貴州省中嶺-坪山區(qū)塊煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)發(fā)育特征與物性分析

王國玲 楊兆彪

(1.北京奧瑞安能源技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100195;2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 221008)

貴州省中嶺-坪山區(qū)塊煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)發(fā)育特征與物性分析

王國玲1楊兆彪2

(1.北京奧瑞安能源技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100195;2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 221008)

通過壓汞和低溫氮等溫實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)貴州省中嶺-坪山區(qū)塊煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)發(fā)育有以下共同點(diǎn):孔隙度相對(duì)較高，孔隙結(jié)構(gòu)以過渡孔、微孔 (壓汞測試)，微小孔、超微孔 (液氮測試)為主，中孔次之，大孔不發(fā)育，即吸附孔占絕對(duì)優(yōu)勢，約占總孔隙的79%;孔隙類型多以開放透氣性孔為主，含有極少量“墨水瓶”孔，孔隙為細(xì)喉型，滲流孔與吸附孔之間連通性較差，該區(qū)儲(chǔ)層對(duì)煤層氣聚集非常有利，但對(duì)煤層氣的解吸和開發(fā)較為不利。

煤儲(chǔ)層 孔隙系統(tǒng) 儲(chǔ)層物性

中嶺-坪山區(qū)塊位于貴州省織 (金)納 (雍)煤田的北部中段，煤炭資源量大且勘探程度較高，具備在織納煤田形成我國南方潛在無煙煤大型煤層氣開發(fā)基地的雛形。以往對(duì)貴州省煤層氣研究的工作多集中在資源評(píng)價(jià)的角度，對(duì)煤層氣在煤儲(chǔ)層內(nèi)的賦存和運(yùn)移特征研究較少，因此有必要對(duì)該區(qū)煤儲(chǔ)層的孔隙系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析相應(yīng)煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)并分析對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層物性，以期對(duì)貴州省煤層氣的勘探開發(fā)提供一定的指導(dǎo)意義。

煤中孔隙，是指煤體未被固體物質(zhì) (有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì))充填的空間，是煤的空間結(jié)構(gòu)要素之一。通過采用通用的十進(jìn)位分類，將孔隙分成超大孔 (φ＞10000nm)、大孔 (10000nm≥φ＞1000nm)、中孔 (1000nm≥φ＞100nm)、過渡孔(100nm≥φ＞10nm)、微孔 (10nm≥φ＞7nm)。在這個(gè)分類方法的基礎(chǔ)上，考慮到氣體在大、中孔中主要以層流或紊流方式滲透，在小孔、微孔中以毛細(xì)管凝結(jié)、物理吸附及擴(kuò)散的方式存在，所以將孔徑大于75nm的孔隙歸為滲流孔隙，將孔徑小于75nm的孔隙歸為吸附孔隙。吸附孔隙主要影響煤層氣的聚集，滲流孔隙主要影響煤層氣的解吸和開采。通過對(duì)兩類孔隙的研究，從孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育狀況來揭示該區(qū)煤層氣的聚氣能力和可采性。

1 樣品采集及實(shí)驗(yàn)測試

樣品采集地點(diǎn)為中嶺-坪山區(qū)塊內(nèi)的坪山煤礦，共采集了1煤、3煤、6煤、8煤四套主煤層的無煙煤樣。本次樣品采集主要考慮該區(qū)內(nèi)存在多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)，分析不同煤層氣系統(tǒng)下煤儲(chǔ)層孔隙特征及對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層物性特征。

本次研究在樣品采集的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了壓汞孔隙測試和低溫氮等溫吸附實(shí)驗(yàn)測試。測試儀器分別選用9410型全自動(dòng)壓汞儀和ASAP2000比表面積孔徑測定儀。

2 孔隙系統(tǒng)特征及相應(yīng)物性分析

壓汞法可以定量得到孔半徑大于7.2nm以上范圍內(nèi)有關(guān)孔隙大小、孔徑分布、孔隙類型等的孔隙分布參數(shù)信息，低溫氮吸附法 (BET)可以得到孔徑測試范圍在0.35nm以上孔隙參數(shù)信息，結(jié)合兩種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)煤孔徑結(jié)構(gòu)的連續(xù)描述。測試結(jié)果見表1和表2。

表1 中嶺井田煤樣孔隙結(jié)構(gòu)總體情況 (汞浸入法)

表2 中嶺井田煤樣孔隙結(jié)構(gòu)低溫液氮法測試結(jié)果

(1)1號(hào)煤層孔隙系統(tǒng)

經(jīng)測試得知，1號(hào)煤鏡質(zhì)組最大反射率為3.43%;視孔隙率5.48%;以過渡孔為主，孔容比為47.23%，中孔和微孔次之，分別為 23.03%、

BET比表面積為0.446m2/g，BJH總孔體積為0.0036ml/g，微小孔與超微孔所占比重相當(dāng)，但微23.03%;孔喉直徑較小為21.7nm，說明該區(qū)孔喉以細(xì)喉為主;壓汞曲線孔隙滯后環(huán)寬大，進(jìn)汞和退汞體積差 (壓力差)較大，說明開放性透氣性孔較多，孔隙連通性較好;退汞效率較高為58%(圖1)。小孔略高為0.009401cm3/g，然而超微孔的比表面積比微小孔高出6倍;低溫氮吸附曲線存在吸附回線“滯后環(huán)”，脫附拐點(diǎn)不明顯，表明煤的孔隙系統(tǒng)主要是由開放性透氣孔構(gòu)成，可能含有一部分“墨水瓶”孔及一端封閉不透氣孔。1-100nm各孔徑階段孔隙均有分布，小于10nm超微孔較發(fā)育，在8-9nm存在孔體積峰值 (圖2)。

圖1 中嶺井田煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)壓汞回線

該孔隙結(jié)構(gòu)有利于煤層氣的擴(kuò)散、解吸、滲透，該儲(chǔ)層是煤層氣勘探開發(fā)有利儲(chǔ)層。

(2)3號(hào)煤層孔隙系統(tǒng)

經(jīng)測試得知，2號(hào)煤鏡質(zhì)組最大反射率為2.69%;視孔隙率4.27%，比1號(hào)煤降低22%;以過渡孔為主，孔容比為58.7%，微孔次之為31.16%;孔喉直徑較小，為17.3nm，說明該區(qū)孔喉以細(xì)喉為主;壓汞曲線形狀與1號(hào)煤類似，但孔隙“滯后環(huán)”相對(duì)1號(hào)煤較小，進(jìn)汞與退汞體積差 (壓力差)較小，這表明封閉不透氣孔較多，孔隙連通性較差，退汞效率較高為73%(圖1)。

BET比表面積為1.005m2/g，BJH總孔體積為0.0680ml/g，微小孔與超微孔所占比重相當(dāng)，但微孔略高為0.008456cm3/g，然而超微孔的比表面積比微小孔高出5.3倍;低溫氮吸附曲線與1號(hào)煤類似，但無拐點(diǎn)，表明煤的孔隙系統(tǒng)主要是由開放性透氣孔構(gòu)成，孔隙均勻分布，在10-11nm處有孔體積峰值 (圖2)。

該孔隙結(jié)構(gòu)不利于煤層氣的擴(kuò)散、解吸，該儲(chǔ)層代表是煤層氣勘探開發(fā)中等儲(chǔ)層。

(3)6號(hào)煤層孔隙系統(tǒng)

經(jīng)測試得知，6號(hào)煤鏡質(zhì)組最大反射率為2.62%;視孔隙率6.57%;以過渡孔為主，孔容比為47.13%，微孔次之26.43%，大中孔比重為26.42%;孔喉直徑比 1號(hào)、3號(hào)煤大，為26.3nm，說明該區(qū)孔喉以細(xì)喉為主;與其它煤層不同，6號(hào)煤層進(jìn)汞曲線斜率較大，可能與大、中孔比重較多有關(guān)，壓汞曲線形狀與1、3號(hào)煤類似，壓汞曲線孔隙“滯后環(huán)”體積差 (壓力差)較1號(hào)煤略小，這表明封閉不透氣孔相對(duì)1號(hào)煤層較多，孔隙連通性較1號(hào)煤差，退汞效率較高為61%(圖1)。

BET比表面積為1.723m2/g，BJH總孔體積為0.1396ml/g，微小孔與超微孔所占比重相當(dāng)，但微孔略高為0.008393cm3/g，然而超微孔的比表面積比微小孔高出5.3倍;低溫氮吸附曲線與1號(hào)、3號(hào)煤類似，無明顯拐點(diǎn)，表明煤的孔隙系統(tǒng)主要是由開放性透氣孔構(gòu)成，存在一些“墨水瓶”孔，孔隙均勻分布，在8-9nm處有孔體積峰值 (圖2)。

該孔隙結(jié)構(gòu)有利于煤層氣的擴(kuò)散、解吸、滲透，該儲(chǔ)層是煤層氣勘探開發(fā)有利儲(chǔ)層。

(4)8號(hào)煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)

圖2 中嶺井田低溫氮吸附回線

8號(hào)煤鏡質(zhì)組最大反射率為2.96%;視孔隙率5.65%;以過渡孔為主，孔容比為54.22%，微孔次之27.52%，中孔比重為11.72%;孔喉直徑為18.7nm，說明該區(qū)孔喉以細(xì)喉為主;壓汞曲線孔隙“滯后環(huán)”比1號(hào)煤小，比3號(hào)、6號(hào)煤大，進(jìn)汞和退汞體積差 (壓力差)較大，退汞效率較高為61%，這表明在壓汞所測試孔徑范圍內(nèi)，開放孔較多，孔隙連通性較好 (圖1)。

BET比表面積為1.441m2/g，BJH總孔體積為0.0111ml/g，微小孔與超微孔所占比重相當(dāng)，但微孔略高為0.008894cm3/g，然而超微孔的比表面積比微小孔高出6倍;低溫氮吸附曲線與1號(hào)、3號(hào)、6號(hào)煤類似，吸附回線無拐點(diǎn)，表明煤的孔隙系統(tǒng)主要是由開放性透氣孔構(gòu)成，孔隙均勻分布，在5-6nm處有孔體積峰值 (圖2)。

該孔隙結(jié)構(gòu)有利于煤層氣的擴(kuò)散、解吸、滲透，該儲(chǔ)層是煤層氣勘探開發(fā)有利儲(chǔ)層。

3 結(jié)論

通過研究煤樣的壓汞及低溫氮測試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)中嶺-坪山區(qū)塊煤中孔隙從小至分子級(jí)孔，大至無上限孔較連續(xù)完整的孔隙系統(tǒng)。煤層孔隙度相對(duì)較高，孔隙結(jié)構(gòu)以過渡孔、微孔 (壓汞測試)、微小孔、超微孔 (液氮測試)為主，BET比表面積、BJH總孔體積較大，吸附能力強(qiáng)，即吸附孔占絕對(duì)優(yōu)勢，平均含量達(dá)79%，滲流孔含量較少。

(2)壓汞曲線:四條壓汞曲線類型類似，但曲線變化率、孔隙“滯后環(huán)”大小不同。6號(hào)煤大孔含量較高14.01%，故在壓力較低時(shí)，曲線斜率比其它煤層都大，隨后緩慢上升，3號(hào)煤大孔含量最低1.45%，壓力較低時(shí)，曲線斜率較低，1號(hào)煤、8號(hào)煤居中。壓汞曲線存在孔隙“滯后環(huán)”，說明開放性透氣性孔較多，滯后環(huán)越大，表明孔隙連通性較好，即1號(hào)煤孔隙連通性最好，其次為8號(hào)煤、6號(hào)煤、3號(hào)煤。

(3)低溫氮吸附曲線:四條吸附曲線類型類似，吸附與脫附分支獨(dú)立無重合，基本無脫附拐點(diǎn)，表明煤的孔隙系統(tǒng)主要是由開放性透氣孔組成，含有少量“墨水瓶孔”。

(4)通過垂向上對(duì)比煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)4套煤層孔隙都以開放透氣性孔為主，1號(hào)、6號(hào)煤層含有少量“墨水瓶孔”，孔隙連通性的優(yōu)劣排名為1號(hào)煤、8號(hào)煤、6號(hào)煤、3號(hào)煤。

綜上所述，這樣煤儲(chǔ)層孔徑分布對(duì)煤層氣資源開發(fā)利用的貢獻(xiàn)意義是:含量豐富的吸附孔隙有助于煤層氣的吸附聚集，但滲流孔含量的明顯不足，將是未來煤層氣的解吸開發(fā)的最大瓶頸問題。

［1］秦勇，徐志偉，張井.高煤級(jí)煤孔徑結(jié)構(gòu)的自然分類及其應(yīng)用 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1995，20(3):266-271.

［2］傅雪海，秦勇，姜波，等.煤割理壓縮實(shí)驗(yàn)及滲透率數(shù)值模擬 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2001，26(6):573-577.

［3］姚艷斌，劉大錳.煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)發(fā)育特征與煤層氣可采性研究 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34(3):64-68.

［4］趙志根，唐修義.低溫氮吸附法測試煤中微孔隙及其意義 ［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2001，29(5):28-30.

［5］陳萍，唐修義.低溫氮吸附法與煤中微孔隙特征的研究 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2001，26(5):552-556.

［6］張松航，湯達(dá)禎，唐書恒，等.鄂爾多斯盆地東緣煤儲(chǔ)層微孔隙結(jié)構(gòu)特征及其影響因素［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，82(10):1341-1348.

［7］許浩，張尚虎，冷雪，等.沁水盆地煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)模型與物性分析 ［J］.科學(xué)通報(bào)，2005，50(Ⅰ):45-50.

Developing Features of Pore System and Physical Analysis of Coal
Reservoir in Zhongling-Pingshan Block of Guizhou Province

WANG Guoling1，YANG Zhaobiao2
(1.Beijing Orion Energy Technology＆ Development Co.Ltd，Beijing 100195;2.China University of Mining and Technology，Jiangsu 221008)

By analyzing the test of pressurized mercury and low temperature nitrogen isothermal adsorption，there were some common ground of pore system of coal reservoir in Zhongling-Pingshan Block.They are of high porosity，and transitional pore，micropore and super-microporous were mainly dominate，mesopores second，the least developed macroporous，which meant the adsorption pore were in overwhelming superiority，taking 79%of the total pores.The types of the pore were mainly open pore，containing a least of inkbottle pore.The pores are with fine throat，and there were less connections between the penetrated flow pore and adsorption pore.Above all，the pore system in the study zone is favorable to the storage and collection of the coalbed methane，but not favorable to the adsorption and development of the coalbed methane.

Coal reservoir;pore system;reservoir physical property

王國玲，女，碩士研究生，就職于北京奧瑞安能源技術(shù)開發(fā)有限公司，擔(dān)任地質(zhì)師。

(責(zé)任編輯 桑逢云)