潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤多尺度裂隙特征

王紫襄

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048204)

煤裂隙對煤層氣賦存和運移具有重要控制作用，是煤層氣有利區(qū)評價及優(yōu)選、產(chǎn)能模擬及預測、可采性評價等的關鍵煤儲層物性參數(shù)，煤層氣勘探開發(fā)領域非常重視對其的研究。早在19世紀，煤田勘探領域的學者們就認識到煤裂隙存在并對其開展了研究，伴隨著煤層氣產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展，學者們在不同尺度裂隙形成機理[1]、控氣及產(chǎn)出機理[2-4]、研究方法和實驗手段[5-7]、定性描述[8]及定量表征[9-10]等開展了大量研究工作，極大夯實了煤層氣地質理論，對煤層氣開發(fā)實踐起到了積極的指導作用。目前，潘莊煤層氣區(qū)塊尚未開展3號煤多尺度煤裂隙研究工作，為此，筆者以區(qū)塊為工程背景，以3號煤層為研究對象，對不同尺度煤裂隙開展研究。研究成果對指導研究區(qū)及緊鄰煤層氣地質條件類似區(qū)塊煤層氣生產(chǎn)實踐具有重要理論和現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

潘莊煤層氣區(qū)塊地處沁水煤田東南部晉城礦區(qū)，隸屬于沁水縣管轄，地理坐標為東經(jīng)112°24′00″～112°36′00″，北緯35°40′00″～35°34′43″，區(qū)塊面積為157. 755 km2。區(qū)塊煤系相對發(fā)育，石炭系上統(tǒng)太原組(C2t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)為區(qū)內主要煤系，兩煤系組共發(fā)育煤層21層，其中，3號、15號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，9號煤層為大部分地區(qū)可采煤層，其余為不穩(wěn)定不可采煤層。本文研究的3號煤層厚度大(屬于厚煤層，厚度5.04～7.16 m，平均6.11 m)、煤層含氣量高(10～30 m3/t 之間，最高可達 40 m3/t)、儲層物性好、煤層氣地質條件相對簡單，是區(qū)內煤炭主采和煤層氣主力開發(fā)重點層位[11-12]。因區(qū)塊“得天獨厚”的煤層氣開發(fā)條件，成為我國首個煤層氣地面商業(yè)化開發(fā)和“煤與煤層氣共采”理論研究與實踐的煤層氣區(qū)塊，亦是迄今國內煤層氣地面開發(fā)最為成功的煤層氣區(qū)塊之一[13-14]。

2 煤中多尺度裂隙特征

2.1 煤中大裂隙特征

煤中大裂隙系指自然條件下能夠肉眼識別的裂隙，屬于宏觀裂隙范疇。大裂隙是煤層氣擴散運移通道，其特征(裂隙長度、高度、裂隙間距、密度、連通性及裂隙發(fā)育程度)對煤層的滲透率、可采性、氣井產(chǎn)氣量和采收率等具有重要影響[15-17]。井下瓦斯抽采和地面煤層氣勘探開發(fā)基礎理論研究及實踐上尤為重視對其研究，并取得了豐碩成果[18-22]。本文煤中大裂隙研究采用煤礦井下煤層裂隙和井上煤芯觀測相結合的方法，大裂隙描述及劃分主要依據(jù)行業(yè)標準“《煤裂隙描述方法》(MT/T 968-2005)”見表1～表5。

表1 煤裂隙規(guī)模類型劃分方案及特征描述

根據(jù)潘莊煤層氣區(qū)塊煤礦井下3號煤層大裂隙觀測，垂直煤體剖面方面煤中裂隙主要發(fā)育有3個裂隙系，每個裂隙系各有兩個走向近于垂直或垂直的裂隙組，每組裂隙近似平行發(fā)育，見圖1；煤中各裂隙系的走向不同，其中，第一裂隙系兩個裂隙組的走向分別為10～20°和110～120°；第二裂隙系兩個裂隙組的走向為40～50°和130～140°；第三裂隙系兩個裂隙組的走向分別為60～70°和150～160°。上述裂隙系中，以走向為150～160°的裂隙最為發(fā)育，其次為走向60～70°和走向110～120°的裂隙。除走向110～120°的裂隙近于垂直礦區(qū)褶皺軸外，其它裂隙走向都斜交褶皺軸。裂縫間距變化大，介于1～500 cm之間，平均間距4.5～185 cm。區(qū)塊內3號煤中裂隙的傾角大，變化范圍為35～89°，垂直或近于垂直煤層層理面。

表2 裂隙密度級別劃分方案 條/cm

表3 裂口寬度等級劃分方案

裂隙面平整度分為平整、較平整和不平整。

表4 裂隙連通性劃分方案

表5 裂隙發(fā)育程度評價方案

圖1 潘莊煤層氣區(qū)塊井下3號煤層裂隙發(fā)育情況

據(jù)地面鉆井取芯煤芯觀測(表6)，3號煤中大裂隙主要發(fā)育兩組，即分為主裂隙和次裂隙(國外煤層氣研究中分別稱謂“面割理”和“端割理”)，二者垂直相交或近似垂直相交。

表6 3號煤大裂隙特征觀測結果

主裂隙長度不一，0.005～4.8 cm均有發(fā)育，平均長度一般為0.3～1.29 cm。裂隙高度范圍廣，基本在毫米級別，裂隙高度介于0.01～3.8 cm，多數(shù)在0.5 cm左右，平均高度一般為0.13～2.0 cm。煤中裂隙屬于微型-中型裂隙規(guī)模發(fā)育類型，以小型裂隙為主。裂隙密度介于1～10.8條/cm之間，裂隙密度級別為較密-密型；次裂隙長度不一，介于0.01～2.00 cm之間，1 cm以下居多，平均為0.02～0.64 cm；裂隙高度范圍廣，基本在毫米級別，裂隙高度介于0.01～3.5 cm，多數(shù)小于1 cm，平均高度一般為0.04～1.19 cm。煤中裂隙屬于微型-中型裂隙規(guī)模發(fā)育類型，以小型裂隙為主；裂隙密度介于0.8～5.8條/cm之間，裂隙密度級別為較密-密型，見圖2。

研究區(qū)3號煤中裂隙變質程度較高(最大鏡質組反射率為Ro,max為3.68%～4.36%)，煤巖類型為半光亮型煤，煤中裂隙發(fā)育程度為較發(fā)育-發(fā)育。裂隙的連通性分異現(xiàn)象顯著，差-好連通性裂隙均有發(fā)育，基本以中等連通性裂隙發(fā)育為主。

圖2 潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤層地面鉆井取芯實物

2.2 煤中微裂隙特征

煤層氣主要吸附儲集于煤基質微孔裂隙中，煤層氣開采通過排水降壓降低煤儲層原始壓力，進而促使煤層氣從微孔裂隙內表面脫附解吸出來，濃度差時在亞微觀裂隙系統(tǒng)中發(fā)生擴散，然后匯聚的煤層氣通過大裂隙系統(tǒng)以達西流形式滲流產(chǎn)出。因此，煤微觀裂隙是煤層氣吸附儲集的主要場所(或空間)和擴散運移通道，影響著煤的吸附/解吸特性、滲透性、含氣量和煤層氣開采效果[23]，是煤層氣地質理論和煤層氣開發(fā)重要研究內容之一。在多年的煤層氣勘探開發(fā)實踐中，學者們在煤微觀尺度裂隙研究理論、技術及方法方面開展了大量卓有成效的研究工作[24-26]，極大豐富了煤層氣地質理論，對煤層氣生產(chǎn)實踐起到了有力指導和積極助推作用。

掃描電子顯微鏡具有高放大倍數(shù)、高分辨率、高清晰度、極強圖像立體感、實驗過程和操作簡單等特點，在研究煤巖微觀尺度孔裂隙特征、成因判識、類型劃分等方面應用尤為廣泛[26-27]。本文采用德國卡爾.蔡司公司制造的EVO MA15掃描電子顯微鏡對潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤微裂隙特征進行研究。EVO MA15掃描電子顯微鏡鏡下物像可放大5～106倍，觀測分辨率高達7.68(32 000×24 000)億像素，可實現(xiàn)可變壓力和快速抽采真空條件下實驗觀測。掃描電子顯微鏡下潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤微裂隙特征觀測結果見圖3(a)～(l)：掃描電鏡觀測的煤裂隙均平行于煤的層理方向，可見區(qū)塊內平行于3號煤層理方向發(fā)育有張裂隙和剪裂隙兩種力學性質的裂隙類型，分別見圖3(a)～(f)、圖3(g)～(i)。張裂隙由張應力作用形成，裂隙不規(guī)則分布，裂隙延伸較短，幾微米至幾百微米長的裂隙均有發(fā)育。多單獨產(chǎn)出，亦可見少量張裂隙與剪裂隙呈大角度相交，張裂隙延伸終止于與剪裂隙交匯處，見圖3(f)。裂隙面凹凸不平，裂縫延伸多比較短。裂縫形態(tài)多樣，可見彎曲狀見圖3(b)～(d)、鋸齒狀見圖3(a)和“T型”狀見圖3(e)裂隙，產(chǎn)狀多不穩(wěn)定。裂口基本為敞開狀態(tài)，裂口寬度多在10 μm以下，一般為3 μm至幾千納米，裂口中多見片狀、粒狀碎屑物質充填，部分被方解石脈充填，見圖3(d)。

剪裂隙是在剪切應力作用下形成，裂隙面多較光滑平整，裂隙延伸相對較長，裂隙長度基本為幾百微米，部分長度達數(shù)千微米。裂縫延伸有規(guī)律，基本以平直延伸，產(chǎn)狀穩(wěn)定。裂縫形態(tài)多樣，可見平直狀見圖3(i)～(l)、共軛“X型”見圖3(g)和“T型”狀見圖3(h)裂隙。裂口基本為緊閉狀態(tài)，裂口寬度基本在2 μm以下，一般為幾百納米至幾千納米，裂口中多見片狀、粒狀碎屑物質充填，部分被方解石脈充填，見圖3(l)。

圖3 掃描電子顯微鏡下3號煤微裂隙特征

3 結 語

1) 潘莊煤層氣區(qū)塊3號煤變質程度高，煤巖類型為半光亮型煤，煤中大裂隙發(fā)育程度為較發(fā)育-發(fā)育，裂隙發(fā)育規(guī)模屬于微型-中型，以小型裂隙為主；裂隙密度級別為較密-密型。

2) 煤中大裂隙主要發(fā)育有3個裂隙系，各裂隙系的走向不同，其中，以走向為150～160°的裂隙最為發(fā)育，其次為走向60～70°和走向110～120°的裂隙。裂縫間距變化大，介于1～500 cm之間，平均間距4.5～185 cm。區(qū)塊內3號煤中裂隙的傾角大，變化范圍為35～89°，垂直或近于垂直煤層層理面。

3) 煤中可見張裂隙和剪裂隙兩種力學成因微裂隙發(fā)育，二者特征不同。張裂隙延伸較短，裂隙面凹凸不平，裂隙形態(tài)較多，產(chǎn)狀多不穩(wěn)定，裂口基本呈敞開狀，裂口中可見部分碎屑物質和方解石脈充填；剪裂隙延伸較遠且延伸有規(guī)律、產(chǎn)狀穩(wěn)定，裂隙面多光滑平整，裂隙形態(tài)多樣，裂口基本呈緊閉狀且裂口多見碎屑物質和部分裂口被方解石脈充填。