鄂爾多斯盆地東緣煤儲層物性及煤階的影響

陳 躍 湯達(dá)禎 許 浩 陶 樹 李 松 吳 圣

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

鄂爾多斯盆地東緣煤儲層物性及煤階的影響

陳 躍 湯達(dá)禎 許 浩 陶 樹 李 松 吳 圣

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

本文以研究區(qū)山西組煤層為例，利用壓汞和低溫液氮吸附等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，詳細(xì)剖析了煤儲層孔裂隙特征，在此基礎(chǔ)之上，深入探討了煤階對儲層物性的影響。研究表明，鄂爾多斯盆地東緣山西組煤中孔隙以微小孔為主，有利于煤層氣的吸附儲集，其次發(fā)育大孔，中孔最不發(fā)育，而煤中吸附孔隙主要以微孔和小孔為主，不同地區(qū)孔徑分布差異較大；研究區(qū)煤層孔隙度較低，為2.7%～7.9%之間，隨著煤階增高，孔隙度呈現(xiàn)“減小～增大～減小”的波狀變化；隨著煤階增高，吸附孔隙孔徑增大，相應(yīng)的BET比表面、BJH總孔體積減小，隨著煤化作用進(jìn)一步增強(qiáng)，微孔增多，兩者出現(xiàn)一定上升趨勢。

鄂爾多斯盆地 煤儲層 孔隙 煤階

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地東緣煤層氣田沿黃河呈南北向分布，南北長約560km，東西寬50～200km，煤層氣地質(zhì)資源量約9×1012m3，是我國繼沁水盆地之后第二個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模煤層氣產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的煤層氣田，目前已實(shí)施煤層氣井近3000余口。鄂爾多斯盆地東緣總體為一向西緩傾的大型單斜構(gòu)造，由北向南依次為伊盟隆起、晉西撓褶帶和渭北隆起，其上發(fā)育輕微褶皺，斷層發(fā)育規(guī)模較小，具備大型煤層氣田形成條件(姜波等，2012)。區(qū)內(nèi)相對較大的斷層有五條，自北往南依次為離石斷層、三交北斷層、午城-窯渠斷層、薛峰斷層和前高斷層。構(gòu)造走向以南北向、北東-南西向?yàn)橹鳎瑯?gòu)造變形強(qiáng)度總體上東部邊緣強(qiáng)于西部，南部強(qiáng)于北部，斷層和褶皺構(gòu)造主要分布在東部邊緣地區(qū)，往西向盆地內(nèi)部構(gòu)造變形減弱。區(qū)內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)的主力煤層為山西組4+5號煤層和太原組8+9號煤層，埋深300～2600m，煤厚0.5～30m，Ro為0.44%～2.6%，滲透率0.01～20mD，4+5號煤層頂?shù)装逯饕獮槟鄮r、砂質(zhì)泥巖以少數(shù)的砂巖，8+9號煤層頂板為灰?guī)r和泥巖，底板多為泥巖，圍巖封閉性較好。

2 壓汞孔隙特征

鄂爾多斯盆地東緣山西組煤樣壓汞實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，孔隙度為2.7%～7.9%之間，平均4.8%，孔隙度總體偏低。最大進(jìn)汞飽和度偏低，為15.55%～54.44%之間，多為35%以下，僅準(zhǔn)格爾地區(qū)為50%以上；分選系數(shù)為0.07～3.30μm之間，孔隙喉道非均質(zhì)性較強(qiáng)；退汞效率為35.59%～68.10%，退汞效率低，孔隙連通性總體較差。由于最大進(jìn)汞飽和度多數(shù)都未達(dá)到50%，故其中值半徑和中值壓力難以獲取(表1)。

表1 鄂爾多斯盆地東緣山西組煤樣壓汞測試數(shù)據(jù)

根據(jù)煤樣的壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算煤中孔隙的孔徑分布，由于煤中微孔的含量比較高，而汞只能侵入孔徑為3nm以上的孔隙，而煤中存在很大部分微孔(<10nm)，所以壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只能用來表征煤中大、中、小孔隙及部分微孔隙。計(jì)算結(jié)果表明，研究區(qū)煤中孔隙以微小孔為主，其比例占絕對優(yōu)勢，為64.82%～91.50%，一般在80%以上，能夠?yàn)槊簩託馓峁┐罅课絻臻g，利于煤層氣的賦存(見表1及圖1)。煤中具有滲流能力的孔隙主要是大孔和中孔，其發(fā)育狀況將在很大程度上決定了煤層的滲透性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究區(qū)大中孔隙總體發(fā)育不好，所占比例較低，大部分低于15%，從而限制了煤層滲透能力，不利于煤層氣開發(fā)，這與鄂爾多斯盆地東緣煤層滲透率總體偏低相符。僅就大、中孔隙而言，大孔相對較發(fā)育，比例為5.35%～22.69%，北部的準(zhǔn)格爾、臨興地區(qū)煤層大孔較其他地區(qū)發(fā)育，普遍在10%以上，而中南部地區(qū)(韓城、柳林、鄉(xiāng)寧等)大孔較不發(fā)育。研究區(qū)山西組煤層中孔發(fā)育不好，其比例為6.42%～11.46%，除北部準(zhǔn)格爾地區(qū)兩個(gè)樣品中孔含量達(dá)10%以上，其他樣品中孔含量都在10%以下，多在5%上下浮動。

圖1 鄂爾多斯盆地東緣山西組煤孔徑分布

3 吸附孔隙特征

前人研究成果及上文對研究區(qū)煤中孔徑分布的研究都表明，煤中大部分孔隙空間被微小孔占據(jù)，這是煤儲層與常規(guī)天然氣儲層的差異之處。鑒于壓汞實(shí)驗(yàn)未能很好的表征煤中的微小孔隙，尤其是微孔，所以低溫液氮吸附方法近年來被廣泛的應(yīng)用于煤儲層中吸附孔隙表征。本文對鄂爾多斯盆地東緣不同地區(qū)的煤樣進(jìn)行低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。山西組煤層BET比表面變化較大，為0.2265～11.2186m2/g之間，北部準(zhǔn)格爾、河曲地區(qū)較高，一般高于5m2/g，中南部地區(qū)較小，一般低于1m2/g。BJH總孔體積為0.88×10-3～21.27×10-3mL/g，與BET比表面的變化規(guī)律類似，呈現(xiàn)北高南低的特點(diǎn)，北部準(zhǔn)格爾、河曲地區(qū)較高，一般高于10×10-3mL/g，柳林以南地區(qū)普遍在5×10-3mL/g以下。平均孔徑為3.78～53.46nm之間，北部較小，多為10nm以下，中南部地區(qū)較大，普遍在20nm以上。

表2 鄂爾多斯盆地東緣山西組煤層吸附孔隙特征

通過煤樣低溫液氮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算吸附孔隙的孔徑分布，并將其劃分為微孔(<10nm)、小孔(10～100nm)和中孔(>100nm)，通過對研究區(qū)煤巖樣品的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)，多數(shù)樣品顯示，微孔和小孔為煤中主要的吸附孔隙，中孔比例較小，但中部的部分地區(qū)樣品微孔體積較小，中孔有所增加(圖2)。煤中微孔比例為2.64%～90.27%，呈現(xiàn)北部和南部高、中部低的變化趨勢；除個(gè)別樣品外(ZGE-1)小孔比例變化較小，主要分布在50%～60%之間；中孔比例為3.81%～37.31%，其變化趨勢與微孔相反，呈現(xiàn)中部高、南北部低的趨勢。

圖2 鄂爾多斯盆地東緣山西組煤層吸附孔隙孔徑分布

4 煤階對儲層物性的影響

4.1 煤階對孔隙度的影響

圖3 煤巖孔隙度與鏡質(zhì)體反射率Ro的關(guān)系

孔隙度受煤化作用程度的影響較為明顯，隨鏡質(zhì)組反射率增高呈現(xiàn)“減小～增大～減小”的波狀起伏變化(圖3)。低煤階樣品孔隙度較大，隨著煤化作用程度的增高，孔隙度迅速減小，當(dāng)Ro為0.8%左右時(shí)，孔隙度達(dá)到最低，當(dāng)鏡質(zhì)組反射率進(jìn)一步增大時(shí)，孔隙度出現(xiàn)一定程度反彈，直至Ro大于1.3%后，孔隙度再次出現(xiàn)降低趨勢。煤的孔隙度隨鏡質(zhì)組反射率的波狀變化說明了煤化作用對孔隙影響較為復(fù)雜。當(dāng)Ro介于0.5%～0.8%之間時(shí)，煤化作用中發(fā)生瀝青化作用和第一次躍變，加之物理壓實(shí)作用增強(qiáng)，導(dǎo)致煤巖孔隙度迅速減小。Ro大于0.8%以后，隨著煤變質(zhì)作用的進(jìn)行，生烴作用導(dǎo)致氣孔逐漸增加，使煤巖孔隙度出現(xiàn)一定程度增大，當(dāng)Ro大于1.3%以后，隨著煤化作用第二次躍變和脫水作用的完成，煤巖孔隙度再次下降。

4.2 煤階對孔隙連通性的影響

壓汞實(shí)驗(yàn)中最大進(jìn)汞飽和度、退汞效率是表征孔隙連通性的重要參數(shù)，前者表示實(shí)驗(yàn)最大壓力條件下汞能進(jìn)入的孔隙占所有孔隙的比例，后者表示連通孔隙的體積比例。鄂爾多斯盆地東緣山西組煤樣最大進(jìn)汞飽和度整體偏低，普遍低于50%，隨煤階增大呈現(xiàn)先減小后微弱增大的變化趨勢，而退汞效率則呈現(xiàn)與之相反的變化趨勢，即先增大后緩慢減小，在最大進(jìn)汞飽和度降低到最小值時(shí)退汞效率則達(dá)到最大值(見圖4和圖5)。前已述及，Ro介于0.5%～0.8%之間時(shí)，隨著煤化作用程度增高，煤中的大、中孔隙減少，孔隙度降低，而汞難以進(jìn)入的微小孔比例增加，導(dǎo)致最大進(jìn)汞飽和度降低，此時(shí)退汞效率的增加并不是煤的孔隙滲透性變好，而是由于最大進(jìn)汞飽和度降低，導(dǎo)致退汞效率相對增加。Ro大于0.8%以后，隨著煤化作用程度進(jìn)一步增加，最大進(jìn)汞飽和度微弱增加而退汞效率則緩慢下降，推測是由于生烴后形成氣孔以及內(nèi)生裂隙逐漸增加，但其連通性并不是很好。

圖4 煤樣最大進(jìn)汞飽和度與鏡質(zhì)體反射率Ro的關(guān)系

圖5 煤樣退汞效率與鏡質(zhì)體反射率Ro的關(guān)系

4.3 煤階對吸附孔隙的影響

通過對鄂爾多斯盆地東緣煤樣各吸附參數(shù)與鏡質(zhì)體反射率Ro之間的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，隨著煤化作用程度的增高，BET比表面逐漸減小，直至Ro大于1.4%以后，BET比表面出現(xiàn)微弱反彈趨勢(圖6a)。隨煤階的增高BJH總孔體積和吸附量的變化趨勢與BET比表面變化趨勢相似(圖6b，圖6c)，即隨著隨煤階的增高，BJH總孔體積和吸附量都迅速減小，直至后期出現(xiàn)微弱反彈，而平均孔徑呈現(xiàn)與BET比表面相反的變化趨勢(圖6d)。由于本次研究的煤樣鏡質(zhì)體反射率Ro均小于1.9%，未能完整反映這一反彈趨勢，但是國內(nèi)已有諸多研究表明高煤階微小孔隙十分發(fā)育，故此推斷隨著煤階的進(jìn)一步增高，這一反彈趨勢將更加明顯。隨煤階增高，吸附孔隙的平均孔徑先增大后減小，呈現(xiàn)與BET比表面相反的變化趨勢。筆者推測主要有兩方面原因：其一，對于中低煤階而言，在煤化作用初期，煤階增高，隨著物理壓實(shí)作用和脫水作用的增強(qiáng)，煤中孔隙急劇減少，煤巖變得更加致密，但隨著煤化作用持續(xù)進(jìn)行，有機(jī)質(zhì)生烴而產(chǎn)生大量氣孔，在一定程度上增加了煤巖的可吸附空間；其二，同等吸附孔體積的情況下，煤的吸附能力取決于孔徑分布與孔隙表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，孔徑越小，表面越復(fù)雜，比表面越大，吸附能力越強(qiáng)。

圖6 煤樣各吸附孔隙參數(shù)與煤階的關(guān)系

國內(nèi)外很多學(xué)者將分形理論引入到煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)的研究之中，根據(jù)煤的低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)中相對壓力和吸附量的數(shù)據(jù)計(jì)算煤的吸附孔的分形維數(shù)，并根據(jù)分形維數(shù)探討吸附孔隙結(jié)構(gòu)特征。FHH模型目前被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算煤的吸附孔隙分形維數(shù)。由于多數(shù)實(shí)驗(yàn)樣品的吸/脫附曲線均在相對壓力為0.5左右產(chǎn)生滯后環(huán)，這也反映了在這個(gè)壓力前后所測試的孔隙在大小和形態(tài)上存在較大差異，同時(shí)造成了在此壓力前后存在不同的吸附行為，以相對壓力P/P0=0.5為分界點(diǎn)，分別計(jì)算分形維數(shù)D1(P/P0<0.5)和D2(P/P0>0.5)，前者表示孔隙表面的粗糙復(fù)雜程度，后者表示孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。鄂爾多斯盆地東緣山西組煤層吸附孔隙D1值為2.51～3.0，D2值為2.36～2.79，隨著煤階增高，D1逐漸增大，表明吸附孔隙表面由光滑變粗糙，D2則呈減小趨勢，表明在煤變質(zhì)作用過程中，吸附孔隙空間結(jié)構(gòu)由復(fù)雜逐漸趨于均一(圖7)。

5 結(jié)論

(1)壓汞實(shí)驗(yàn)表明，鄂爾多斯盆地東緣山西組煤中孔隙以微小孔為主，有利于煤層氣的吸附儲集，其次發(fā)育大孔，中孔最不發(fā)育。低溫液氮實(shí)驗(yàn)表明，煤中吸附孔隙主要以微孔和小孔為主，不同地區(qū)孔徑分布差異較大。

圖7 煤的吸附孔隙分形維數(shù)與煤階的關(guān)系

(2)鄂爾多斯盆地東緣山西組煤樣孔隙度較低，為2.7%～7.9%之間，隨著煤階增高，孔隙度呈現(xiàn)“減小～增大～減小”的波狀變化，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為Ro=0.8%和Ro=1.3%左右，推測是由于煤化作用的第一次和第二次躍變所致。

(3)對于中低煤階煤儲層，隨著煤階增高，吸附孔隙孔徑增大，相應(yīng)的BET比表面、BJH總孔體積減小，隨著煤化作用進(jìn)一步增強(qiáng)，微孔增多，兩者出現(xiàn)一定上升趨勢。

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(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))

Physical Properties of the Coal Reservoir and Effects of Coal Rank in Eastern Edge of Ordos Basin

CHEN Yue, TANG Dazhen, XU Hao, TAO Shu, LI Song, WU Sheng

(School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083)

In this paper, the physical properties of the coal reservoir are analyzed in details according to the experimental results of mercury intrusion and low temperature liquid nitrogen adsorption. For further research, the effects of coal rank on physical properties are discussed. The results show that the coal porosity is relatively low, ranging from 2.7% to 7.9%, and shows a wavy variation with coal rank increase. Moreover, the average pore diameter increases at first with coal rank increasing, however, the BET surface area and BJH total pore volume decrease. While the coal rank increases further, the variation trends of average pore diameter, BET surface area and BJH total pore volume reverse.

Ordos Basin; coal reservoir; pore; coal rank

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201311015-01)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(35732015068)

陳躍，男,博士研究生，主要從事煤與煤層氣地質(zhì)研究。