庫(kù)拜煤層氣示范區(qū)潛力煤層宏-微裂隙特征認(rèn)識(shí)

趙正威 ,秦大鵬 ,潘曉飛 ,廖正凱 ,來 鵬

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局 一六一煤田地質(zhì)勘探隊(duì),烏魯木齊830046;2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,烏魯木齊830000;3.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局 煤層氣研發(fā)中心,烏魯木齊830091)

0 引言

前人研究表明[1-6],同處于一個(gè)構(gòu)造層的煤系地層節(jié)理裂隙與深部煤層節(jié)理裂隙之間存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,相同的構(gòu)造應(yīng)力會(huì)在同一構(gòu)造層的不同巖性巖層中產(chǎn)生相似的節(jié)理裂隙,進(jìn)而影響煤層微觀孔隙發(fā)育。外生節(jié)理、氣脹節(jié)理、內(nèi)生裂隙及微裂隙組成的裂隙系統(tǒng)正是煤層氣產(chǎn)出的主要通道。煤層氣開發(fā)案例報(bào)道認(rèn)為,外生節(jié)理的高度、寬度、空間形態(tài)、裂縫寬度、充填物等特征,氣脹節(jié)理與內(nèi)生裂隙的高度、密度、裂縫寬度、充填物等特征,煤系圍巖露頭節(jié)理與煤層中節(jié)理的關(guān)系對(duì)比等,都是查明煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征的主要研究方法[2,6-8]。煤層宏-微裂隙對(duì)于煤層氣開采的重要性相當(dāng)于人體的血管,決定著煤層氣采出率。從煤巖、煤質(zhì)、煤層埋深、煤層厚度以及煤礦瓦斯逸出情況等基本數(shù)據(jù)看,研究區(qū)蘊(yùn)含豐富的煤層氣資源量。但是,新疆區(qū)域煤層氣勘探開發(fā)的理論與技術(shù)相對(duì)滯后,主要存在的問題有:基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、分析、認(rèn)識(shí)與勘探開發(fā)的實(shí)際需求契合度不夠;煤層氣勘探開發(fā)相關(guān)理論技術(shù)多是直接引進(jìn)國(guó)內(nèi)外成熟的經(jīng)驗(yàn),沒有因地制宜地考慮研究區(qū)煤層氣儲(chǔ)層的特有差異。該文在研讀國(guó)內(nèi)最新研究成果的基礎(chǔ)上,篩選適合研究區(qū)的研究方法,提取關(guān)鍵宏-微觀數(shù)據(jù),意在從源頭探索煤層氣裂隙特征,打開煤層氣采出通道,為研究區(qū)煤層氣有利區(qū)塊的評(píng)價(jià)、優(yōu)選以及開發(fā)方案的擬定工作提出合理的思路與建議。

1 研究區(qū)主采煤層發(fā)育特征

研究區(qū)含煤地層位于侏羅系下統(tǒng)塔里奇克組,該組地層于井田北部出露,分為上、下兩段,主力煤層主要位于下段,其地層主要由厚層狀的礫巖、粗砂巖、煤、薄層狀的粉砂巖或泥巖組成,地層平均厚115.60 m,含煤3層,編號(hào)為A1～A3;煤層平均厚11.45 m,呈傾斜狀產(chǎn)出。A1煤層位于最下部,煤層全區(qū)穩(wěn)定分布,厚度0.77～4.87 m;A3煤層位于A2煤層之上,全區(qū)分布,煤層厚度3.61～7.95 m,呈現(xiàn)北西方向較東南向煤層厚,平均厚度6.10 m。研究區(qū)野外實(shí)測(cè)點(diǎn)圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)野外實(shí)測(cè)點(diǎn)圖Fig.1 Field survey points in the study area

2 節(jié)理表征及其密度的影響因素分析

通過野外數(shù)據(jù)采集和后期室內(nèi)分析,厘清節(jié)理發(fā)育的方向、密度,在此基礎(chǔ)上開展不同巖性中節(jié)理密度發(fā)育的特征,對(duì)于推斷深部巖層節(jié)理發(fā)育趨勢(shì)具有指導(dǎo)意義[7,9-11],是煤層氣井選區(qū)、設(shè)計(jì)、壓裂等工程技術(shù)的依據(jù)。

2.1 節(jié)理裂隙發(fā)育的傾向與走向

69個(gè)節(jié)理數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析顯示,節(jié)理傾向集中發(fā)育在70°～110°和251°～290°,密度在55～133條/m;節(jié)理發(fā)育的主要走向?yàn)镹 WW 和NNE向,其中287°～279°和32°為節(jié)理發(fā)育的顯著方向,如圖2、圖3所示。前人研究顯示[12],同一地區(qū)粉砂巖和細(xì)砂巖與煤層裂隙產(chǎn)狀相差約10°;而中砂巖、粗砂巖和細(xì)礫巖中優(yōu)勢(shì)節(jié)理產(chǎn)狀基本一致,但和煤層中的優(yōu)勢(shì)方向相差20°～30°。

圖2 研究區(qū)節(jié)理傾向統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Statistical diagram of joint tendency in the study area

圖3 研究區(qū)節(jié)理走向統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Statistical diagram of joint trend in the study area

2.2 圍巖粒度對(duì)節(jié)理密度的影響

研究中基于圍巖粒度,識(shí)別了粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖。測(cè)量點(diǎn)Y03號(hào)的巖性為中砂巖,巖層產(chǎn)狀為151°∠34°;從節(jié)理等密度圖中可以看出,優(yōu)勢(shì)方向比較明顯,以NWW 為主要發(fā)育方向。測(cè)量點(diǎn)Y69號(hào)的巖性為中砂巖,巖層產(chǎn)狀為138°∠48°;從節(jié)理等密度圖中可以清晰地看出該點(diǎn)發(fā)育3個(gè)方向的節(jié)理(如圖3所示),但是以NNE(14°～34°)走向?yàn)閮?yōu)勢(shì)方向,節(jié)理平均密度4～6條/m,長(zhǎng)度可達(dá)5 m 以上;NWW 走向方向節(jié)理次之,節(jié)理線密度4條/m。根據(jù)研究區(qū)節(jié)理線密度和圍巖巖性的關(guān)系分析,總體趨勢(shì)為:隨著巖石粒度變細(xì),節(jié)理線密度增加(如圖4所示),這一點(diǎn)與前人的研究結(jié)論基本吻合[1,10-12]。

圖4 研究區(qū)不同巖性構(gòu)造節(jié)理裂隙平均發(fā)育線密度Fig.4 The average development linear density of joint fissures in different lithological structures in the study area

2.3 圍巖層厚對(duì)線密度的影響

以研究區(qū)粉砂巖為例,選取了20余個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的巖層厚度及對(duì)應(yīng)節(jié)理密度記錄,建立粉砂巖巖層厚度和節(jié)理裂隙密度的關(guān)系并進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,粉砂巖的層厚與節(jié)理裂隙線密度呈對(duì)數(shù)函數(shù)遞減的關(guān)系,相關(guān)性系數(shù)為0.873 2(如圖5所示)。

圖5 研究區(qū)粉砂巖厚構(gòu)造節(jié)理密度關(guān)系圖Fig.5 Relational map of joint density of siltstone thick structure in study area

即隨著巖層厚度的增加,節(jié)理裂隙發(fā)育的線密度呈指數(shù)遞減,這與國(guó)內(nèi)其他區(qū)域的認(rèn)識(shí)基本一致[11-12]。由于圍巖節(jié)理產(chǎn)狀與煤層裂隙產(chǎn)狀關(guān)系較為密切,因此可以進(jìn)一步認(rèn)為,在以圍巖裂隙產(chǎn)狀特征為依據(jù)推斷煤層裂隙產(chǎn)狀時(shí),宜選擇粒度較小、厚度較薄的巖層。

2.4 煤層露頭裂隙統(tǒng)計(jì)分析

煤層圍巖裂隙發(fā)育特征受控于圍巖的厚度和巖性,以圍巖裂隙展布規(guī)律為基礎(chǔ),結(jié)合煤層露頭處裂隙統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),建立兩者之間的耦合性認(rèn)識(shí),不失為推斷地下煤層裂隙方位的科學(xué)方法。

如圖6 所示,煤層的頂?shù)装宥酁榉凵皫r、細(xì)砂巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖。如表1所示,煤層裂隙優(yōu)勢(shì)方位N WW 和NNE幾乎涵蓋了其圍巖裂隙的優(yōu)勢(shì)方位,煤層裂隙的線密度遠(yuǎn)高于其圍巖,約為10～50倍。首先可以認(rèn)為,地質(zhì)歷史時(shí)期凡是在圍巖上留下痕跡的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可以推斷為煤層中也受到同樣的改造作用;煤層脆性普遍遠(yuǎn)低于圍巖,同一構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)煤層的改造作用更加明顯。其次,煤層中節(jié)理產(chǎn)狀最大和最小分別為301°∠88°和2°∠67°,與其圍巖產(chǎn)狀接近度順序依次為:粉砂巖(358°∠68°和4°∠56°)、泥巖(342°∠41°和21°∠48°)、中砂巖(268°∠50°和5°∠36°)、細(xì)砂巖(356°∠51°和131°∠14°)、炭質(zhì)泥巖(358°∠68°和207°∠32°),總體趨勢(shì)上表現(xiàn)為巖性越細(xì),優(yōu)勢(shì)方位越與煤層相一致。

表1 裂隙產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of fissure occurrence

圖6 研究區(qū)實(shí)測(cè)剖面示意圖Fig.6 Schematic diagram of the measured profile in the study area

3 節(jié)理的發(fā)育過程及應(yīng)力分析

在節(jié)理發(fā)育特征認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,根據(jù)節(jié)理的切割關(guān)系,確定其發(fā)展期次,并與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化相聯(lián)系,建立兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系[4,13-14],進(jìn)而厘清構(gòu)造期次影響下的節(jié)理發(fā)育特征,這對(duì)于指導(dǎo)深部巖層節(jié)理發(fā)育的推斷具有關(guān)鍵意義。

3.1 研究區(qū)節(jié)理分期與配套

地表露頭節(jié)理統(tǒng)計(jì)分析歸納發(fā)現(xiàn),研究區(qū)發(fā)育4組節(jié)理(Y18,Y60,Y52,Y17)觀測(cè)點(diǎn),從這4組節(jié)理間選取典型節(jié)理(如表2所示)進(jìn)行解剖分析,根據(jù)這4組節(jié)理間的相互關(guān)系將它們分為2 套節(jié)理系,如圖7所示Y18觀測(cè)點(diǎn)。

圖7 Y18節(jié)理照片與刻畫對(duì)照分析圖Fig.7 Y18 Joint photo and portrayal contrast analysis diagram

表2 典型節(jié)理解剖點(diǎn)一覽表Table 2 List of typical section understanding points

圖7a取自于Y18點(diǎn),巖性為細(xì)砂巖,巖層產(chǎn)狀為160°∠67°?？梢?組節(jié)理,歸納為2套。第1組節(jié)理產(chǎn)狀為299°∠32°,節(jié)理密度為3條/m;第2組節(jié)理產(chǎn)狀為200°∠90°,節(jié)理密度為2條/m;第3組節(jié)理產(chǎn)狀為356°∠53°,節(jié)理密度為4條/m;第4組節(jié)理產(chǎn)狀為240°∠59°,節(jié)理密度為3條/m。4組節(jié)理構(gòu)成了2套“X”共軛節(jié)理系,如圖7b所示。A 和C兩組節(jié)理相互切割和限制,故構(gòu)成同一期次的節(jié)理;B 和D 兩組節(jié)理呈互相切錯(cuò)的關(guān)系,故定為同一期次節(jié)理。圖中節(jié)理相互限制關(guān)系表明B 和D形成的節(jié)理系為第2套節(jié)理,A 和C 構(gòu)成了第1套節(jié)理。

3.2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析

地質(zhì)歷史時(shí)期中,每一階段的應(yīng)力方向、大小等要素的不同,都會(huì)在地層特征上留下記錄,如地層抬升-下沉、褶皺、斷層等構(gòu)造現(xiàn)象,節(jié)理的表達(dá)與相互關(guān)系即是其中記錄的之一。對(duì)各個(gè)期次的節(jié)理進(jìn)行古構(gòu)造應(yīng)力分析,利用赤平投影計(jì)算最大主應(yīng)力的方向。在野外構(gòu)造節(jié)理填圖過程中,選取了共軛剪切節(jié)理關(guān)系明顯的4 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。

根據(jù)野外實(shí)測(cè)和節(jié)理應(yīng)力場(chǎng)方向統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合地質(zhì)歷史背景,研究區(qū)含煤地層形成之后經(jīng)歷了2次明顯的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用:第一期次共軛節(jié)理形成于燕山期,其主應(yīng)力方向?yàn)镹W-SE(315°)。圖8為Y03點(diǎn),巖性為細(xì)砂巖,巖層產(chǎn)狀為135°∠49°,巖層中發(fā)育2組節(jié)理,第1組節(jié)理產(chǎn)狀為255°∠50°,節(jié)理密度為6條/m;第2組節(jié)理產(chǎn)狀為22°∠60°,節(jié)理密度為4條/m。這2組節(jié)理為第一期次節(jié)理,從圖中可以看出這2組節(jié)理間呈現(xiàn)相互切錯(cuò)的關(guān)系,其最大主應(yīng)力方向?yàn)镹 W-SE(315°);第二期古構(gòu)造應(yīng)力方向?yàn)榻黃N 向,該古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主要作用于喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期,目前未發(fā)現(xiàn)該期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)節(jié)理影響的證據(jù)。

圖8 Y03節(jié)理照片與刻畫對(duì)照分析圖Fig.8 Y03 joint photo and portrayal contrast analysis diagram

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在成煤期后,可以確定構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤層及成煤期以早發(fā)育的地層具有塑造作用。此外,根據(jù)地層層序律,可進(jìn)一步明確深部煤層節(jié)理裂隙發(fā)育的類似特征。

4 研究區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙特征

在圍巖及煤層節(jié)理發(fā)育特征的基礎(chǔ)上[3-5,8,15],通過低溫氮等溫吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析,探索煤層孔隙大小、結(jié)構(gòu)、連通性以及微孔隙充填物性質(zhì),對(duì)于揭示煤層氣儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu),預(yù)測(cè)煤層氣的解析排采難易程度,具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。1)實(shí)驗(yàn)儀器:Micromeritcs ASAP 2000自動(dòng)等溫吸附儀;2)實(shí)驗(yàn)方法:采用容量法;3)實(shí)驗(yàn)環(huán)境:在-195.75℃(77.4 K)以下,以純度為99.99%低溫氮為吸附介質(zhì),在實(shí)驗(yàn)壓力P與實(shí)驗(yàn)溫度下汞飽和蒸氣壓力Po之比為0.01～1.00時(shí)測(cè)定吸附等溫線。對(duì)研究區(qū)A1,A2,A3三層煤層氣潛力層的試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 研究區(qū)煤層氣潛力層液氮等溫吸附和壓汞試驗(yàn)Fig.9 Liquid nitrogen isothermal adsorption test and mercury intrusion test of coalbedmet hane potential layer in the study area

如圖9 所示,A1煤儲(chǔ)層BET 比表面積為5.268 7 m2/g,平均孔徑為7.843 5 nm,屬大、中孔發(fā)育,但多被無機(jī)礦物充填,導(dǎo)致孔隙連通性較差;鏡下觀察證實(shí)A1煤層被黏土礦物充填,其自身的微孔隙(3～4 nm)會(huì)提高煤儲(chǔ)層的比表面積[16],推斷為比表面積較其他兩層煤高的直接原因,此種形態(tài)孔隙有利于煤層氣的吸附保存,但宏觀上會(huì)降低氣體的儲(chǔ)量。A2煤儲(chǔ)層BET比表面積為4.395 9 m2/g,平均孔徑為6.375 08 nm,比表面積和平均孔徑都較A1煤層小;由BJH 曲線走勢(shì)判斷,A2煤層孔隙主要為“墨水瓶”型孔,導(dǎo)致孔徑有極不均一的特點(diǎn),不利于已解析的煤層氣體的溢流擴(kuò)散。A3煤儲(chǔ)層曲線顯示的比表面積和孔容區(qū)間較A1和A2穩(wěn)定,計(jì)算的BET比表面積為0.055 1 m2/g,平均孔徑為70.198 75 nm,無機(jī)礦物含量較低,大、中孔較不發(fā)育但較少被無機(jī)礦物充填,孔隙連通性較好,判斷為煤層儲(chǔ)存空間大,且解析后氣體溢流順暢;與A1和A2相比較而言,A3是最有利于煤層氣體開發(fā)的煤層。

根據(jù)等溫吸脫附曲線原理,將相對(duì)壓力(P/Po)劃分為低壓0～0.1、中壓0.3～0.8、高壓0.9～1.0。其中,低壓階段A1,A2,A3三層煤的曲線走勢(shì)都偏向X 軸,說明液氮與實(shí)驗(yàn)煤樣的作用力強(qiáng)度較弱,相比之下A3煤層最弱,最有利于解析脫附和溢流采出。從孔徑變化上看,A3中小于10 nm 的孔徑基本不存在,孔徑多為70～600 nm,以中、大孔徑孔隙為主。量化證實(shí)了BET 曲線與吸脫附曲線的統(tǒng)一性。A1和A2煤層脫附曲線在中壓段顯示一個(gè)突然增大的特征,反應(yīng)此兩層煤孔徑區(qū)間較大,從吸附量與孔徑峰值看3～4 nm 的孔徑對(duì)氣體的儲(chǔ)存貢獻(xiàn)較大,孔徑喉道對(duì)氣體的脫附影響較大。

5 結(jié)語

1)研究區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育的優(yōu)勢(shì)方向以NWW或NNE為主;裂隙的密度受巖性及巖層厚度制約,量化巖層厚度與節(jié)理密度的相關(guān)性系數(shù)為R2=0.873 2。微觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為研究區(qū)三層煤層氣潛力層的孔徑差別較大,相比認(rèn)為A3最具開發(fā)潛力。在地表圍巖的節(jié)理裂隙發(fā)育特征及規(guī)律性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,推斷深部巖層及煤層的節(jié)理裂隙發(fā)育特征,進(jìn)而指導(dǎo)目的煤層的開發(fā)方案。

2)由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)區(qū)域性地層的影響不同,其改造地層的效果也有很大差異。因此,煤層氣勘探開發(fā)過程以“滾動(dòng)式”模式形成逐步深入的區(qū)域性地質(zhì)特征認(rèn)識(shí)和影響煤層氣產(chǎn)能的關(guān)鍵參數(shù)獲取可以在很大程度上規(guī)避投入風(fēng)險(xiǎn)。該研究區(qū)位于新疆南部,煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)工作尚處于探索階段,尋找科學(xué)的證據(jù),確定勘探開發(fā)初期的優(yōu)勢(shì)煤層作為首期開發(fā)對(duì)象,成功的概率較大,對(duì)于探索區(qū)域性勘探開發(fā)技術(shù),建立技術(shù)團(tuán)隊(duì)的信心,吸引國(guó)內(nèi)外同領(lǐng)域的專家學(xué)者具有實(shí)質(zhì)性意義。