍的熒光顯微鏡下將30mm×30mm的煤巖光片劃分成10mm×10mm的9個微區(qū),分別將每個微區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的裂隙按4個類型進行統(tǒng)計而得);南方地區(qū)暗煤內(nèi)生裂隙發(fā)育且無充填物。另外,煤樣惰質組主要是以絲質體和半絲質體為主,絲質體和半絲質體中多保存了植物組織孔隙,這些孔隙在不被礦物質充填的情況下,有利于甲烷的吸附。

另外,殼質組含量增高,極限吸附量總體上降低,但離散性極大,這與腐植煤中殼質組含量一般較低的狀況有關。

3 結論

(1)中石化三大主要研究區(qū)塊內(nèi)鏡質組反射率在2%～4.2%的范圍內(nèi)煤對甲烷的吸附能力是隨著煤化程度的加深而增加的。

(2)在三個研究區(qū)Ro＞2%的煤儲層中,蘭氏體積普遍大于30m3/t,在含氣飽和度不是太低的情況下,鏡質組含量的高低不影響煤層氣的開采價值。

(3)惰質組中不同顯微組分極限吸附量存在差異會影響煤樣整體對甲烷的吸附能力。煤中大量微裂隙、微孔和微溶孔的存在可能是惰質組含量超過30%的煤樣蘭氏體積的主要原因。

[1] 秦勇,付學海,葉建平等.中國煤儲層巖石物理學因素控氣特征及機理 [J].中國礦業(yè)大學學報,1999,28(1)：14-19.

[2] Yee D,Seidle J P,Hanson WB.Gas sorption on coal and measurement of gas content. Hydrocarbons from coal.AAPG,Tusa,Oklahoma,1993,203-218.

[3] 鐘玲文,張新民.煤的吸附能力與其煤化程度和煤巖組成的關系 [J].煤田地質與勘探,1990,18(4)：29-35.