大慶探區(qū)煤巖孔隙結(jié)構(gòu)特征及其地質(zhì)意義

王有智，盧 曦

(大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

煤巖是一種復雜的多孔介質(zhì)，其孔隙結(jié)構(gòu)特征對煤層氣的吸附能力和滲流行為的控制作用受到廣泛關(guān)注［1－4］。煤巖的多孔性其作為儲層具有儲氣和允許煤層氣解吸、擴散和滲流的能力。因此，研究煤巖儲層 (煤儲層)中孔隙結(jié)構(gòu)特征對煤層氣的勘探開發(fā)和可采性評價具有非常重要的意義。煤巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性較強，定量評價煤巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)的復雜程度比較困難［5］。

分形理論的興起為解釋自然界中不規(guī)則的復雜現(xiàn)象提供了簡單而有效的方法［6］。近年來，分形理論在描述儲層孔隙結(jié)構(gòu)方面的重要作用日益凸顯［7］。Katz 和 Kroch［8－9］等證明，砂巖和碳酸鹽巖等多孔儲集體具有分形特征。傅雪海等［10－12］認為，煤巖在一定孔隙范圍內(nèi)顯示出較好的分形特征，應(yīng)用分形理論可以獲得煤巖中孔隙分布的近似定量信息，有效提高煤巖儲層評價精度。馬立民、文慧儉［13－14］等通過建立分形維數(shù)與微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，認為分形維數(shù)是儲層孔隙結(jié)構(gòu)復雜程度的綜合定量表征，分形維數(shù)越大，儲層非均質(zhì)性越強;并以分形維數(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了復雜儲層的定量分類評價。因此，分形維數(shù)能夠真實反映儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，是定量描述儲層孔隙結(jié)構(gòu)復雜程度的理想?yún)?shù)［15］。

大慶探區(qū)含煤盆地眾多，煤層氣資源豐富，是未來重要的能源接替領(lǐng)域。大慶探區(qū)煤層主要賦存在下白堊統(tǒng)，以雞西盆地和鶴崗盆地，以及海拉爾盆地的呼和湖凹陷為代表，其煤層厚度較大、埋深適中，煤層氣勘探前景良好。含煤盆地構(gòu)造背景及后期改造強烈，煤的變質(zhì)作用類型復雜，煤儲層物性非均質(zhì)性強，且孔隙度、滲透率與含氣飽和度偏低，構(gòu)成大慶探區(qū)煤儲層的主要缺陷。大慶探區(qū)在煤層氣成藏條件方面目前已取得一定認識［16－18］，但在煤儲層微觀孔隙特征方面研究比較薄弱。本文以大慶探區(qū)煤巖孔隙演化特征為主線，系統(tǒng)分析和論述了變形作用對微觀孔隙參數(shù)的影響，探討了分形特征與煤巖吸附能力的關(guān)系，為定量評價煤儲層物性提供了科學依據(jù)。

1 地質(zhì)背景及煤樣采集

大慶探區(qū)涵蓋的三大盆地群中含煤盆地以西部海拉爾盆地及東部三江地區(qū)的雞西盆地和鶴崗盆地為代表(圖1)。海拉爾盆地是疊置于華北板塊和西伯利亞板塊之間的古生代碰撞造山帶之上的中—新生代陸相裂谷盆地［19］，其中呼和湖凹陷煤層氣資源量最大，煤巖以褐煤最為發(fā)育。雞西盆地和鶴崗盆地為典型的殘留改造型盆地，其后期經(jīng)歷強烈的擠壓反轉(zhuǎn)，破壞作用顯著［20］，煤巖以中等變質(zhì)為主。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布圖Fig.1 Location of research area and distribution of samples

為深入研究大慶探區(qū)重點含煤盆地由西向東煤巖煤體結(jié)構(gòu)的變化特征，針對不同含煤盆地的主力煤層進行樣品采集 (表1)，并進行等溫吸附試驗、比表面積和孔徑分布分析，測試項目由中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院非常規(guī)油氣重點實驗室完成。

表1 煤樣采集點信息表Table 1 Information of coal sample

大慶探區(qū)煤巖類型豐富，呼和湖凹陷主要發(fā)育原生結(jié)構(gòu)煤 (圖2a)，可見木質(zhì)結(jié)構(gòu)，植物組織痕跡清晰，整體性較好呈塊狀構(gòu)造，割理不發(fā)育，手試強度大;依據(jù)琚宜文的構(gòu)造煤劃分方案［21］，鶴崗盆地和雞西盆地煤樣屬于脆性變形系列的碎裂煤和碎斑煤。碎裂煤 (圖2b)原生結(jié)構(gòu)相對完整，可見條帶狀構(gòu)造，可觀測兩組割理，手試強度較硬，局部可見小碎塊;碎斑煤 (圖2c)隱約可見原生結(jié)構(gòu)，發(fā)育多組割理和碎塊構(gòu)造，碎塊有相對位移，手試強度較差，輕捏即成棱角狀碎塊，一般直徑為1～5cm。

圖2 大慶探區(qū)煤巖類型圖Fig.2 Types of coal in Daqing exploration area

2 孔隙掃描電鏡特征

煤巖硬度差，成分復雜，結(jié)構(gòu)多變，非均質(zhì)性強，微觀現(xiàn)象豐富，掃描電鏡能夠在不破壞煤巖原始狀態(tài)的條件下開展煤巖表面多種信息綜合分析［22］，為煤巖微孔孔隙特征研究提供直觀、簡單的研究手段。

原生結(jié)構(gòu)煤:呼和湖凹陷煤巖屬于褐煤，演化程度較低。鏡下可見大量保存完整的植物組織孔，受到壓實作用的影響，胞腔孔會發(fā)生不同程度的變形 (圖3a)，但一般定向排列，形狀相似，顯示植物組織特征 (圖3b、c);局部可見微細層理及裂縫 (圖3d)。少量發(fā)育晶間孔和屑間孔(圖3e、f)，氣孔不發(fā)育。該類型煤巖孔隙之間較為獨立，連通性差，裂縫多在層間發(fā)育，溝通孔隙之間的裂縫十分少見，對改善煤層滲透性的貢獻較低，因此不利于煤層氣的運移和聚集成藏。

圖3 原生結(jié)構(gòu)煤掃描電鏡特征圖Fig.3 Characteristics of coal of original texture by SEM

構(gòu)造煤:雞西盆地和鶴崗盆地煤巖演化程度較高，介于氣煤和焦煤之間。煤中雖然還殘余部分植物組織孔 (圖4a)，但孔隙幾乎都被礦物質(zhì)充填。隨著成巖作用的加強，煤巖中開始出現(xiàn)大量的氣孔 (圖4b)和溶蝕孔 (圖4c)。裂縫的數(shù)量和類型開始增多，多呈開啟狀 (圖4d)，煤體隨變形程度加強出現(xiàn)摩擦面等微構(gòu)造 (圖4e)。與此同時，鏡質(zhì)組出現(xiàn)大量的收縮縫 (圖4f)。構(gòu)造煤中原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，使得孔隙結(jié)構(gòu)復雜化，增加了比表面積，提高了氣體吸附能力。大量微裂縫和收縮縫的出現(xiàn)，為孔隙之間建立了連通橋梁，在一定程度上改善了煤巖孔隙的滲流能力。

圖4 構(gòu)造煤掃描電鏡特征圖Fig.4 Characteristics of tectonic coal by SEM

3 低溫氮吸附曲線及孔隙結(jié)構(gòu)特征

低溫氮吸附曲線的形態(tài)可在一定程度上表征孔隙結(jié)構(gòu)類型。由測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的低溫氮吸附曲線具有明顯的區(qū)域特征。根據(jù)煤樣吸附、脫附曲線特征將大慶探區(qū)含煤盆地煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)劃分為如下3種基本類型。

類型Ⅰ:以海拉爾盆地呼和湖凹陷煤樣孔隙特征為代表。吸附、脫附曲線基本保持平行而不存在明顯的滯后環(huán) (圖5I－a)，表明煤儲層孔隙以開放型的透氣孔為主 (圖6a、b)，存在少量一端封閉的不透氣孔 (圖6c、d)?？讖椒植汲孰p峰形態(tài) (圖5I－b)，第一個峰值出現(xiàn)在2～3nm處，第二個峰值出現(xiàn)在20～30nm處，說明小孔對比表面積貢獻較大，而微孔較小 (圖5I－c)。

類型Ⅱ:以鶴崗盆地煤樣孔隙特征為代表。由圖5Ⅱ－a可知，吸附和脫附曲線在相對壓力p/p0＞0.5時存在滯后環(huán)，顯示孔隙為多種孔隙形態(tài)的復合，包含“墨水瓶”狀孔 (圖6e)和一端封閉的不透氣性孔?？讖椒植记€顯示，微孔十分發(fā)育，微孔對孔體積的貢獻最大 (圖5Ⅱ－b)，且在3～4nm處存在峰值。比表面積的貢獻主要來自微孔，部分來自小孔 (圖5Ⅱ－c)。

類型Ⅲ:以雞西盆地煤樣孔隙特征為代表。該類型的吸附、脫附曲線存在明顯的滯后環(huán) (圖5III－a)，吸附曲線始終緩慢上升，脫附曲線在相對壓力為0.5附近急劇下降，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是存在大量“墨水瓶”狀孔 (圖6e)?？左w積存在兩處峰值，但孔徑為3～4nm的孔隙對比表面積貢獻最大。

由低溫氮吸附實驗獲取的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù) (表2)發(fā)現(xiàn)，大慶探區(qū)煤巖孔隙具有明顯的區(qū)帶特征，由西向東，隨著煤巖變形強度的增加，孔隙的平均孔直徑變小，總孔體積下降了一個數(shù)量級，相對應(yīng)比表面積增加了一個數(shù)量級。由上述現(xiàn)象可知，一方面煤巖隨變質(zhì)程度的加大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，微孔含量和種類增加，尤其是“墨水瓶”狀孔的大量出現(xiàn)是導致吸附和脫附曲線產(chǎn)生拐點的關(guān)鍵;另一方面受構(gòu)造活動的破壞作用影響，孔隙結(jié)構(gòu)進一步復雜化，突出了煤巖對氣體吸附能力的差異性。

圖5 大慶探區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)類型圖Fig.5 Types of pore structure in Daqing exploration area

圖6 不同孔隙形狀吸附實驗時氣—液界面形態(tài)圖［1］Fig.6 Gas－liquid boundary configuration of different pores in adsorption experiment

表2 大慶探區(qū)煤巖低溫氮吸附孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)及分形維數(shù)表Table 2 Pore parameters and fractal dimensions for coal by low-temperature nitrogen in Daqing exploration area

4 孔隙分形特征及其地質(zhì)意義

4.1 分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系

由實測數(shù)據(jù)可以看出，分形維數(shù)D與煤巖的平均孔直徑和總孔體積大體呈線性負相關(guān)關(guān)系(圖7a、b)。而分形維數(shù)與比表面積呈正相關(guān)關(guān)系(圖7c)，即隨著分形維數(shù)的增加，煤巖微孔含量增加，總孔體積變小，比表面積增大。以分形維數(shù)2.6為界，當D＞2.6時，總孔體積、平均孔直徑急劇減小，比表面積急劇升高，說明構(gòu)造變形作用對孔隙結(jié)構(gòu)影響較大，煤巖孔隙結(jié)構(gòu)進行重新匹配，孔隙類型也從開放型孔隙向“墨水瓶”狀孔過渡，孔隙喉道復雜化，使得連通性變差。但是大量微裂縫的產(chǎn)生對物性起到一定的改善作用;當D＜2.6時，變化不明顯。綜合分析認為，呼和湖凹陷、鶴崗盆地和雞西盆地的分形維數(shù)依次變大，與其煤巖的變形程度匹配，說明分形維數(shù)既反映了孔隙結(jié)構(gòu)的復雜程度，又體現(xiàn)出孔隙平面的非均質(zhì)性強弱，可以定量表征構(gòu)造變形作用對孔隙微觀結(jié)構(gòu)的改造程度。

4.2 分形維數(shù)與孔隙吸附能力的關(guān)系

甲烷在煤儲層中主要以吸附態(tài)存在，因此孔隙結(jié)構(gòu)對煤儲層的吸附能力具有一定程度的影響［23－24］。分形維數(shù)與煤巖演化程度的相關(guān)性較差(圖7d)，表明分形維數(shù)對變質(zhì)程度表征作用較差。當分形維數(shù)增大時，蘭氏體積存在上升趨勢 (圖7e)，這是由于煤巖變形程度增加，使得煤中孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，微孔數(shù)量增加，比表面積變大，同時孔隙形狀發(fā)生改變，表面粗糙度增加，因此煤巖的吸附能力增強。觀察發(fā)現(xiàn)，雞西盆地煤巖吸附能力低于鶴崗盆地煤巖，與分形特征不符，這是因為煤巖的吸附能力還受到煤巖成分中灰分產(chǎn)率的影響?；曳謺涮蠲簝拥囊徊糠挚紫?，占據(jù)了煤孔隙表面吸附甲烷的空間，導致煤巖成分復雜化 (圖7f)，從而導致吸附能力減弱。

圖7 分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)和吸附能力的關(guān)系圖Fig.7 Relationship between the fractal dimension and the pore structure and adsorptive capacity

4.3 分形維數(shù)與煤儲層所處構(gòu)造位置的關(guān)系

前人對煤層氣富集成藏的主控因素進行了深入分析，包括構(gòu)造條件、煤層厚度、埋深、變質(zhì)程度、含氣量、滲透率和水文地質(zhì)條件等［25－27］。本文在不考慮其他影響因素的基礎(chǔ)上，立足于煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)探討構(gòu)造位置與分形維數(shù)之間關(guān)系。呼和湖凹陷與海拉爾盆地的構(gòu)造演化基本一致，經(jīng)歷了地殼隆起、斷陷、坳陷和萎縮 4個階段，形成現(xiàn)今東斷西超的構(gòu)造格局。大二段構(gòu)造相對穩(wěn)定，斷層發(fā)育相對較少，煤巖樣品采自凹陷南部的次凹 (圖8a);鶴崗盆地經(jīng)歷多期性質(zhì)不同的構(gòu)造運動，應(yīng)力場方向多次發(fā)生大的改變，導致礦區(qū)內(nèi)張性斷裂密集發(fā)育，相互截切，構(gòu)造格局十分復雜。鶴崗煤田位于盆地西側(cè)，呈現(xiàn)向東傾斜的半掩蓋式單斜構(gòu)造，煤樣采自單斜背景下的地塹 (圖8b);雞西盆地是佳木斯地塊內(nèi)的內(nèi)陸克拉通型斷坳盆地［27］，由于變形復雜，后期擠壓作用強烈，東西向的平麻斷裂將盆地分為南北兩個規(guī)模較大的復向斜，北部為雞東坳陷，南部為梨樹鎮(zhèn)坳陷。煤樣采自雞東坳陷西部 (圖8c)。分析認為，分形維數(shù)與構(gòu)造位置具有一定的相關(guān)性，凹陷區(qū)相對穩(wěn)定，其分形維數(shù)明顯低于復雜構(gòu)造背景下的斜坡部位和褶皺軸部;而褶皺發(fā)育區(qū)由于應(yīng)力集中釋放，變形強度較大，分形維數(shù)高于斜坡部位?？傮w而言，褶皺發(fā)育區(qū)的煤巖吸附能力優(yōu)于斜坡和凹陷中心，是煤層氣藏富集高產(chǎn)的潛力區(qū)。

圖8 煤巖樣品取樣構(gòu)造位置圖Fig.8 Structural location of coal sample

5 結(jié)束語

經(jīng)實驗研究表明，大慶探區(qū)含煤盆地煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征受構(gòu)造背景影響顯著，自西向東構(gòu)造活動逐漸加強，煤巖結(jié)構(gòu)由原生結(jié)構(gòu)煤轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)造煤，導致儲層孔隙微觀結(jié)構(gòu)復雜程度和非均質(zhì)性增強。

從原生結(jié)構(gòu)煤至構(gòu)造煤，隨著變形程度的增加，原生植物組織孔逐漸被氣孔和溶蝕孔所取代，微孔占主導地位;類型豐富和數(shù)量眾多的開啟裂縫的出現(xiàn)，改善了原生狀態(tài)下孔隙不連通的劣勢，提高了孔隙的滲流能力。

在構(gòu)造作用的影響下，低溫氮吸附和脫附曲線呈現(xiàn)出3種類型，證實孔隙類型由開放型向一端封閉的不透氣孔轉(zhuǎn)化，最終演化成“墨水瓶”狀孔;微孔成為比表面積的主要貢獻者，大量“墨水瓶”狀微孔的出現(xiàn)也是造成吸附能力差異的主要原因。

分形維數(shù)能夠定量評價大慶探區(qū)重點含煤盆地煤儲層的孔隙特征和吸附能力。分形維數(shù)與總孔體積、平均孔直徑和比表面積、吸附能力呈此消彼長的關(guān)系;分形維數(shù)變大，煤巖變形程度增加，微孔含量增加，孔直徑變小，比表面積增大，孔表面粗糙度增加，導致煤巖孔隙結(jié)構(gòu)復雜化，最終煤巖吸附能力增強;褶皺發(fā)育區(qū)的煤儲層具有較強的吸附能力，應(yīng)作為大慶探區(qū)今后煤層氣勘探的重點突破區(qū)。

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