沁東北15號(hào)煤顯微組分對(duì)微裂隙的控制作用

鄭蓮慧，高 倩，曹 超，尹 帥，王倩倩，劉 嫣

(1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都610059;2.遼河油田特種油開(kāi)發(fā)公司，遼寧 盤錦124010;3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治046000)

0 引言

煤層作為儲(chǔ)層，微裂隙真實(shí)存在，卻難于表征，微裂隙能否有效溝通成為煤層氣開(kāi)采過(guò)程至關(guān)重要的問(wèn)題，而要解決這個(gè)問(wèn)題首先要考慮“煤層顯微組分與微裂隙之間到底呈現(xiàn)怎樣一種關(guān)系”.毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)于以有機(jī)質(zhì)為主的煤層，顯微組分對(duì)微裂隙具有一定控制作用，但前人對(duì)這種控制作用的研究歷來(lái)看法不一.［1-2］本文通過(guò)對(duì)該區(qū)15#煤儲(chǔ)層顯微組分與微裂隙之間關(guān)系的探索后，希望獲得一些有價(jià)值的認(rèn)識(shí)，從而為該區(qū)煤層氣高效開(kāi)發(fā)提供一些參考.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

沁水盆地位于陜西省東南部，四周被呂梁隆起、中條山隆起、太行山隆起和五臺(tái)山隆起環(huán)繞，現(xiàn)今面貌為近南北向大型復(fù)式向斜，南北長(zhǎng)約330km，東西寬約120km，總面積超過(guò)3×104km2，是目前國(guó)內(nèi)最具煤層氣開(kāi)發(fā)潛力的盆地.

本文研究區(qū)位于沁東北，地層自寒武、奧陶系碳酸鹽巖基底，向上依次為石炭系本溪組、太原組;二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組;三疊系、第四系等碎屑巖及松散物.［3］區(qū)內(nèi)主要煤層為15#煤(太原組)、3#煤(山西組)等，本文主要研究15#煤，煤層厚度約5m，埋深約400～600m，太原組厚度約120m，上覆山西組厚度約70m.

2 煤巖煤質(zhì)特征

本區(qū) 15#煤 Ro范圍主要在 1.8～2.5 之間，煤類為貧煤.宏觀煤巖類型以光亮型、半光亮型為主，夾少量半暗、暗淡煤，裂隙較發(fā)育;有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主，平均含量達(dá)70%，惰質(zhì)組平均含量18%，V/I值高，一般在2以上，最高可達(dá)25以上.殼質(zhì)組難以區(qū)分且含量少，煤中礦物含量在1%～15%范圍內(nèi)，主要為伊利石、高嶺石、石英、黃鐵礦和方解石.［4］

圖1 煤儲(chǔ)層擴(kuò)散-滲流機(jī)理

3 煤層氣擴(kuò)散-滲流機(jī)理

高煤級(jí)煤儲(chǔ)層具有孔隙和裂隙雙孔隙特征，同時(shí)發(fā)育割理，割理分為面割理和端割理(如圖1).前人對(duì)煤巖孔隙大小有多個(gè)分類方案，本文以煤巖按孔隙直徑(孔徑)1～10nm、10～100nm、100～1000nm、〉1000nm 分為微孔、小孔、中孔、大孔劃分方案為依據(jù).通過(guò)對(duì)本區(qū)5件壓汞資料的分析，在孔徑大于7.6nm入汞范圍內(nèi)，孔徑7.6nm到20nm范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的孔隙體積約占75%，且在孔徑低于7.6nm范圍內(nèi)孔隙還有相當(dāng)大的比重，由此可見(jiàn)該區(qū)煤巖富含納微孔.由此分析煤層氣的解吸機(jī)理如圖1，在基質(zhì)中主要以濃度差為動(dòng)力，以分子態(tài)通過(guò)擴(kuò)散的形式運(yùn)移到裂隙或割理中，如果裂隙或割理之間可以形成有效溝通，則煤層氣會(huì)通過(guò)滲流最終從煤層中運(yùn)移出來(lái).

4 顯微組分微裂隙表征

研究區(qū)15#煤儲(chǔ)層曾經(jīng)歷高溫?zé)嶙冑|(zhì)，從而演化至高煤級(jí)煙煤(貧煤)階段，有機(jī)顯微組分中鏡質(zhì)組組分主要為均值鏡質(zhì)體，均質(zhì)鏡質(zhì)體中可見(jiàn)以一定角度尖滅的裂縫及垂直延展裂縫，其次為基質(zhì)鏡質(zhì)體;可見(jiàn)張性裂隙惰質(zhì)組組分主要為半絲質(zhì)體.微裂隙在煤巖有機(jī)顯微組分中的形態(tài)各異，分布廣泛，且在鏡質(zhì)組中的分布無(wú)論從數(shù)量還是范圍都要好于惰質(zhì)組.鏡質(zhì)組中的微裂隙可以順層延展，同時(shí)在其中尖滅;也可以發(fā)育為具一定角度的微裂隙，具有一定溝通能力;同時(shí)可以看到一些由于構(gòu)造作用形成的張性裂隙.有機(jī)顯微組分中的張性微裂隙對(duì)于煤層氣的擴(kuò)散或滲流起到巨大的作用，而壓性微裂隙的存在不僅減少了煤層氣賦存的空間，而且使煤層氣運(yùn)移的路徑減小甚至喪失，因而對(duì)煤儲(chǔ)層的物性不利.［5］均值鏡質(zhì)體中張性微裂隙密度一般高于基質(zhì)鏡質(zhì)體，但往往發(fā)生尖滅是其共同特征.微裂隙在不同組分之間的界面或弱面條件下往往發(fā)生延展，這在一定程度上溝通了不同種組分的聯(lián)系.惰質(zhì)組組分為凝膠后又發(fā)生絲碳化，因而形態(tài)雜亂，往往內(nèi)生裂隙不發(fā)育，且張性裂隙細(xì)小且極易發(fā)生尖滅，對(duì)煤儲(chǔ)層物性極為不利，在該區(qū)煤巖有機(jī)組分中，微裂隙還可呈一定網(wǎng)絡(luò)狀延展.從而大大溝通了基質(zhì)組分及微裂隙的相互聯(lián)系.

對(duì)于充填礦物，該區(qū)割理主要被脈狀方解石填充，微裂隙可以截穿方解石，也可以在此發(fā)生尖滅，但本區(qū)割理被方解石大規(guī)模填充，是導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率急劇降低的重要原因.［6］其它裂隙往往被毛發(fā)狀伊利石、片狀高嶺石、短柱狀高嶺石填充，這些均可以導(dǎo)致該區(qū)15#煤儲(chǔ)層物性變差.

5 煤儲(chǔ)層物性

5.1 壓汞特征分析

圖2 煤巖壓汞曲線型式

研究區(qū)煤巖壓汞曲線型式如圖2，Ф值平均為15.5，歪度平均為-2，對(duì)于煤巖來(lái)說(shuō)，Ф值偏小，表示大孔多，歪度偏于正值表示煤儲(chǔ)層較好.相較而言，本區(qū)煤儲(chǔ)層主要偏于小孔和納微孔，孔喉配置為微孔-微喉組合，儲(chǔ)層整體而言物性較差.

5.2 孔滲特征分析

圖3 煤巖孔隙度分布直方圖

對(duì)該區(qū)33組15#煤孔滲測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，孔隙度分布直方如圖3，通過(guò)該圖可以看出孔隙度主要分布在9%～15%范圍內(nèi)，孔隙度較高.滲透率根據(jù)氣測(cè)數(shù)據(jù)顯示，主要分布范圍為0.001mD～0.22mD，一般認(rèn)為滲透率高于0.5mD的煤儲(chǔ)層較好，相比本區(qū)煤儲(chǔ)層具有較高孔—低滲/特低滲的特征.

6 討論

煤巖顯微組分研究可以在微觀上定性分析影響微裂隙發(fā)育的誘因和表征，而物性在宏觀上對(duì)這種表征和控制作用加以佐證.煤巖中微裂隙的發(fā)育受多種地質(zhì)因素綜合作用影響，如構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地應(yīng)力、變質(zhì)程度等，而微裂隙的發(fā)育是煤層在地質(zhì)歷史時(shí)期曾經(jīng)大量生氣的自然結(jié)果，正是在這些內(nèi)因和外因的共同作用下，形成了煤層自身獨(dú)特的疏導(dǎo)體系.煤是凝膠化作用和絲碳化作用的結(jié)果，本區(qū)15#煤為海侵成因，且V/I值高，表明凝膠化作用進(jìn)行的比較徹底，抗擊破碎的強(qiáng)度就比較低，易破碎產(chǎn)生裂隙.在煤層形成后，盆地迅速沉降，煤層中的水分和生物氣得不到快速排出，不斷壓實(shí)，在高應(yīng)力下以致煤基質(zhì)發(fā)生破裂，同樣可以產(chǎn)生大量裂隙.在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期，顯微組分生氣能力的關(guān)系為:殼質(zhì)組〉鏡質(zhì)組〉惰質(zhì)組，鏡質(zhì)組具有相當(dāng)可觀的生氣能力，會(huì)產(chǎn)生大量氣體，這些氣體在煤層中會(huì)產(chǎn)生壓力，當(dāng)匯聚到一定程度就會(huì)對(duì)煤層結(jié)構(gòu)造成破壞，形成微裂隙，從而釋放壓力.

7 結(jié)論

通過(guò)以上論述可以看出，本區(qū)高煤級(jí)煙煤孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)微孔-微喉型，鏡質(zhì)組中張性微裂隙對(duì)煤層氣擴(kuò)散—滲流起到重要作用，壓性裂隙對(duì)煤層氣的擴(kuò)散作用不大，惰質(zhì)組中內(nèi)生裂隙不發(fā)育.對(duì)于割理充填不嚴(yán)重的中煤級(jí)煙煤，割理為滲流的最主要通道，這在國(guó)外已經(jīng)得到證實(shí).但本區(qū)高煤級(jí)煙煤中割理被脈狀方解石嚴(yán)重充填，這是造成該區(qū)15#煤儲(chǔ)層滲透率呈現(xiàn)低滲—特低滲的主要原因，同時(shí)粘土礦物的填充，也會(huì)造成煤儲(chǔ)層的物性變差，但整體而言本區(qū)15#煤中微裂隙十分發(fā)育.

［1］王 欣，李忠權(quán)，朱德豐.烏爾遜西都斷裂構(gòu)造的挖陷特征［J］.四川文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(2):76-78.

［2］朱 林，周 文，李生福.鎮(zhèn)涇長(zhǎng)8油藏裂縫對(duì)油氣富集的控制作用分析［J］.四川文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(2):64-66.

［3］尹 帥，單鈺銘，王 磊，等.沁水盆地東北部地區(qū)15號(hào)煤儲(chǔ)層物性特征分析［J］.地質(zhì)與資源，2013(4):64-67.

［4］劉洪林，李貴中，王 烽，等.沁水盆地煤層割理系統(tǒng)特征及其形成機(jī)理［J］.天然氣工業(yè)，2008(3):36-39.

［5］孟召平，王保玉，謝曉彤，等.煤巖變形力學(xué)特征及其對(duì)滲透率的控制［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012(8):1342-1347.

［6］張 慧，李小彥，郝 琦，等.中國(guó)煤的掃描電子顯微鏡研究［M］.北京:地質(zhì)出版社，2003:162.