二連盆地低階煤儲層物性特征及評價體系研究

李 玲 姚海鵬 李 正 李鳳春 林海濤

(1.內蒙古自治區(qū)煤田地質局，內蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010000； 2.內蒙古自治區(qū)非常規(guī)天然氣工程技術研究中心，內蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010000； 3.內蒙古煤勘非常規(guī)能源有限責任公司，內蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010000)

二連盆地煤層氣已成為低階煤層氣勘探開發(fā)的重點和熱點區(qū)之一，但目前勘探開發(fā)程度較低，僅在吉爾嘎朗圖凹陷取得突破。煤層氣儲層物性研究是煤層氣勘探開發(fā)的重要組成部分，是煤層氣的勘探選區(qū)、井位選擇及設計、井網布置、完井方案的基礎。很多學者根據關鍵參數對煤儲層進行了定性或者定量研究，建立了孔隙系統(tǒng)模型或多層次模糊綜合評價體系，但多數集中在高階煤儲層，尚未建立低階煤儲層評價體系。

煤儲層物性研究是分析中低階煤層氣必不可少的部分，對后續(xù)煤層氣的勘探開發(fā)至關重要。本次煤巖樣品主要來自二連盆地霍林河、白音華和吉爾嘎朗圖凹陷露天礦和鉆井巖心。借助工業(yè)分析、低溫液氮、壓汞、顯微裂隙、掃描電鏡、核磁共振等實驗室測試手段，分析煤儲層的成煤植物、環(huán)境，納米級、微米級、厘米級的孔隙結構、形態(tài)、成因以及孔滲特征等儲層參數，建立二連盆地低階煤儲層物性評價體系，為本區(qū)煤層氣有利層位優(yōu)選和勘探開發(fā)提供地質依據。

1 二連盆地煤巖特征

1.1 巖石學特征

煤儲層巖石學特征是煤層氣生成及后期產能的重要影響因素。二連盆地煤樣品鏡質體反射率(Ro)在0.34%～0.54%之間，平均值為0.42%，屬于褐煤、長焰煤，煤巖成熟度低，煤層產氣能力較低。

二連盆地煤樣品主要發(fā)育木質煤和碎屑煤，其他類型較少。顯微組分以腐植組為主，惰質組和穩(wěn)定組較少。腐植組含量在68.9%～98.8%之間，平均值為88.78%，惰質組含量在0.3%～29.7%之間，平均值為6.97%，穩(wěn)定組含量在0.2%～13.1%之間，平均值為4.25%，煤中有機組分占96.2%～99.2%，平均值為97.62%，如表1所示。

表1 二連盆地煤顯微組分定量分析結果表

1.2 煤相特征

煤相即煤原始成因類型，取決于成煤植物群落和泥潭的聚集方式、覆水條件等。煤相研究對恢復成煤的沉積環(huán)境、分析不同煤巖類型和煤中礦物質的分布規(guī)律及其成因具有重要意義。

本次研究主要采用凝膠化指數(GI)、植物保存指數(TPI)、植被指數(VI)、骨基比(F/M)、地下水指數(GWI)來分析煤相特征。

(1)GI-TPI煤相圖。凝膠化指數(GI)、植物保存指數(TPI)是由Dissel(1986)提出的用來指示成煤條件的參數，是研究成煤沼澤類型主要參數，TPI>1表示成煤植物以木本為主，TPT<1表示成煤植物以草本植物為主，表示一種極端干燥的氧化或極端潮濕的成煤環(huán)境；GI值越大表示成煤環(huán)境越潮濕且沼澤覆水也較深，GI值越小反映成煤環(huán)境相對干燥且沼澤覆水淺。按照本次參數點落的位置，二連盆地發(fā)育4種沼澤類型：較深覆水森林沼澤、低位沼澤、較淺覆水森林沼澤及潮濕森林沼澤，如圖1所示。

(2)GWI-VI圖和GWI-F/M圖。地下水流動指數(GWI)反映地下水對成煤泥炭沼澤的控制程度、礦物含量及水位變化，植被指數(VI)反映成煤植物及其保存程度，骨基比(F/M)反映水流活動性強弱。二連盆地GWI-VI圖、GWI-F/M圖見圖2和圖3。由圖2和圖3可知，二連盆地總體騰格爾組覆水較深，成煤植物以木本為主；賽漢塔拉組覆水較淺，局部地區(qū)或層系成煤植物以草本植物為主。成煤期水動力環(huán)境總體為滯留環(huán)境，局部地區(qū)成煤環(huán)境為徑流環(huán)境。

圖1 二連盆地GI-TPI煤相圖

圖2 二連盆地GWI-VI圖版

圖3 二連盆地GWI-F/M圖版

2 不同尺度低階煤儲層孔隙結構及成因

2.1 納米級孔隙結構分析

納米級孔隙結構、形態(tài)研究主要通過低溫液氮測試和壓汞測試來分析，前者分析孔徑小于20 nm的微孔、小孔分布，后者測定稍大的中孔和大孔的孔徑分布、孔隙結構。

(1)低溫液氮分析。低溫液氮吸附法是判定孔隙結構、孔隙形態(tài)和研究細小微孔有效方法之一，通過觀察吸附曲線和脫附曲線的重疊關系而得到的吸附回線，能夠判定孔隙結構和孔隙形態(tài)類型，同時利用BET模型和BJH模型分別求出煤樣孔隙比表面積及總孔體積。本次對二連盆地24個煤樣進行低溫液氮試驗，獲得3種吸附、脫附曲線類型，如圖4所示。圖中類型I為無回線型，曲線無回線或回線微弱，孔隙類型一端封閉的平行板狀孔或圓柱孔、錐形或楔形孔；類型II具有明顯滯后環(huán)型，孔隙類型為細瓶頸孔；類型III呈微弱滯后環(huán)型，其吸附—脫附曲線比類型I分離幅度大，同時吸附—脫附曲線存在微弱的滯后環(huán)，該類型曲線代表典型的“雙峰”孔隙結構，即小孔和微孔含量均較高，該種煤樣一般孔體積較大，而比表面積較小，同時兩者的相關性差。

研究區(qū)不同煤巖類型煤樣以小孔和微孔為主；小孔段和微孔段體積分別占總孔體積的69.93%和24.95%，小孔段和微孔段比表面積分別占總比表面積的39.07%和60.39%，如表2所示。

(2)壓汞法測試分析。壓汞測試結果顯示煤巖樣品排驅壓力均為0.01 MPa，排驅壓力小，表明滲流孔比例較大；孔喉半徑均值為1.69～18.01 μm，平均為12.64 μm；最小非飽和孔隙體積為0.1%～84.7%，平均為37.31%，表明孔隙結構較復雜；退汞效率分布于9.6%～32.7%，平均為13.21%。

圖4 二連盆地典型煤樣低溫液氮吸附等溫線

樣品編號煤巖類型總孔體積/ml·g-1各孔徑段體積比/%中孔小孔微孔BET比表面積/m2·g-1各孔徑段表面積比/%中孔小孔微孔平均孔徑/nmJDE4(1)木質煤0.00606.3674.5119.131.28300.7440.7458.5218.72JDE4(2)木質煤0.00696.6174.8518.541.23450.7943.0956.1222.34JDE5(1)碎屑煤0.01434.1582.5813.273.18230.5449.6049.8717.97JDE5(2)碎屑煤0.01833.2979.7117.014.29600.4045.9353.6717.06JDE6(1)木質煤0.01145.6482.3512.012.96400.8150.9648.2315.40JDE6(2)木質煤0.01196.0982.9910.922.70460.8052.0347.1717.53JXY6-2(1)木質煤0.00695.7781.7212.511.26340.8760.2038.9321.83JXY6-2(2)木質煤0.01253.7080.9115.392.33290.5152.9546.5421.47J2-2(1)碎屑煤0.03473.0364.4632.529.25190.2631.6868.0714.99J2-2(2)碎屑煤0.04811.1566.3132.5414.67450.0927.6572.2613.12J2-3(1)碎屑煤0.07261.1070.2028.7020.98920.0934.4765.4413.84J2-3(2)碎屑煤0.02521.9056.2441.867.43100.1426.3873.4813.55J2-6(1)碎屑煤0.06350.9436.9262.1428.85650.0511.0488.918.81J2-6(2)碎屑煤0.041622.0145.2232.7620.82711.9120.2878.197.99

壓汞曲線發(fā)育4類，如圖5所示。類型I孔隙結構好，排驅壓力小，孔喉半徑均值大于12 μm，進汞飽和度高，在75%～95%之間，最小非飽和孔隙體積一般小于25%。這種類型曲線呈兩段式或非典型三段式，孔隙連通性較好，該類孔隙對煤層氣的富集和產出非常有利。類型II孔隙結構發(fā)育一般，排驅壓力小，孔喉半徑均值大于14 μm，累計進汞飽和度高，介于60%～70%，最小非飽和孔隙體積介于20%～40%。壓汞曲線呈典型的三段式，表明微孔、小孔、中孔、大孔均發(fā)育，且中孔含量較高。退汞效率較高，孔隙連通性較好。類型III排驅壓力小，孔喉半徑均值最小為9 μm，累計進汞飽和度較低，介于30%～50%，最小非飽和孔隙體積較大，在40%～70%之間。壓汞曲線呈兩段式結構，表明中孔和大孔較發(fā)育，而小孔和微孔不發(fā)育。退汞效率較高，反映了孔隙結構不均勻，連通性較差。類型IV排驅壓力大，孔喉道半徑均值小于9 μm，累計進汞飽和度小于20%，最小非飽和孔隙體積大于70%，表明此類孔隙以大孔和微小孔為主，中孔不發(fā)育，孔隙結構復雜，排驅效率低，利于煤層氣儲集，不利于產出。

整體而言二連盆地煤巖主要發(fā)育I、II、III類孔隙類型，以大孔和中孔為主，孔隙連通性較好，如表3所示。

圖5 二連盆地壓汞曲線類型圖

樣號排驅壓力Pd/MPa最小非飽和孔隙體積Smin/%最大連通孔喉半徑Rd/μm孔喉半徑均值Rm/μm曲線類型HZ3-1(1)0.0140.19.1216.56IIH2-30.0584.70.231.69IVH2-20.0184.00.188.22IVHZ1-1(1)0.0166.41.769.95IIIHB3-1(1)0.0147.45.7315.60IIIHB3-1(2)0.0147.34.6015.90IIIHY21(1)0.0156.41.2010.17IIIHB3(1)0.0123.011.914.40IHY21(2)0.0153.77.209.84IIIJDE4(1)0.0121.88.2016.75IIJDE50.011.014.7011.87IJDE6(1)0.010.113.6012.41IJXY6-2(1)0.010.112.4014.08IJXY6-2(2)0.013.015.4018.01I

2.2 微米級孔隙成因

掃描電鏡是直觀觀察微米級孔隙成因類型、孔裂隙特征和礦物大小及形態(tài)的有利工具之一，為研究煤層氣的生成、富集、保存提供更為詳細的微觀資料支持。

通過掃描電鏡鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，二連盆地煤儲層主要發(fā)育植物組織孔、礦物粒間孔(粘土礦物、脆性礦物)、晶間孔、有機質(氣)孔、溶蝕孔等類型。植物組織孔大小均一、排列有序，孔隙多被礦物質部分充填。氣孔在鏡質組中最發(fā)育，其大小不一、排列無序。外形多為渾圓狀、管狀，一般不被次生礦物充填。溶蝕孔由煤中可溶礦物質在地下水循環(huán)中形成。晶間孔是指原生礦物或次生礦物晶粒間的孔隙。粒間孔是成巖作用過程中煤物質顆粒壓實脫水后仍保留下來的孔隙，這類孔隙褐煤中最多，孔徑最大，形態(tài)各異、大小不等，如圖6所示。

圖6 掃描電鏡下的孔隙特征

2.3 厘米級孔裂隙特征

通過鏡下觀測，二連盆地煤層中主要發(fā)育割理、剪性外生裂隙、張性外生裂隙、溶蝕裂隙等。煤儲層主裂隙長度平均為0.26 cm，平均高度0.33 cm，平均寬度11.5 μm，平均密度16條/cm；次裂隙長度平均為0.16 cm，平均高度0.31 cm，平均寬度6.25 μm，平均密度7條/cm。裂隙參數顯示煤層裂隙的發(fā)育極高和連通性中等，對煤層氣的運移和開采比較有利，如表4所示。

3 孔滲性特征

二連盆地煤巖樣品孔隙度在10.67%～38.46%之間，平均值為24.35%，主要集中在10%～25%之間。

煤儲層孔隙度與煤的變質程度、礦物含量有關。研究區(qū)煤巖鏡質體反射率(Ro)均小于0.45%，屬于低階煤中的褐煤。隨著Ro的增高，孔隙度整體呈現(xiàn)降低的趨勢。這是因為在低階煤范圍內，孔隙主要為原生大孔隙，含有大量的羥基和羧基官能團，孔隙度較大。隨著Ro增高，煤中的原生大孔隙急劇減少，熱變氣孔逐漸增多，相對于微孔的增加，大孔的減少占絕對優(yōu)勢，因此低階煤孔隙度隨Ro的增大而降低。煤的灰分是煤中礦物質的衍生物，雖然不是煤中的固有組分，但在一定程度上反映礦物含量的高低。試驗數據顯示煤孔隙度與灰分含量呈負相關的關系，這主要是礦物質充填了部分孔隙而使孔隙度降低，如圖7所示。

圖7 孔隙度與鏡質體反射率及灰分的關系圖

研究區(qū)滲透率數據較少，根據吉爾嘎朗圖凹陷煤層氣井注入壓降測試滲透率在0.1～4 mD之間，總體滲透率較低，這與孔隙以大孔和中孔為主相矛盾，推測為孔隙結構復雜，連通性差導致滲透率低。

4 孔隙分形維數分析

分形的重要特征是自相似性，定量描述這種具有自相似性研究對象的參數成為分形維數。本次研究采用FHH模型方法。根據分形幾何理論，在三維歐氏空間內分形維數在2～3之間，越接近2說明孔隙表面越光滑，儲層的儲集性能越好；分形維數值越接近3，說明孔隙表面越不光滑，儲層的儲集性能越差；若大于3，說明該孔隙在該尺寸范圍內不具有分形結構。巖樣的分形維數反映了孔喉分布結構性，分形維數越大，其微觀孔隙結構非均質性越強。

二連盆地煤巖分形維數主要分布在2.46～2.64，煤巖孔隙結構復雜程度中等，具有部分復雜孔隙結構，如圖8所示。

圖8 二連盆地煤樣典型FHH曲線圖

5 二連盆地低階煤儲層評價體系

在綜合分析以上測試化驗數據的基礎上，建立了二連盆地低階煤儲層物性評價體系。由煤相特征和儲層評價參數兩大部分組成，前者包括成煤植物、水動力條件、組織孔保存條件和凝膠化指數，后者包括孔滲特征、孔徑分布、孔隙填充、孔隙形態(tài)、排驅壓力、孔喉半徑均值、累計進汞飽和度、最小非飽和孔隙體積、分形維數。具體評價標準見表5。

表5 二連盆地低階煤儲層物性評價標準

二連盆地低階煤儲層根據煤相參數和儲層參數分為I、II、III共3類儲層，其中，I類儲層成煤植物以木本植物為主，處于滯留水動力環(huán)境，組織孔保存較好(F/M>1)，凝膠化指數大于10，孔隙度大于15%，滲透率大于1 mD，小孔、中孔、大孔均發(fā)育，孔隙無充填，以開放孔為主，排驅壓力小，孔喉半徑均值大于12 μm，累計進汞飽和度大于60%，最小非飽和孔隙體積小于40%，分形維數小于2.5；II類儲層在成煤植物、水動力條件、組織孔保存條件、孔滲特征、分形維數5個參數上與I類儲層相似，其他參數低于I類儲層，凝膠化指數大于5，以半開放小孔為主，孔隙有充填，排驅壓力較小，孔喉半徑均值大于9 μm，累計進汞飽和度20%～60%，最小非飽和孔隙體積40%～70%；低于I類、II類儲層參數的均為III類煤儲層。

本次建立的低階煤儲層物性評價標準是在大量試驗測試數據的基礎上，通過對比分析建立起來的，對于煤層氣勘探開發(fā)程度低、儲層物性數據較少的二連盆地具有較強的適用性和應用性。

6 結論

二連盆地煤巖樣品以低階煤中的褐煤、長焰煤為主，宏觀煤巖類型主要為木質煤和碎屑煤。發(fā)育4種沼澤類型：較深覆水森林沼澤、低位沼澤、較淺覆水森林沼澤及潮濕森林沼澤，成煤期水動力環(huán)境總體為滯留環(huán)境，局部地區(qū)為徑流環(huán)境。二連盆地發(fā)育納米級、微米級、厘米級3種尺度孔裂隙，發(fā)育無回線型、明顯滯后環(huán)型、微弱滯后環(huán)型3種孔隙形態(tài)，4種孔隙結構類型，大中孔為主，分形維數較高，孔隙結構較復雜，煤巖孔隙度較高，滲透率低。根據試驗測試分析總結出13個評價參數，即成煤植物、水動力條件、組織孔保存條件、凝膠化指數、孔滲特征、孔徑分布、孔隙充填、孔隙形態(tài)、排驅壓力、孔喉半徑均值、累計進汞飽和度、最小非飽和孔隙體積、分形維數，對于煤層氣勘探開發(fā)程度低、儲層物性數據較少的二連盆地具有較強的適用性和應用性。