貴州土城礦區(qū)煤儲層孔隙特征及影響因素

唐代學(xué)，劉 文，婁 毅，邵林杰，公 斌

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 117地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽 550018；2.貴州盤江煤層氣開發(fā)利用有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081）

煤具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)不僅影響煤層氣的賦存狀態(tài)，更對煤層氣的吸附、解吸、擴(kuò)散和滲流有重要的影響[1-3]。煤巖孔隙特征受構(gòu)造變形、變質(zhì)程度、顯微組分、礦物質(zhì)等因素影響[4-5]。土城礦區(qū)位于貴州盤縣北部，屬高瓦斯地區(qū)，煤層氣資源豐富，區(qū)內(nèi)開展的煤層氣勘探工作初步取得較好的成果，最高單井產(chǎn)氣量超過2 700 m3/d，開發(fā)潛力大。土城礦區(qū)煤儲層孔隙特征方面較為缺乏，因此借助在礦區(qū)西部施工的煤層氣參數(shù)井，運(yùn)用掃描電鏡、壓汞法等,對土城礦區(qū)主要煤儲層孔隙特征及其影響因素進(jìn)行分析研究，為該區(qū)煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)及開發(fā)提供理論數(shù)據(jù)及參考價值。

1 礦區(qū)概況及樣品采集

土城礦區(qū)位于貴州省盤縣北部，土城向斜北翼西段，總面積超過67 km2。含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，平均含煤地層厚341 m，一般含煤50余層，可采煤層達(dá)17～25層，可采煤層平均總厚23.51 m，主采煤層集中于煤系地層中上部。含煤地層巖性一般為灰色-深灰色、黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖及煤層等，與上覆地層下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組整合接觸，與下伏上二疊統(tǒng)地層峨眉山玄武巖組假整合接觸。

將采自礦區(qū)西部煤層氣參數(shù)井SV-3井3#、9#、12#、15#、17#、291#及292#共7層煤的8件新鮮煤心樣送四川省科源工程技術(shù)測試中心加工測試，其中3#煤層采樣2件。采樣煤層均為該區(qū)主要煤層。

壓汞試驗(yàn)采用美國麥克公司AuotoPore IV 9500全自動壓汞儀，進(jìn)汞壓力最大228 MPa，能探測到孔徑5 nm以上的孔隙。運(yùn)用德國蔡司公司ZEISS SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電子顯微鏡觀測煤中的孔隙和裂隙發(fā)育特征。煤的孔徑劃分采用常見的霍多特[6]的十進(jìn)制分類方法，煤的孔隙類型劃分為微孔（孔徑<10 nm），小孔（孔徑10～<100 nm），中孔（孔徑100～1 000 nm），大孔（>1 000 nm）。基礎(chǔ)測試按照GB/T 212G—2008《煤的工業(yè)分析方法》及GB/T 15589—2013《顯微煤巖類型分類》測定，主要煤層煤樣基礎(chǔ)測試結(jié)果見表1。

表1 主要煤層煤樣基礎(chǔ)測試結(jié)果Table 1 Basic test results of main coal samples

2 掃描電鏡

通過掃描電鏡觀察，土城礦區(qū)煤儲層孔隙類型較多，且大小分布不一。區(qū)內(nèi)煤中孔隙發(fā)育有原生孔、氣孔、礦物溶蝕孔、礦物鑄?？?、粒間孔、微裂隙等6類。掃描電鏡煤樣孔隙照片如圖1。

原生孔主要是成煤植物本身所具有的細(xì)胞結(jié)構(gòu)孔，鏡質(zhì)體中為常見（圖1（a）），絲質(zhì)體橫斷面也見保留完整的胞腔孔，孔徑大小主要在1～10μm左右，原生孔輪廓清晰，邊緣大多較圓滑，呈帶、群分布，孔隙間很少連通，也沒有礦物質(zhì)充填；隨上覆壓力的增加及煤化作用的推進(jìn)，部分原生孔隙被高嶺石、硅質(zhì)、石英微晶體等礦物質(zhì)被充填（圖1（b））。氣孔是煤化作用階段由生氣和聚氣作用形成的，氣孔分布與氣體活動強(qiáng)度有關(guān)[7-8]，有機(jī)質(zhì)中可孤立出現(xiàn)或密集出現(xiàn)（圖1（c）），氣孔之間很少連通，孔徑大小多為0.1～2μm。

圖1 掃描電鏡煤樣孔隙照片F(xiàn)ig.1 Pore photos of coal samples under scanning electron microscope

礦物溶蝕孔是煤中可溶性礦物質(zhì)（碳酸鹽巖類、長石、和方解石）在長期氣、水作用下被溶蝕而形成的孔[9]；石英微晶在酸性條件下發(fā)生溶蝕，棱角分明，晶體顆粒邊緣清晰可見（圖1（d）），溶蝕孔孔徑變化較大，從不足1μm以下到幾十微米。礦物鑄?？资敲褐性V物在有機(jī)質(zhì)中因硬度差異而鑄成印坑[9]，如方解石、黃鐵礦等，其孔徑大小受礦物顆粒的影響；由圖1（e）可見，晶形較好的粒狀黃鐵礦顆粒在有機(jī)質(zhì)上形成的鑄?？?，孔隙邊緣見清晰的黃鐵礦顆粒印跡。礦物溶蝕孔及礦物鑄?？纵^少出現(xiàn)，也很少互相連通。粒間孔是歷經(jīng)成巖作用后各種成煤物質(zhì)顆粒之間保存下來的孔隙，其形態(tài)變化大，孔徑大小不一；碎塊狀有機(jī)組分與黏土礦物、石英微晶、黃鐵礦集合體相間分布，可見礦物顆?；蚣象w之間孔隙和裂隙發(fā)育，黏土礦物碎屑雜亂堆積于有機(jī)質(zhì)表面形成屑間孔（圖1（b）～圖1（e））；煤表面存在的晶體物質(zhì)在一定程度上影響突出煤對氣體的吸附性，煤樣的表面孔隙、微孔的增加突出了煤的比表面積及孔容，為瓦斯吸附提供的條件。

煤巖中的裂隙既是儲集空間，又是運(yùn)移通道；土城向斜煤巖多發(fā)育內(nèi)生裂隙，在鏡質(zhì)體中最為發(fā)育，多為張性裂隙，裂隙多呈直線狀、彎曲狀、多組裂隙交叉狀或網(wǎng)狀。圖1（f）以1條近直線裂隙為主，兩側(cè)伴有多組交叉裂隙，裂隙連通部分孔隙；煤巖中裂隙與孔隙連通形成主要滲流通道，對煤儲層的物性改善有重要作用。

3 壓汞試驗(yàn)

壓汞法通過進(jìn)汞壓力與孔徑半徑的關(guān)系獲取孔隙大小、孔徑分布、孔隙類型等參數(shù)，測試結(jié)果為有效孔隙的孔容，主要煤層煤樣壓汞測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 主要煤層煤樣壓汞測試數(shù)據(jù)Table 2 Mercury intrusion experimental data of main coal samples

3.1 壓汞曲線

不同煤樣的進(jìn)汞-退汞曲線孔隙滯后環(huán)寬度、進(jìn)汞、退汞體積差不同，分析煤樣孔隙的連通性及基本形態(tài)。根據(jù)壓汞測試結(jié)果，壓汞曲線有3種：

1）Ⅰ型代表煤樣為3#-2煤樣。進(jìn)汞曲線在相對壓力接近1時快速上升，最大吸附量由中等至大，其進(jìn)汞、退汞體積差大，孔隙滯后環(huán)寬，退汞曲線呈上凸或先下凹后上凸?fàn)睿簶涌讖蕉酁殚_放孔，含有一定數(shù)量的半封閉孔隙，退汞效率低，連通性好，有利于煤層氣的運(yùn)移、擴(kuò)散。

2）Ⅱ型代表煤樣為3#-1、9#、12#、15#、17#煤樣。煤樣進(jìn)汞曲線在相對壓力在1～10之間時快速上升，最大吸附量中等，具有一定進(jìn)汞、退汞體積差，孔隙滯后環(huán)較寬，退汞曲線主要呈下凹狀，這說明煤樣孔徑多為微小孔，含有一定數(shù)量的開放孔隙，退汞效率中等，而且連通性較好，對煤層氣的運(yùn)移、擴(kuò)散較為有利。

3）Ⅲ型代表煤樣為291#、292#煤樣。進(jìn)汞曲線在相對壓力在10～100之間快速上升，最大吸附量較低，進(jìn)汞、退汞體積差小，孔隙滯后環(huán)窄小，退汞曲線主要呈下凹狀，說明煤樣孔徑主要為的微小孔，孔隙形態(tài)為圓柱或“V”形[3]，有利于汞的退出，退汞效率高，連通性較差，對煤層氣的運(yùn)移、擴(kuò)散不利。壓汞曲線類型如圖2。

圖2 壓汞曲線類型Fig.2 Types of mercury intrusion curves

3.2 孔容和比表面積

礦區(qū)煤樣總孔容介于0.014 6～0.062 1 cm3/g，平均0.025 3 cm3/g，壓汞孔隙度介于2.31%～9.35%，平均4.02%，其中3#-2煤樣壓汞孔隙度最高達(dá)9.35%。對比山西沁水煤樣總孔容及孔隙度[9]，土城礦區(qū)平均總孔容及孔隙度較低。

礦區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)以微、小孔為主，其中微孔優(yōu)勢相對較大。大孔和微孔所占比介于51.01%～85.69%，平均為73.43%，說明孔隙主要集中于微孔和小孔中，較多的微孔和小孔有利于煤層氣的吸附聚集。中孔占比約為5.6%～42.22%，平均為19.00%；3#-2煤樣中孔占比達(dá)到42.22%，說明3#煤層存在較多的開放孔，有利于滲流，而且連通能力較好，有利煤層氣的運(yùn)移、滲流。大孔的孔容占比較小，平均僅為7.57%。說明煤樣中微孔、小孔數(shù)量對總孔容起控制作用，當(dāng)存在較多的中孔時，進(jìn)一步增大煤儲層的總孔容。

各煤樣比表面積在2.27～8.10 m2/g之間，平均為4.55 m2/g。其中3#-2煤樣比表面積最大，達(dá)到了8.10 m2/g，比表面越大，越有利于煤層氣的吸附；其余煤樣比表面積均以微孔為主，平均占比大于77%；其次為小孔，平均占比大于15%；孔容中值半徑分布在4.3～94.49 nm之間，3#-2煤樣中值半徑最大達(dá)到94.9 nm，開放孔的貢獻(xiàn)較大；其余煤樣平均孔容中值半徑為9.14 nm，煤樣中微孔、小孔對孔容的貢獻(xiàn)較大。

4 孔隙發(fā)育影響因素

4.1 變質(zhì)程度

煤的孔隙性受變質(zhì)程度影響較大，表現(xiàn)在對煤的孔隙度、孔容和比表面積的控制[10-11]。根據(jù)礦區(qū)煤巖的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)結(jié)果，礦區(qū)主要煤層鏡質(zhì)體反射率為1.09%～1.60%，平均為1.30%，分布較窄，為肥煤-焦煤。隨埋深增加，鏡質(zhì)體反射率有逐漸增加趨勢。變質(zhì)程度與孔隙特征影響關(guān)系如圖3。

圖3 變質(zhì)程度與孔隙特征影響關(guān)系Fig.3 Relationship between metamorphic degree and pore characteristics

從圖3可以看出，隨變質(zhì)程度的增加，煤的孔容、比表面積、孔隙度、中值半徑等是逐漸減小的。因鏡質(zhì)體反射率Ro較小，煤層壓實(shí)作用小，煤巖結(jié)構(gòu)疏松，大中孔比較發(fā)育，煤的孔隙度高；隨Ro的增加，壓實(shí)作用增強(qiáng)，煤巖在溫度、壓力等作用下發(fā)生系列變化，煤巖不斷被壓實(shí)、水分被排除，煤巖變得更致密，部分原生孔隙被破壞或充填，孔隙結(jié)構(gòu)以小孔、微孔為主，孔隙度、平均孔徑不斷變小，導(dǎo)致煤中孔隙孔容和比表面積也不斷降低。

4.2 顯微組分

煤巖顯微組分包括有機(jī)組分和無機(jī)組分2部分，對煤巖孔隙的發(fā)育影響較大。礦區(qū)煤巖顯微組分測試結(jié)果表明，顯微組分以鏡質(zhì)組為主，為40%～66.2%，平均57.33%，隨埋深增加，鏡質(zhì)組含量有減少的趨勢；鏡質(zhì)組中多見原生孔及氣孔，鏡質(zhì)組含量高，為生烴提供豐富的來源，使得孔隙度與鏡質(zhì)組呈正相關(guān)性，壓汞孔容、比表面積也隨鏡質(zhì)組含量的升高逐漸升高。惰質(zhì)組平均含量19.18%，殼質(zhì)組很少，基本檢測不出。顯微組分與孔隙特征影響因素關(guān)系如圖4。

圖4 顯微組分與孔隙特征影響因素關(guān)系Fig.4 Relationship between metamorphic degree and pore characteristics

無機(jī)組分為12.2%～42.4%，平均23.5%，隨埋深增加，無機(jī)組分含量有增加的趨勢。由圖4可知，礦區(qū)煤的壓汞孔隙度、孔容和比表面積隨無機(jī)組分組的增加呈較弱的負(fù)相關(guān)性（圖4）。由于無機(jī)礦物會充填在部分中、大孔隙中，使得孔容和比表面積減小。而礦物質(zhì)充填作用對小微孔的負(fù)面影響較小，且小于礦物質(zhì)本身存在的孔隙正影響，使得小微孔的孔容和比表面積增加[2]。

水分和灰分與孔隙特征關(guān)系如圖5。圖5（a）可知，煤巖中水充填孔隙和堵塞通道，隨煤巖中水分含量的增加，孔容和比表面積隨之下降。圖5（b）可知，煤巖壓汞孔容與干燥基灰分含量呈負(fù)相關(guān)，因礦物質(zhì)充填作用，孔容減??；而比表面積與干燥基灰分含量呈較弱負(fù)相關(guān)，是由于灰分中黏土成分較高，黏土礦物自身的孔隙對比表面積的貢獻(xiàn)大[7]。

圖5 水分和灰分與孔隙特征關(guān)系Fig.5 Relationship between moisture,ash and pore characteristics

5 結(jié) 語

1）通過掃描電鏡觀察，土城礦區(qū)煤儲層主要發(fā)育有原生孔、氣孔，呈帶、群分布；其次發(fā)育礦物溶蝕孔、礦物鑄?？?、粒間孔、微裂隙等孔隙；孔隙間大多孔連通性差。

2）壓汞試驗(yàn)表明，3#煤層壓汞孔容大、中孔占比較多，其余各煤層壓汞孔容以小孔+微孔為主，比表面積微孔占優(yōu)勢；3#煤層壓汞曲線為Ⅰ型和Ⅱ型，9#、12#、15#、17#煤壓汞曲線為Ⅱ型，表明煤巖中孔隙結(jié)構(gòu)以開放孔為主，孔隙連通性較好；291#、292#壓汞曲線為Ⅲ型，孔隙中主要為半封閉孔，連通性差。

3）土城礦區(qū)煤儲層孔隙度、孔容、比表面積隨鏡質(zhì)體反射率Ro的增大呈負(fù)相關(guān)；與鏡質(zhì)體組分呈正相關(guān)，與無機(jī)顯微組分呈負(fù)相關(guān)；與水分含量、干燥空氣基灰分含量呈較弱的負(fù)相關(guān)。

4）綜合分析孔滲性、壓汞孔容、比表面積、壓汞孔徑類型分布、曲線類型、孔隙連通性、煤體結(jié)構(gòu)等因素，土城礦區(qū)3#煤層具有煤層氣開發(fā)的優(yōu)先孔隙條件。