構(gòu)造作用對煤巖孔隙結(jié)構(gòu)及煤層氣擴散方式的影響

張建勛 ，王有智

(1.大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江大慶 163318；2.大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

構(gòu)造作用對煤巖孔隙結(jié)構(gòu)及煤層氣擴散方式的影響

張建勛1，王有智2

(1.大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江大慶 163318；2.大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

構(gòu)造作用不僅對煤巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)具有控制作用，同時影響煤層氣在孔隙中的擴散方式。應用掃描電鏡、低溫氮吸附試驗對海拉爾盆地呼和湖凹陷南部煤巖孔隙結(jié)構(gòu)特征進行系統(tǒng)研究，剖析構(gòu)造作用對孔隙系統(tǒng)及甲烷擴散方式的影響。結(jié)果表明，相對穩(wěn)定的洼槽中部主要發(fā)育原生孔和內(nèi)生裂縫；背斜翼部構(gòu)造變形強度增加，外生孔取代原生孔，外生裂縫的數(shù)量和規(guī)模都顯著增加。背斜翼部孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化速率明顯高于洼槽中部，證實構(gòu)造活動具有復雜化孔隙系統(tǒng)的作用。利用吸附、脫附曲線特征對煤巖孔隙結(jié)構(gòu)特征進行識別，洼槽中部以I型曲線為主，背斜翼部以III型為主。在產(chǎn)氣伊始階段，分子擴散占主導地位；隨著壓力降低，產(chǎn)氣后期洼槽中部煤巖中甲烷分子擴散方式以過渡型擴散為主，背斜翼部煤巖中甲烷分子擴散方式變化不大。

孔隙；裂縫；孔隙結(jié)構(gòu)；擴散方式；呼和湖凹陷

國內(nèi)含煤盆地大多具有復雜的構(gòu)造演化背景,煤體結(jié)構(gòu)受到了不同程度的改造[1-2]。構(gòu)造作用是影響煤層氣成藏的關(guān)鍵因素之一,不僅控制著含煤地層的形成和演化,同時也影響煤層氣生成、富集及產(chǎn)出的全過程[3-5]。隨著煤層氣資源的利用逐漸成熟，構(gòu)造作用對煤儲層的影響研究也從宏觀深入到微觀，在孔隙結(jié)構(gòu)特征和吸附能力方面的認識也得到進一步深化[6]。研究證實，構(gòu)造作用對煤儲層孔隙系統(tǒng)及吸附能力具有一定的控制作用，變形強度越大差異性越突出[7-10]。但煤儲層孔隙特征變化對甲烷擴散方式影響的認識尚顯不足。因此本文以呼和湖凹陷南部洼槽和緩坡帶為研究區(qū)，對白堊系大磨拐河組二段煤層進行系統(tǒng)取樣，利用掃描電鏡、低溫氮吸附等方法對煤層孔隙特征進行研究，探討構(gòu)造作用對孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響及這種影響對甲烷運動方式的改變，明確煤巖儲集能力及煤層氣產(chǎn)出時的運動機理。研究結(jié)論對煤層氣富集區(qū)預測和產(chǎn)能評價具有重要意義。

1 地質(zhì)背景及樣品采集

呼和湖凹陷位于海拉爾盆地東南部，為北東向展布的、東斷西超的箕狀斷陷。呼和湖凹陷東與錫林貝爾凸起相鄰，西與巴彥山隆起相接，北部與伊敏凹陷相連，向南延伸出國界與蒙古國相連[11]。其構(gòu)造演化經(jīng)歷了3個階段[12-14]，即早期斷陷-快速充填階段、中期大幅度沉降-穩(wěn)定沉積階段、晚期回升湖盆萎縮階段，最終形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局。根據(jù)現(xiàn)今構(gòu)造格局將呼和湖凹陷劃分為陡坡帶、緩坡帶和南部洼槽[15](圖1)。

呼和湖凹陷煤層發(fā)育在早白堊世的伊敏組、大磨拐河組和南屯組。大磨拐河組二段(大二段)煤層埋深在600～1200 m之間，深度適中，是目前煤層氣勘探的有利層段。煤巖演化程度介于0.33%～0.43%之間，以褐煤為主；單煤層厚度較大，介于4～8 m之間，最厚超過10 m，累計厚度為20.06～61.60 m，含氣量范圍為0.5～3.07 m3/t，具備良好的煤層氣資源基礎(chǔ)。本次研究共采集15塊煤樣，6塊采自構(gòu)造活躍的背斜翼部，9塊采自構(gòu)造背景穩(wěn)定的南部洼槽(圖1)。

圖1 煤巖樣品構(gòu)造位置

2 煤巖儲集空間類型及特征

2.1 孔隙

前人對煤巖孔隙的分類與成因進行了大量的研究，郝琦[16]將煤巖孔隙劃分為原生粒間孔、植物組織孔、溶蝕孔、氣孔、礦物鑄?？缀途чg孔。朱興珊[17]認為鑄?？缀腿芪g孔均為礦物溶蝕孔，并提出層間孔的概念。本文通過掃描電鏡觀察得到，大二段煤層主要發(fā)育3種孔隙類型(表1)，包括原生孔、外生孔和礦物質(zhì)孔[18]。

表1 呼和湖凹陷大二段煤層孔隙及裂縫類型表

(1)組織孔。成煤植物本身具有的多孔組織在成煤作用下保留在煤中的常見原生孔類型。組織孔呈有序排列，形狀及大小相似，具有明顯的植物組織特征(圖2a)。孔隙之間很少連通，部分被黏土礦物充填，孔隙直徑一般為1～20 μm。受構(gòu)造作用影響，部分組織孔遭到破壞形成殘余組織孔(圖2b)。

(2)屑間孔。煤在演化過程中由于成巖固結(jié)、失水等物理作用導致各種碎屑體之間堆積形成的孔隙(圖2c、2d)。屑間孔多見于褐煤等低演化程度的煤中，形狀不規(guī)則，僅局部發(fā)育，對煤層物性影響不大，孔徑為2～30 μm。

圖2 呼和湖凹陷大二段煤層孔隙類型圖

(3)角礫孔。煤巖受到構(gòu)造作用影響形成的有機質(zhì)角礫之間的孔?？紫督佑|方式為棱角狀，幾乎沒有發(fā)生位移，孔徑為2～10 μm。在洼槽中部的大二段煤層中發(fā)育較多，具有一定的連通性(圖2e)。

(4)碎?？?。煤巖受到較強構(gòu)造破壞作用而形成的有機質(zhì)碎粒之間的孔隙。碎粒呈次棱角狀或次圓狀(圖2f)，部分存在滾動現(xiàn)象，孔徑為0.5～5 μm。構(gòu)造作用越強，碎?？自桨l(fā)育，且碎粒粒級變小，導致孔隙結(jié)構(gòu)復雜化。

(5)晶間孔。在適宜的環(huán)境下，形成于礦物結(jié)晶較好的礦物集合體中的晶間孔隙。方解石、黃鐵礦、高嶺石(圖2g)等礦物晶間孔發(fā)育。晶間孔特征受礦物自身特性控制。

(6)溶蝕孔。煤中的碳酸鹽等易溶礦物在地下水長期作用下溶蝕而產(chǎn)生的孔隙(圖2h、2i)。溶蝕孔的發(fā)育程度與煤層中徑流水的活動程度相關(guān)。

2.2 裂縫

煤巖中裂縫是煤層氣運移的主要通道，對煤層氣的開發(fā)至關(guān)重要。根據(jù)裂縫的成因，將大二段煤層中裂縫劃分為內(nèi)生裂縫和外生裂縫兩種成因類型[19-21](表1)。

(1)失水裂縫。煤的成巖作用階段，在失水、壓實、固結(jié)等物理作用下形成的裂縫。失水裂縫多在褐煤中出現(xiàn)，常見于層面，單條裂縫呈彎曲狀，無方向性，長度不定，多條裂縫可組合形成樹枝狀(圖3a)或裂紋狀，寬度范圍為5～30 μm。

(2)靜壓裂縫。煤巖受到上覆巖層的單向靜壓作用形成的與層理大致垂直的裂縫。靜壓裂縫常見于亮煤條帶和鏡煤中，不穿越組分，裂縫表面平整，形態(tài)短且直，大體呈等間距排列(圖3b)。裂縫開啟程度受到現(xiàn)今地應力的影響，其方向與水平最大主應力相同。靜壓裂縫在中煤階的煤中較為常見，褐煤中較少觀察到。靜壓裂縫的間距受到亮煤條帶厚度的影響，高度和間距隨煤巖厚度變小而變薄、變窄[22-23]。

(3)張性裂縫。在張性應力作用下形成的開啟狀裂縫。張性裂縫形態(tài)各異，直線型(圖3c)、曲線型和折線型(圖3d)均有發(fā)育，相互之間平行或垂直，多條裂縫在一定范圍內(nèi)可形成規(guī)模不等的網(wǎng)狀裂縫；當跨越組分時，裂縫會發(fā)生錯位，開啟程度變小(圖3e)。張性裂縫是煤層中最常見的裂縫，在孔隙之間起到溝通作用，達到改善滲透性的效果。

(4)剪性裂縫。煤巖在剪切應力作用下形成的裂縫。剪性裂縫發(fā)育一組或多組共軛“X”形裂縫，僅有一組剪性裂縫時，可根據(jù)裂縫延伸的長度區(qū)分主裂縫和次裂縫(圖3f)。構(gòu)造背景復雜的煤巖中剪性裂縫比較多見，在一定程度上具有指示古應力的意義。

掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，不同構(gòu)造位置的煤巖孔隙和裂縫類型存在較為明顯的差異。南部洼槽發(fā)育原生組織孔和角礫孔；背斜翼部受到構(gòu)造作用影響，主要發(fā)育殘余組織孔和碎?？?。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是構(gòu)造變形使得煤巖孔隙結(jié)構(gòu)趨于復雜化，裂縫類型多樣化。尤其是背斜翼部出現(xiàn)大量表征層滑動的張性裂縫和剪性裂縫，為孔隙連通搭建橋梁，建立縫網(wǎng)系統(tǒng)，對提高煤層滲透性具有重要意義。

圖3 呼和湖凹陷大二段煤層裂縫類型圖

3 孔隙結(jié)構(gòu)類型及特征

3.1 低溫氮吸附孔隙結(jié)構(gòu)特征

通過低溫氮吸附、脫附試驗結(jié)果可知，呼和湖凹陷洼槽中部煤巖樣品的BET比表面積范圍為3.560～19.718 m2/g，BJH總孔體積為0.011～0.031 mL/g，BJH平均孔直徑為5.428～13.659 nm；背斜翼部煤樣BET比表面積范圍為2.085～55.909 m2/g，BJH總孔體積為0.012～0.061 mL/g，BJH平均孔直徑為3.979～11.834 nm(表2)。相對于洼槽中部，背斜翼部平均微孔體積所占比例由74.772%升高到88.722%，小孔體積所占比例由22.199%降至9.543%，平均孔直徑也由10 nm變?yōu)?.5 nm。從圖4a可以看出，煤巖比表面積和總孔體積具有較好的線性相關(guān)關(guān)系。比表面積與平均孔直徑呈乘冪負相關(guān)關(guān)系，其原因是煤巖孔隙系統(tǒng)改造過程中中、小孔隙最先遭到破壞，出現(xiàn)孔直徑急劇降低而比表面積緩慢增長的現(xiàn)象；隨著構(gòu)造作用的加劇，層間滑動作用增強，小孔進一步遭到破壞，微孔大量出現(xiàn)，比表面積增幅較大。對比發(fā)現(xiàn)，兩個取樣位置煤樣的孔徑分布曲線之間存在明顯差異(圖5)，洼槽中部表現(xiàn)為雙峰，即微孔和小孔均對孔體積有貢獻；而背斜翼部為單峰形態(tài)，表明孔體積貢獻主要來自微孔，孔徑范圍介于2～4 nm之間。說明背斜翼部孔隙系統(tǒng)在構(gòu)造作用下趨于復雜化，比表面積和孔體積增加，為甲烷分子創(chuàng)造了更多的吸附空間。

表2 呼和湖凹陷煤巖低溫氮吸附試驗數(shù)據(jù)表

圖4 大二段煤巖比表面積與總孔體積和平均孔直徑關(guān)系圖

圖5 大二段典型煤樣孔徑分布曲線圖

3.2 孔隙形態(tài)與氮吸附曲線類型

煤儲層中孔隙類型及形態(tài)豐富，必然導致氮吸附曲線和脫附曲線類型多樣，可以利用這種差異判別孔隙形態(tài)特征。系統(tǒng)分析認為研究區(qū)存在3種氮吸附、脫附曲線類型。

(1)類型Ⅰ：在相對壓力(p/p0)介于0～0.5之間時，吸附、脫附曲線處于重疊狀態(tài)；大于0.5時兩條曲線分離，保持相對平行。隨相對壓力緩慢增加，兩條曲線在相對壓力接近1時上升速度加快(圖6a)。該曲線類型說明煤巖中發(fā)育單一孔隙形態(tài)，為一端封閉的半透氣孔(圖7a、7c)。當孔隙發(fā)生毛細凝聚和蒸發(fā)時，氣液兩相界面沒有發(fā)生變化，因此吸附、脫附曲線相對平行。

(2)類型Ⅱ：吸附、脫附曲線出現(xiàn)明顯的滯后環(huán)(圖6b)。顯示孔隙系統(tǒng)較為復雜，多種孔隙形態(tài)并存(圖7b、7d)[21-22]。當孔隙發(fā)生毛細凝聚和蒸發(fā)時，氣液界面不一致，使得相對壓力不等，導致滯后環(huán)出現(xiàn)。

(3)類型Ⅲ：吸附、脫附曲線在相對壓力為0.5處產(chǎn)生急劇下降的拐點(圖6c)。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是墨水瓶孔的大量出現(xiàn)。毛細凝聚初始期會先在其瓶頸處形成吸附層，隨著壓力增加，瓶內(nèi)空間才會逐漸凝聚。當發(fā)生毛細蒸發(fā)時，瓶頸處吸附層阻礙了瓶內(nèi)凝聚液的蒸發(fā)；當相對壓力降到0.5附近時，瓶內(nèi)凝聚液突然釋放，導致產(chǎn)生拐點。

圖6 呼和湖凹陷大二段煤巖氮吸附、脫附曲線類型圖

圖7 不同形狀孔隙及氮吸附試驗時氣—液界面形態(tài)示意圖

不同構(gòu)造位置的煤巖孔隙系統(tǒng)及孔隙形態(tài)的差異性進一步證實了構(gòu)造作用的主導性。洼槽中部煤巖中存在Ⅰ型曲線，說明孔隙形態(tài)以兩端開口圓筒孔和4面開口的平行板狀孔為主，與掃描電鏡下的組織孔發(fā)育相對應。背斜翼部煤巖吸附、脫附曲線以Ⅲ型為主，也存在Ⅱ型，表明多種孔隙形態(tài)并存，但以墨水瓶孔為主，其他孔隙形態(tài)在吸附、脫附曲線上表現(xiàn)的特征可能被掩蓋。根據(jù)BJH求取半徑的方法，計算出相對壓力為0.5時的孔隙直徑為4 nm，說明墨水瓶孔徑在3.3～4.0 nm之間。背斜翼部煤巖中孔隙類型吸附能力較強，對煤層氣吸附有利。

4 煤層氣擴散方式

煤儲層特殊的孔隙結(jié)構(gòu)和煤層氣賦存狀態(tài)決定了其產(chǎn)出存在解吸、擴散和滲流[24]過程。煤巖孔隙結(jié)構(gòu)多樣性決定了煤層氣的產(chǎn)出方式十分復雜，有效識別甲烷在煤儲層中的運動機理對煤層氣規(guī)模開發(fā)具重要指導意義。

4.1 氣體在孔隙中的擴散模型

氣體分子在多孔煤巖中的傳輸方式可以用孔隙平均直徑與氣體分子運動平均自由程的比值Kn進行描述。其公式為：

(1)

式中d——孔隙平均直徑，m；

λ——氣體分子運動的平均自由程，m。

氣體在多孔介質(zhì)中的擴散方式主要包括菲克擴散、諾森擴散和過渡型擴散模式(表3)[25-28]。當Kn≥10時為菲克擴散，孔隙平均直徑遠大于氣體分子運動的平均自由程，這時氣體分子的碰撞發(fā)生在分子間，與孔壁的碰撞機會相對較少，擴散遵循菲克定理[25]；當Kn≤0.1時為努森擴散，氣體分子運動平均自由程大于孔隙平均直徑，氣體分子與孔壁的碰撞較頻繁；當0.1

表3 氣體擴散模式及描述方程表

4.2 甲烷在不同尺度孔隙中的擴散方式

甲烷在孔隙中的擴散方式與孔隙直徑和氣體分子平均自由程有直接關(guān)系。通過恢復兩個構(gòu)造位置氣藏所處的壓力和溫度，分析甲烷氣體擴散方式的動態(tài)變化，剖析構(gòu)造作用對煤層氣產(chǎn)出的影響。根據(jù)煤巖取樣深度范圍(800～1200 m)，計算出儲層溫度范圍為28.32～42.48℃[29-30]，儲層壓力為8～12 MPa。

隨著儲層壓力降低，煤層氣在洼槽中部和背斜翼部煤巖孔隙中的擴散方式存在較大差異[31-33]。在開采早期，洼槽中部煤巖中氣體分子的擴散方式以菲克擴散為主(圖8a)，也同樣存在過渡型擴散現(xiàn)象。這是由于煤巖納米級孔隙中微孔和小孔對孔體積貢獻較大，當壓力較大時，甲烷分子運動的平均自由程較小，Kn大于10，因此小孔中游離甲烷以菲克擴散為主。開采中后期，儲層壓力不斷降低，甲烷分子運動的平均自由程變大，吸附在微孔中的甲烷氣體不斷增加，過渡型擴散成為主導。背斜翼部煤層氣產(chǎn)出方式基本以過渡型擴散為主(圖8b)，這是由于煤巖孔隙以微孔為主，氣體分子運動平均自由程的變化對Kn影響不大。

從圖8c、8d可以看出，兩個構(gòu)造位置的氣藏在相同壓力下的菲克擴散系數(shù)相同，這是因為菲克擴散只與壓力和溫度有關(guān)。當氣體分子處于過渡型擴散模式時，孔隙直徑大小會對擴散系數(shù)產(chǎn)生一定影響，洼槽中部煤巖中小孔發(fā)育，甲烷氣體擴散能力較強。綜合分析認為，在產(chǎn)氣的早中期，兩個氣藏中的甲烷擴散能力相差不大。產(chǎn)氣后期，洼槽區(qū)中部煤巖中甲烷擴散能力逐漸增強，全面超越背斜翼部，對煤層氣的產(chǎn)出有利；而背斜翼部煤巖中甲烷分子擴散能力相對較差，需要通過壓裂改造的方式促進煤層氣解吸。

圖8 孔隙直徑和擴散方式、擴散系數(shù)關(guān)系圖

5 結(jié)論

(1)在構(gòu)造作用影響下，呼和湖凹陷大二段煤儲層儲集空間類型差異性突出。洼槽中部煤巖中主要發(fā)育原生孔，內(nèi)生裂縫較為常見；背斜翼部主要發(fā)育殘余組織孔，張性裂縫逐漸增加。裂縫發(fā)育對提高煤儲層滲透性具有重要意義。

(2)煤巖的孔隙比表面積與總孔體積、平均孔直徑具有較好的相關(guān)性。相對洼槽中部，背斜翼部煤巖總孔體積和平均孔直徑的變化速率快。構(gòu)造作用導致煤儲層孔隙系統(tǒng)復雜化，小孔和中孔被微孔取代，比表面積增大，平均孔徑減小，為甲烷提供了更多的吸附空間。也就是說，洼槽中部的總孔體積主要由微孔和小孔貢獻，而背斜翼部基本由微孔貢獻。

(3)大二段煤巖的低溫氮吸附、脫附曲線表現(xiàn)出3種形態(tài)，代表了不同的孔隙形態(tài)和分布特征。洼槽中部煤巖發(fā)育的孔隙形態(tài)單一，隨著變形程度增加，背斜翼部煤巖的孔隙形態(tài)演化為墨水瓶孔?？紫缎螒B(tài)的復雜化雖有利于氣體吸附，但使解吸難度增加。

(4)基于孔隙系統(tǒng)的差異性，甲烷在背斜翼部和洼槽中部煤巖中的擴散方式也表現(xiàn)出不同特征。開采早中期，兩個構(gòu)造部位的氣藏擴散能力相當；隨著壓力降低，洼槽中部煤巖中甲烷氣體擴散能力明顯強于背斜翼部。孔隙類型和形態(tài)是產(chǎn)生這種差異性的主控因素。

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Influence of Tectonic Action on Coal Petrography Pore Structure and CBM Diffusion Mode

Zhang Jianxun1， Wang Youzhi2

(1.No.2OilProductionPlanofDaqingOilfieldCo.,Ltd.,Daqing,Heilongjiang163318,China； 2.ResearchInstituteofExplorationandDevelopmentofDaqingOilfieldCo.,Ltd.,Daqing,Heilongjiang163712,China)

The tectonic action not only has a controlling effect on the microscopic pore structure of coal petrography, but also affects the diffusion mode of coalbed methane in the pores.Scanning electron microscope and low temperature nitrogen adsorption test are combined to research on types of reservoir spaces and pore structure characteristics of low region and ramp region in Huhehu depression, to analyze the influence of tectonism on pore system, discussing diffusion mode of CH4molecule under different pressure.The results show that types of pore and crack dominated by primary pore and cleating in low region.The ramp region has variety of pore and crack by increasing of deformation grade, dominated by fragmented pore and crack of tension and shear which reflect structural feature, permeability enhancement when the amount of crack increasing.We found that surface to volume ratio and pore volume have a good positive correlation but average pore diameter opposite.The microscopic pore growing in number when pores were destroyed and its surface to volume ratio and pore volume becomes time of growth, therefore heighten coalbed methane adsorptive capacity of coal.Using adsorption and desorption isothermal identify characteristic micropore structure, low region dominated by curve of I type, the ramp region dominated by curve of III type.The pore of ramp region conducive to the adsorption and desorption difficult.The main movement of CH4in pore system is molecular diffusion at early stage of coal reservoir.As the pressure decreases, due to the difference of pore structure, substituting transition zone flow for molecular diffusion at late stage in low region, the diffusion mode changed little in ramp.

pores; cracks; pore structure; diffusion mode; Huhehu depression

中石油重大科技專項“煤層氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范工程”(2010E-2201)與中石油科技攻關(guān)資助項目“大慶探區(qū)非常規(guī)油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與現(xiàn)場試驗”(2012E-2603)聯(lián)合資助。

張建勛(1989—)，男，本科，助理工程師，主要從事油氣田開發(fā)方面研究。郵箱：zhangjianxun@petrochina.com.cn.

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