二連盆地群低煤階煤儲(chǔ)層孔隙發(fā)育特征研究

劉建華，王生維，粟冬梅

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽(yáng)泉045000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，湖北 武漢430074；

3.北京中公教育科技有限公司，四川 成都610000）

相較于煤層氣開發(fā)比較成熟的沁水盆地煤儲(chǔ)層 煤變質(zhì)程度高、吸附量大、煤層壓力低、煤層滲透率低和煤層氣飽和度低的特點(diǎn)，二連盆地煤儲(chǔ)層物性特征更類似于美國(guó)粉河盆地煤儲(chǔ)層，具有煤變質(zhì)程度低（多為褐煤）、吸附量較小、煤層滲透率較大、含氣飽和度高的特點(diǎn)[1-2]?，F(xiàn)階段，對(duì)于低煤階煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的研究主要針對(duì)地區(qū)有沁水盆地、陜北、鄂東、準(zhǔn)東等。羅磊（2015）等結(jié)合煤巖學(xué)測(cè)試、核磁共振和低溫氮吸附試驗(yàn)，探明了準(zhǔn)東地區(qū)低階煤的儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)特征[3]。王鏡惠（2019），基于火柴棍模型，推導(dǎo)了鄂東區(qū)新的中、低煤巖孔隙結(jié)構(gòu)分形特征[4]。黃婷（2019）等，采用掃描電鏡電子成像技術(shù)和低溫液氮吸附試驗(yàn)分析方法，研究探討了沁水盆地煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征及其影響因素[5]。楊甫（2020）等利用壓汞、液氮吸附和CO2吸附等測(cè)試手段表征陜北地區(qū)低階煤儲(chǔ)層的孔徑分布、孔隙類型等參數(shù)，聯(lián)合核磁共振測(cè)試定量分析低階煤階段孔徑和多尺度孔徑分布特征[6]。而對(duì)于以二連盆地群為代表的低煤階煤儲(chǔ)層孔隙研究缺乏。二連盆地群各煤層普遍發(fā)育，主要分布在白堊系下統(tǒng)的巴彥花組中，以低煤階褐煤為主，煤層的氣測(cè)異常普遍存在，煤層氣資源豐富，是我國(guó)低煤階煤層氣勘探的有利選區(qū)[7-10]。位于二連盆地群最東端的霍林河盆地和白音華盆地是二連及海拉爾地區(qū)煤層氣勘探前景最好的地區(qū)之一。二連盆地群中各盆地地質(zhì)條件類似，研究霍林河盆地和白音華盆地煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)于二連盆地群低煤階煤儲(chǔ)層煤層氣勘探開發(fā)也具有重要意義。基于此，以二連盆地群霍林河盆地和白音華盆地低煤階煤儲(chǔ)層為研究對(duì)象，通過(guò)精細(xì)分析研究區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙發(fā)育特征和對(duì)煤層氣吸附解吸的影響，以期為后續(xù)煤層氣工程開發(fā)提供參考。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外煤孔隙的孔徑結(jié)構(gòu)分類方案較多，研究采用Χoдoт 十進(jìn)制分類系統(tǒng)，即孔徑大于1 000 nm 的為大孔，100～1 000 nm 為中孔，10～<100 nm 為小孔，小于10 nm 為微孔[5]。

1 煤儲(chǔ)層特征及樣品采集說(shuō)明

霍林河盆地下含煤段為該盆地的主要含煤層段，共含煤23 層，經(jīng)內(nèi)蒙古472 地質(zhì)隊(duì)劃分組合為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4 個(gè)煤組。研究主要涉及Ⅲ煤組和Ⅳ煤組。白音華盆地含煤地層為白堊系下統(tǒng)白音華組（對(duì)應(yīng)巴彥花組）的第3 段（K1b3）。研究主要涉及3煤組3-1 煤層。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研主要觀測(cè)了霍林河盆地Ⅳ煤組儲(chǔ)層（北露天一號(hào)礦坑）、Ⅲ煤組ⅢA 煤儲(chǔ)層（扎哈淖爾礦坑）及白音華盆地3 煤組3-1 煤儲(chǔ)層（白音華二號(hào)礦坑），共采集28 煤樣（包括5 個(gè)構(gòu)造附近煤樣）。北露天一號(hào)礦坑共采集Ⅳ煤組儲(chǔ)層8 個(gè)煤樣（包括1個(gè)礦化煤樣），以字母“BL”開頭編號(hào)（BL01～BL08）；扎哈淖爾礦坑共采ⅢA 煤儲(chǔ)層煤樣11 個(gè)（包含5 個(gè)構(gòu)造附近煤樣），以字母“ZH”開頭編號(hào)（ZH01～ZH11）；白音華二號(hào)礦坑共采3-1 煤儲(chǔ)層煤樣9 個(gè)，以字母“BYH”開頭編號(hào)（BYH01～BYH09）。

1.1 霍林河盆地煤儲(chǔ)層物性特征

北露天礦區(qū)主要觀測(cè)到霍林河下含煤段Ⅳ組煤，煤巖多為褐黑色，瀝青光澤或暗淡光澤，斷口可見貝殼狀及階梯狀斷口，多為參差狀斷口，透鏡狀、條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。煤巖類型以木質(zhì)煤與碎屑煤為主，礦化煤呈透鏡狀局部分布，未見絲炭煤。

煤境質(zhì)組最大反射率Romax為0.277%～0.325%，平均0.301%，煤巖等級(jí)分類為褐煤。顯微組分鏡質(zhì)組75.85%～91.01%，平均85.92%；惰性組0.74%～18.16%，平均5.84%；殼質(zhì)組0～0.76%，平均0.22%。為低灰分產(chǎn)率、中等揮發(fā)分、高全水分煤，霍林河盆地Ⅳ組煤巖樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 霍林河盆地Ⅳ組煤巖樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of coal rock samples of group IV in Huolinhe Basin

扎哈淖爾礦區(qū)主要觀測(cè)到ⅢA 煤層，煤巖多為褐黑色，絲絹光澤或暗淡光澤，斷口可見貝殼狀及階梯狀斷口，多為參差狀斷口，透鏡狀、條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀-均一狀構(gòu)造，煤巖類型以碎屑煤和絲炭煤為主，含少量木質(zhì)煤。煤境質(zhì)組最大反射率Romax為0.303%～0.398%，平均0.351%，煤巖等級(jí)分類為褐煤。顯微組分鏡質(zhì)組41.01%～98.88%，平均72.17%；惰性組0.75%～57.06%，平均22.62%；殼質(zhì)組0～0.77%，平均0.19%，為低灰分產(chǎn)率、中等揮發(fā)分、高全水分煤。霍林河盆地ⅢA 煤層煤巖樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2。

表2 霍林河盆地ⅢA 煤層煤巖樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Basic data of coal rock samples of ⅢA coal seam in Huolinhe Basin

1.2 白音華盆地煤儲(chǔ)層物性特征

白音華二號(hào)礦坑觀測(cè)點(diǎn)可見3-1 煤層上部，煤巖多為褐黑色，暗淡的瀝青光澤或暗淡光澤，斷口可見貝殼狀及階梯狀斷口，多為參差狀斷口，透鏡狀、條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，煤巖類型以碎屑煤和木質(zhì)煤為主，少量絲炭煤。煤境質(zhì)組最大反射率Romax為0.263%～0.284%，平均0.274%，煤巖等級(jí)分類為褐煤。顯微組分鏡質(zhì)組85.88%～96.78%，平均90.83%；惰性組1.72%～7.45%，平均3.89%；殼質(zhì)組0 ～0.19%，平均0.05%。為低中灰分產(chǎn)率、中高揮發(fā)分、高全水分煤，白音華盆地3-1 煤層煤巖樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表3。

表3 白音華盆地3-1 煤層煤巖樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 3 Basic data of coal rock samples of 3-1 coal seam in Baiyinhua Basin

2 煤儲(chǔ)層孔隙發(fā)育特征

2.1 壓汞曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究區(qū)壓汞曲線可劃分為A、B、C 3 種類型，研究區(qū)壓汞曲線類型圖如圖1。

圖1 研究區(qū)壓汞曲線類型圖Fig.1 Type chart of mercury injection curves in the study area

1）A 類以研究區(qū)BYH01、BYH06、BL08、ZH08樣品壓汞曲線為代表。A 類壓汞曲線特點(diǎn)為：開始時(shí)在低壓下進(jìn)汞緩慢，壓力10～1 000 psia 之間（1 psia=0.006 895 MPa），進(jìn)汞量隨壓力的增大增加更為緩慢。壓力達(dá)到1 000 psia 后，進(jìn)汞量與壓力呈線正向線性關(guān)系迅速增多，進(jìn)汞飽和度平均在60%左右。退汞曲線明顯分離于進(jìn)汞曲線，退汞效率平均達(dá)到35%左右。A 類曲線類型反映的孔隙特點(diǎn)是：小微孔尤其發(fā)育，大孔次之，中孔較不發(fā)育，孔隙間的連通性一般，對(duì)煤層氣的儲(chǔ)集較為有利。

2）B 類 以 研 究 區(qū)BYH03、BYH09、ZH01、ZH07樣品壓汞曲線為代表。B 類壓汞曲線特點(diǎn)為：開始時(shí)在低壓下進(jìn)汞緩慢，壓力1～1 000 psia 之間，進(jìn)汞量隨壓力的增大增加更為緩慢。壓力達(dá)到1 000 psia后，進(jìn)汞量與壓力呈線正向線性關(guān)系迅速增多，但進(jìn)汞速率比A 類略低，進(jìn)汞飽和度平均在65%左右。退汞曲線明顯分離于進(jìn)汞曲線，退汞效率平均達(dá)到30%左右。B 類曲線類型反映的孔隙特點(diǎn)是：小微孔及大孔較發(fā)育，孔隙喉道較集中，孔隙連通性較好，對(duì)煤層氣的儲(chǔ)集和解吸滲流均較為有利。

3）C 類以研究區(qū)BL01、BL03、ZH03 樣品壓汞曲線為代表。C 類壓汞曲線特點(diǎn)為：壓力1～100 psia之間，進(jìn)汞量隨壓力的增而緩慢增加。壓力達(dá)到100 psia 后，進(jìn)汞量與壓力呈線正向線性關(guān)系迅速增多，進(jìn)汞飽和度平均在58%左右。退汞曲線明顯分離于進(jìn)汞曲線，退汞效率平均達(dá)到25%左右。C 類曲線類型反映的孔隙特點(diǎn)是：小微孔、中孔及大孔均發(fā)育，細(xì)喉道分布較多，孔隙多以細(xì)頸瓶孔為主，孔隙連通性較差，不利于煤層氣的儲(chǔ)集和解吸。

霍林河盆地煤儲(chǔ)層樣品壓汞曲線類型A、B、C 3類均有發(fā)育，總體上看，Ⅳ組煤C 類壓汞曲線類型較多見，表明霍林河盆地Ⅳ組煤儲(chǔ)層中孔及大孔較發(fā)育，小微孔較不發(fā)育，細(xì)喉道分布較多，孔隙連通性較差，不利于煤層氣的儲(chǔ)集。ⅢA 煤B 類壓汞曲線類型較多見，表明ⅢA 組煤儲(chǔ)層小微孔及大孔較發(fā)育且大孔半徑較大，中孔較不發(fā)育，孔隙喉道較集中，孔隙連通性相對(duì)Ⅳ組煤較好，有利于煤層氣的儲(chǔ)集和解吸滲流。

1309 長(zhǎng)鏈非編碼 RNA-8439 促進(jìn)肝癌細(xì)胞多能因子 nanog 的表達(dá) 胡貽雋，劉淑鵬，程 凱，徐貴霞，胡晶晶，劉善榮

白音華盆地3-1 煤儲(chǔ)層樣品壓汞曲線類型A、B 2 類均有發(fā)育，總體上小微孔及大孔較發(fā)育，中孔較不發(fā)育，孔隙間的連通性較好，對(duì)煤層氣的儲(chǔ)集和產(chǎn)出較為有利。

2.2 孔徑分布特征

2.2.1 霍林河盆地孔徑分布特征

霍林河盆地Ⅳ煤組儲(chǔ)層孔隙發(fā)育特征表現(xiàn)為小微孔、中孔、大孔均勻發(fā)育：其中小微孔最為發(fā)育，占總孔隙百分比為25.04%～69.54%，平均占比40.95%；其次為大孔，占總孔隙百分比為18.24%～38.43%，平均占比31.13%；中孔占總孔隙百分比最低，為12.22%～38.24%，平均占比27.92%，三者占比相差不大?；袅趾优璧丌裘航M和ⅢA 煤儲(chǔ)層孔隙類型分布圖如圖2。不同孔徑段孔隙對(duì)孔容的貢獻(xiàn)不同，Ⅳ組煤儲(chǔ)層孔隙中孔徑10～100 nm 的小孔和孔徑100～1 000 nm 的中孔對(duì)孔容貢獻(xiàn)最大，且二者相差不大，其次孔容主要由孔徑大于1 000 nm 的大孔提供。BL01 孔徑-孔容分布圖如圖3。

圖2 霍林河盆地Ⅳ煤組儲(chǔ)層和ⅢA 煤儲(chǔ)層孔隙類型分布圖Fig.2 Pore type distribution of coal seam Ⅳand ⅢA in Huolinhe Basin

圖3 BL01 孔徑-孔容分布圖Fig.3 BL01 pore size - pore volume distribution

ⅢA 煤儲(chǔ)層孔隙發(fā)育特征表現(xiàn)為小微孔、大孔發(fā)育，中孔較不發(fā)育。ⅢA 煤儲(chǔ)層孔隙發(fā)育除了ZH03 小微孔異常不發(fā)育外，其他樣品孔隙發(fā)育分布特征都具有微小孔最為發(fā)育且占比約60%，大孔較為發(fā)育且占比約30%左右，中孔較不發(fā)育且占比在10%左右的特征，結(jié)合野外采樣情況，推測(cè)是由于ZH03 號(hào)樣品取自斷層附近的受構(gòu)造影響較大的煤儲(chǔ)層，結(jié)構(gòu)破碎，微裂隙較發(fā)育。ⅢA 煤儲(chǔ)層孔隙小微孔最為發(fā)育，占總孔隙百分比為14.91%～59.83%，平均占比46.36%；其次為大孔，占總孔隙百分比為30.51%～38.44%，平均為33.46%；中孔占總孔隙百分比最低，為8.89%～46.65%，平均占比20.19%。ZH07 孔徑-孔容分布圖如圖4，ⅢA 煤儲(chǔ)層孔隙中孔徑小于100 nm 的小微孔對(duì)孔容貢獻(xiàn)最大，其次孔容主要由孔徑大1 000 nm 的大孔提供，孔徑100～1 000 nm 的中孔對(duì)孔容貢獻(xiàn)最小。

圖4 ZH07 孔徑-孔容分布圖Fig.4 ZH07 pore size - pore volume distribution

2.2.2 白音華盆地孔徑分布特征

白音華盆地3-1 煤儲(chǔ)層孔隙發(fā)育特征表現(xiàn)為小微孔、大孔發(fā)育，中孔較不發(fā)育，白音華盆地3-1 煤儲(chǔ)層孔隙類型分布圖如圖5。

其中小微孔最為發(fā)育，占總孔隙百分比為44.79%～69.64%，平均占比58.21%；其次為大孔，占總孔隙百分比為20.83%～35.67%，平均為26.78%；中孔占總孔隙百分比最低，為7.75～22.45%，平均占比15.02%。3-1 煤儲(chǔ)層孔隙中孔徑小于100 nm 的小微孔對(duì)孔容貢獻(xiàn)最大，其次孔容主要由孔徑大于1 000 nm 的大孔提供，孔徑100～1 000 nm 的中孔對(duì)

圖5 白音華盆地3-1 煤儲(chǔ)層孔隙類型分布圖Fig. 5 Pore type distribution in Baiyinhua Basin of 3-1 coal reservoir

圖6 BYH01 孔徑-孔容分布圖Fig. 6 BYH01 pore size - pore volume distribution

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)類型

基于孔隙孔徑分布比例及孔徑對(duì)煤層氣儲(chǔ)集和滲流的作用，把煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分為4 種類型：

1）滲流型Ⅰ。大中孔比例大于50%，煤儲(chǔ)層中大中孔為滲流孔，大中孔比例較大有利于煤儲(chǔ)層運(yùn)移和產(chǎn)出。

2）吸附型Ⅱ。微小孔比例大于50%，微孔是煤儲(chǔ)層中的主要煤層氣儲(chǔ)集場(chǎng)所，小孔又稱過(guò)渡孔，是煤層氣解吸和擴(kuò)散的主要區(qū)域，小微孔發(fā)育有利于煤儲(chǔ)層中煤層氣的儲(chǔ)集和煤層氣開發(fā)過(guò)程中煤層氣的解吸。

3）開放型O。進(jìn)汞飽和度高，退汞效率較高，各類孔隙均衡發(fā)育，孔隙間連通性較好，有利于煤儲(chǔ)層運(yùn)移和產(chǎn)出。

4）封閉型C。進(jìn)汞飽和度較低，退汞效率較低，中孔、小孔比例較小，孔隙間連通性較差，不利于煤儲(chǔ)層運(yùn)移和產(chǎn)出。

經(jīng)過(guò)基于上述標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)，將研究區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)類型劃分為ⅡC 封閉吸附型、ⅡO 開放吸附型、ⅠC封閉滲流型、ⅠO 開放滲流型4 類。

2.3.1 霍林河盆地孔隙結(jié)構(gòu)類型

霍林河盆地煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)類型主要為ⅡO 開放吸附型和ⅠC 封閉滲流型。Ⅳ組煤孔隙結(jié)構(gòu)類型ⅠC 封閉滲流型較多見，表明霍林河盆地Ⅳ組煤儲(chǔ)層中孔及大孔較發(fā)育，小微孔較不發(fā)育，細(xì)喉道分布較多，連通性差，不利于煤層氣的儲(chǔ)集。ⅢA 煤孔隙結(jié)構(gòu)類型多為ⅡO 開放吸附型，表明ⅢA 組煤儲(chǔ)層小微孔較發(fā)育，孔隙喉道較集中，孔隙連通性較好，有利于煤層氣的儲(chǔ)集和產(chǎn)出，霍林河盆地Ⅳ煤組儲(chǔ)層和ⅢA 煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)類型見表4。

表4 霍林河盆地Ⅳ煤組儲(chǔ)層和ⅢA 煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)類型Table 4 Pore structure types of coal seam Ⅳand ⅢA in Huolinhe Basin

2.3.2 白音華盆地孔隙結(jié)構(gòu)類型

白音華盆地3-1 煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)類型主要為ⅡC 封閉吸附型和ⅠO 開放滲流型，總體上小微孔及大孔較發(fā)育，中孔較不發(fā)育，孔隙間的連通性一般。其中ⅡC 封閉吸附型有利于煤層氣的儲(chǔ)集，不利于煤層氣的開發(fā)。ⅠO 開放滲流型不利于煤層氣的儲(chǔ)集，但有利于煤層氣的開發(fā)，白音華盆地3-1 煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)類型見表5。

表5 白音華盆地3-1 煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)類型Table 5 Pore structure type of 3-1 coal reservoir in Baiyinhua Basin

3 結(jié) 論

1）霍林河盆地Ⅳ煤組儲(chǔ)層中小微孔、中孔、大孔發(fā)育較均勻；小孔和中孔對(duì)孔容貢獻(xiàn)最大；孔隙結(jié)構(gòu)類型主要為封閉滲流型。ⅢA 煤儲(chǔ)層中小微孔、大孔發(fā)育，中孔較不發(fā)育；小微孔對(duì)孔容貢獻(xiàn)最大，其次為大孔；孔隙結(jié)構(gòu)類型多為開放吸附型。

2）白音華盆地3-1 煤儲(chǔ)層中小微孔、大孔發(fā)育，中孔較不發(fā)育；小微孔對(duì)孔容貢獻(xiàn)最大；孔隙結(jié)構(gòu)類型主要為封閉吸附型和開放滲流型。

3）綜合來(lái)看二連盆地群低煤階煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)發(fā)育良好，孔隙度較大，孔隙度Ⅳ煤組<ⅢA 煤< 3-1煤；孔隙結(jié)構(gòu)以小微孔、大孔為主，孔徑小于100 nm的小微孔和孔徑大于1 000 nm 的大孔對(duì)孔容貢獻(xiàn)最大?；诳紫犊讖椒植急壤翱讖綄?duì)煤層氣儲(chǔ)集和滲流的作用，把研究區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)類型劃分為ⅡC封閉吸附型、ⅡO 開放吸附型、ⅠC 封閉滲流型、ⅠO開放滲流型4 類，其中ⅡO 開放吸附型最有利于煤層氣的富集和產(chǎn)出。將霍林河盆地Ⅳ煤組、ⅢA 煤儲(chǔ)層和白音華盆地3-1 煤儲(chǔ)層相比較，ⅢA 煤孔隙結(jié)構(gòu)最有利于煤層氣儲(chǔ)集和開發(fā)。