鄭莊井田3號煤微孔裂隙特征研究

劉浩博

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048024)

1 研究區(qū)概況

鄭莊井田地處沁水復(fù)式向斜的軸部南端，晉—獲褶斷帶西部，沁水盆地南緣東西—北東向斷裂帶的北部，位于沁水縣鄭莊鎮(zhèn)、王必鎮(zhèn)一帶，隸屬鄭莊鎮(zhèn)、王必鎮(zhèn)所轄。地理坐標(biāo)為北緯35°41′15″～35°47′00″，東經(jīng)112°17′45″～112°24′00″，井田面積約49.1 km2。井田內(nèi)斷層稀少，以寬緩的次級向、背斜發(fā)育為主，無巖漿活動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬于簡單類型。

井田煤系發(fā)育，上石炭統(tǒng)太原組(C3t)和下二疊統(tǒng)山西組(P1s)為井田主要含煤地層，兩套含煤地層含煤多達(dá)16層(自上而下煤層依次編號為：1號、2號、3號、4號、5號、6號、7號、8號、9號、10號、11號、12號、13號、14號、15號、16號煤層)，其中，3號煤層為全井田穩(wěn)定可采煤層，15號煤層為全井田可采較穩(wěn)定發(fā)育煤層，其余為不穩(wěn)定局部可采和不可采煤層。本文研究的3號煤層位于上石炭統(tǒng)太原組下部，含煤性好，煤層厚度一般為3.43～7.16 m，平均5.43 m。煤層含氣性好，煤層氣含量高，一般為6.80～33.46 m3/t，平均為16.87 m3/t。煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤中含一般泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0～2層。

目前，在鄭莊井田3號煤的宏觀裂隙發(fā)育預(yù)測[1]、裂隙的測井響應(yīng)特征[2-3]方面開展了部分研究工作，微觀裂隙作為裂隙的重要類型之一和影響煤層氣開發(fā)的重要指標(biāo)，尚未開展研究工作。為此，筆者采用EVO 15型掃描電子顯微鏡對研究區(qū)3號煤微孔裂隙進(jìn)行觀測和特征精細(xì)表征研究。研究成果對研究區(qū)及煤層氣地質(zhì)條件、儲(chǔ)層物性及特征類似緊鄰井田煤層氣開發(fā)具有重要理論和指導(dǎo)意義。

2 樣品采集及描述

2.1 樣品采集

本文研究所用樣品均來自地面煤層氣鉆井繩索取芯3號煤層樣品，煤樣采集遵循規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)《煤層氣鉆井作業(yè)規(guī)范》(DZ/T 0250-2017)和《巖樣品采取方法》(GB-T19222-2003)中相關(guān)規(guī)定。樣品要取全取準(zhǔn)，盡量對整個(gè)煤層段進(jìn)行取芯。對鉆取的煤芯表面泥漿等附著物要清潔處理，然后及時(shí)蠟封，防止煤芯風(fēng)、氧化，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 樣品描述

鄭莊井田3號煤層變質(zhì)程度相對較高(最大鏡質(zhì)組反射率Ro,max=3.10%～3.56%，平均3.23%)，煤類為無煙煤。煤新鮮面為黑色，似金屬光澤，條痕為褐黑色，階梯狀-貝殼狀斷口，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，質(zhì)地較硬。煤體破壞一般，煤體結(jié)構(gòu)以碎裂煤為主，次為碎粒煤，未見糜棱煤。中-寬條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。以亮煤為主、暗煤次之，夾鏡煤條帶。屬半亮-光亮型煤。

3號煤層中有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主(77.40%～82.90%，平均80.60%)，惰質(zhì)組次之(3.70%～22.60%，平均19.40%)，因煤的變質(zhì)程度較高，殼質(zhì)組已無法辨識。煤的顯微組分鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，均質(zhì)鏡質(zhì)體次之，惰質(zhì)組半絲質(zhì)體多于絲質(zhì)體，氧化絲質(zhì)體多于火焚絲質(zhì)體。有少量的碎屑體呈條帶狀、透鏡狀和不規(guī)則狀。無機(jī)顯微組分以粘土類為主，氧化硅類及碳酸鹽類次之，硫酸鐵類微量。

3 掃描電鏡下煤微孔裂隙特征

3.1 實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)原理

煤孔裂隙研究已有百余年歷史，在煤田勘查、煤炭開采和煤層氣開發(fā)領(lǐng)域均有研究，特別是煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域煤孔裂隙研究尤為廣泛、深入和系統(tǒng)[4]。隨著煤層氣產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展，學(xué)者們在煤孔裂隙研究方面已開展了多年、大量研究工作，取得了豐碩成果，極大豐富了煤層氣地質(zhì)理論，對生產(chǎn)實(shí)踐亦起到積極指導(dǎo)作用[5-8]。掃描電子顯微鏡是圖像法觀測煤巖微孔裂隙重要研究技術(shù)手段之一，具有實(shí)驗(yàn)流程簡單、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用低、操作簡單、極高分辨率、極高鏡下放大倍數(shù)、視野大、成像立體感強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于非金屬材料、金屬材料、石油和煤田地質(zhì)等領(lǐng)域材料的微觀形態(tài)、成因、組織及成分分析和研究[9-10]。為此，筆者采用德國蔡司公司制造生產(chǎn)的EVO 15型掃描電子顯微鏡對鄭莊井田3號煤微孔裂隙特征進(jìn)行觀測研究。

掃描電子顯微鏡的工作原理是主要利用二次電子成像。樣品觀測時(shí)，從電子槍燈絲發(fā)出電子束，電子束受到陽極高壓的加速射向鏡筒，并收到第一、二聚光鏡和物鏡的匯聚作用，縮小成直徑僅為幾十埃的狹窄電子束射到樣品上。與此同時(shí)，偏轉(zhuǎn)線圈使電子束在樣品上作光柵狀掃描，電子束和觀測樣品間相互作用便產(chǎn)生多種信號，尤其是二次電子，對二次電子信號進(jìn)行接收、放大和成像，從而實(shí)現(xiàn)樣品的觀測。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器及技術(shù)參數(shù)

本文采用德國蔡司公司制造生產(chǎn)的EVO 15型掃描電子顯微鏡(圖1)對鄭莊井田3號煤微孔裂隙特征進(jìn)行觀測研究，該儀器主要由真空系統(tǒng)、電子束系統(tǒng)、成像系統(tǒng)及觀測平臺四大部分組成，具有可變壓力下操作、X射線和EBSD分析、快速抽真空及可移動(dòng)大平臺、5軸優(yōu)中心自動(dòng)樣品臺等特點(diǎn)。分辨率高，在30 kV(SE and W)、30 kV(VP with BSD)條件下分辨率分別可達(dá)3 nm、4 nm；鏡下物像放大倍數(shù)高、范圍廣，鏡下觀測樣品可實(shí)現(xiàn)放大5～106倍；觀測壓力范圍廣，真空負(fù)壓下觀測，壓力一般為10～400 Pa；探針電流值極小，一般為0.5 PA～5 μA；工作室直徑和高度分別為365 mm、275 mm；觀測樣品試件的最大直徑和高度分別不得超過250 mm、145 mm。

圖1 EVO15掃描電子顯微鏡

3.3 實(shí)驗(yàn)樣品制作

在已鉆取的煤芯樣上沿著垂直層理方向切割指甲蓋大小的規(guī)則塊狀煤樣，然后對切割的塊狀樣品平行于層理的一面用細(xì)紗紙輕輕打磨至平整光滑，然后用吹哨錐把樣品表面附著物吹掃干凈。完成吹掃作用后，用導(dǎo)電膠把樣品托貼于樣品平整光滑面，最后把樣品放入真空環(huán)境下鍍金屬導(dǎo)電膜，導(dǎo)電處理后制樣過程完畢。

3.4 掃描電子顯微鏡下煤微孔裂隙特征

3.4.1 煤微孔隙特征

煤孔隙對煤層氣賦存和運(yùn)移具有重要控制作用，煤層氣在大孔中運(yùn)移以紊流和層流方式，中孔中煤層氣以緩慢層流滲透運(yùn)移，過渡孔中煤層氣發(fā)生毛細(xì)管凝聚、物理吸附和擴(kuò)散，微孔則是煤層氣吸附主要場所或空間[11]。

通過掃描電子顯微鏡煤孔隙觀測，發(fā)現(xiàn)鄭莊井田3號煤微孔隙發(fā)育具有成因類型多、形態(tài)復(fù)雜、孔隙大小不等、孔隙連通性差等特征。煤中可見氣孔、鑄?？?、溶蝕孔和角礫孔等四種不同成因類型孔隙發(fā)育，不同成因類型孔隙在形態(tài)、孔隙大小和連通性等方面有所不同。煤形成過程中，煤發(fā)生變質(zhì)作用而促使煤中有機(jī)物質(zhì)生烴，烴類氣體大量聚集在煤層中致使氣孔形成，見圖2(a)～(d)[12]。氣孔多疏松發(fā)育，而在殼質(zhì)組中多成群發(fā)育見2(a)。氣孔的形態(tài)多樣，似圓形、橢圓形、長條形和不規(guī)則形孔隙均可見，部分孔隙受定向應(yīng)力作用具有拉扁定向發(fā)育特征，見圖2(a)?？紫洞笮〔灰?，孔徑幾十納米至幾十微米的孔隙均有發(fā)育，小于5 μm的孔徑居多。孔隙多孤立產(chǎn)出，孔隙間基本不連通，孔隙基本為“死孔”；成煤過程中煤中礦物因硬度差異而在煤中鑄成一些印坑，謂之“鑄?？住?，見圖2(d)[12]。鑄?？椎男螒B(tài)相對單一，基本為似圓形和橢圓形?？紫洞笮〔灰?，孔徑一般為幾千納米至幾微米。孔隙稀疏、孤立產(chǎn)出，孔隙間不連通，孔隙均為“死孔”；溶蝕孔是煤中可溶性礦物在漫長地質(zhì)歷史時(shí)期長期受地下流體(氣、水)作用溶蝕而成，見圖2(e)[12]。溶蝕孔的形態(tài)單一，基本為橢圓形?？紫洞笮〔灰?，孔徑一般為十幾微米至幾十微米?？紫断∈?、孤立產(chǎn)出，孔隙間不連通，孔隙均為“死孔”；成煤期后，煤體受構(gòu)造應(yīng)力作用而發(fā)生破壞并形成一些角礫狀煤體，角礫之間的孔隙即為“角礫孔”，見圖2(f)[12]。角礫孔的形態(tài)極不規(guī)則，孔隙大小不一，孔徑一般為幾千納米至幾微米?？紫都邪l(fā)育，孔隙間連通性好，這類孔隙的滲透性往往較好，但在高強(qiáng)度排采條件下角礫容易發(fā)生運(yùn)移，堵塞裂隙通道或造成卡泵、埋泵事故發(fā)生[13]。

3.4.2 煤微裂隙特征

煤裂隙是指煤受各種地質(zhì)應(yīng)力作用產(chǎn)生的破裂形跡。不同裂隙類型、裂隙規(guī)模、裂隙發(fā)育密度、裂隙尺度及連通性等對煤層氣賦存、運(yùn)移、煤層滲透率、煤層氣井產(chǎn)量等具有重要影響[14-17]，是煤層氣有利區(qū)評價(jià)及優(yōu)選、可采性評價(jià)及產(chǎn)能預(yù)測等的關(guān)鍵煤儲(chǔ)層物性特征參數(shù)之一[18-20]。目前，裂隙類型主要從裂隙成因和受力性質(zhì)進(jìn)行劃分，從裂隙成因角度可將煤裂隙劃分為內(nèi)生裂隙和外生裂隙，而從裂隙的受力性質(zhì)，則可將煤裂隙劃分為張裂隙和剪裂隙。相比之下，裂隙受力性質(zhì)判識裂隙類型更容易在掃描電子顯微鏡下實(shí)現(xiàn)，為此，本文煤微裂隙特征研究主要從裂隙的受力性質(zhì)劃分煤裂隙類型。

圖2 掃描電子顯微鏡下鄭莊井田3號煤微孔隙特征

由掃描電子顯微鏡下鄭莊井田3號煤微裂隙觀測結(jié)果可知，煤中發(fā)育有張裂隙(圖3(a)～(c))和剪裂隙(圖3(d)～(f))兩種裂隙類型。張裂隙是成煤后期受張應(yīng)力作用形成，裂隙面粗糙、凹凸不平，裂隙延伸較短，裂隙長度不一，幾微米至幾百微米均有發(fā)育；裂縫延伸無規(guī)律，產(chǎn)狀不穩(wěn)定；裂隙產(chǎn)出形式多樣，可見單獨(dú)產(chǎn)出、張裂隙與張裂隙相交、張裂隙與剪裂隙相交產(chǎn)出；裂隙形態(tài)多樣，基本為彎曲狀裂隙，少量張、剪裂隙近似垂交；裂口多呈張開狀，裂口寬度一般為幾千納米至十幾微米，裂口中常見碎屑物質(zhì)充填，見圖3(a)～(c)，部分裂口被方解石脈充填，見圖3(c)。

剪裂隙為成煤期后受剪切應(yīng)力作用形成，裂隙面平整光滑，裂隙延伸相對較遠(yuǎn)，裂縫向“刀切”一樣有規(guī)律延伸，產(chǎn)狀穩(wěn)定。裂隙長度不一，幾十微米至幾千微米均有發(fā)育。裂隙產(chǎn)出形式多樣，可見單獨(dú)產(chǎn)出、多為同類裂隙大角度相交。裂隙形態(tài)多樣，基本為直線型，見圖3(f)；“V” 字型，見圖3(e)；“樹枝型”，見圖3(d)。裂口多呈張開狀，部分緊閉，裂口寬度一般小于10 μm，裂口中可見少部分碎屑物質(zhì)充填，但方解石脈充填裂口現(xiàn)象嚴(yán)重，見圖3(d)～(f)，極大影響裂隙的滲透性能。

圖3 掃描電子顯微鏡下鄭莊井田3號煤微裂隙特征

3.5 煤微裂隙特征對煤層氣生產(chǎn)影響

由鄭莊井田3號煤的微孔裂隙觀測結(jié)果可知(圖2、圖3)，3號微孔多稀疏發(fā)育，孔隙的連通性普遍較差，有效孔隙少，致使煤的孔隙度較低，孔隙度值介于0.64%～12.82%之間，平均為4.52%[21]。煤層氣主要吸附于煤微孔隙內(nèi)表面，微孔隙越發(fā)育，孔比表面積越大，吸附煤層氣能力越強(qiáng)，儲(chǔ)集氣空間或場所越廣、儲(chǔ)集的煤層氣量也越大，煤層含氣量往往較高且利于煤層氣富集成藏[22]，反之亦然。研究區(qū)3號煤微孔隙的孔徑一般為幾十納米至幾十微米，孔隙大小為過渡孔—大孔，并以大孔發(fā)育為主[23]，吸附煤層氣能力和儲(chǔ)集煤層氣能力相對較弱，不利于煤層氣的高富集。

煤微孔裂隙的被碎屑物和方解石脈充填現(xiàn)象，裂隙間基本不連通，大大影響了煤層的滲透性。據(jù)井田3號煤層滲透率測定結(jié)果顯示，煤層滲透率整體較低，一般為0.047 6～0.389 6 md，平均為0.136 9 md[21]。低滲煤層不利于煤層氣的高效滲流產(chǎn)出和煤層氣井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和采收率的提高[24]。煤裂隙被碎屑物質(zhì)充填現(xiàn)象常見，這些碎屑物在滲流過程中有堵塞裂隙通道和造成卡泵事故危險(xiǎn)，特別是煤層氣井在高強(qiáng)度排采和排采管控不科學(xué)的情況下，碎屑物堵塞裂隙通道和造成井下卡泵事故概率大大增加，煤層滲透率急劇下降，煤層氣井產(chǎn)氣量隨之陡降。

4 結(jié) 語

1) 煤微孔裂隙是煤裂隙的重要類型，其特征對煤層氣賦存和運(yùn)移具有重要控制作用，是煤層氣地質(zhì)理論和生產(chǎn)實(shí)踐重要研究內(nèi)容。

2) 鄭莊井田3號煤微孔隙發(fā)育具有成因類型多、形態(tài)復(fù)雜、孔隙大小不等、孔隙連通性差等特征。煤中發(fā)育氣孔、鑄?？?、溶蝕孔和角礫孔等四種不同成因類型孔隙，孔隙大小一般為幾十納米至幾十微米，孔隙形態(tài)多樣，孔隙被充填現(xiàn)象嚴(yán)重，透氣性總體較差。

3) 煤中微裂隙為張裂隙和剪裂隙。張裂隙延伸較短(幾微米至幾百微米)、產(chǎn)狀不穩(wěn)定、裂隙面多粗壯或凹凸不平，裂口多呈張開狀態(tài)，裂口寬度幾千納米至十幾微米，裂口中常見碎屑物質(zhì)充填，部分裂口被方解石脈充填；剪裂隙延伸較長(幾十微米至幾千微米)、產(chǎn)狀穩(wěn)定、裂隙面多光滑，裂口多呈張開狀態(tài)，裂口寬度小于10 μm，裂口中常見碎屑物質(zhì)充填，裂口被方解石脈充填嚴(yán)重。