庫拜煤田中低階煤中孔-大孔發(fā)育控制因素

秦全靈,李 鑫，吳 斌，田繼軍

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.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，新疆 烏魯木齊 830009)

0 引 言

孔隙結(jié)構(gòu)影響著煤儲層吸附、解吸、擴散及滲透率，是煤儲層研究的核心問題之一[1-2]。我國煤層受多期次構(gòu)造運動影響，構(gòu)造煤發(fā)育，煤孔隙大小分布在毫米至納米級，孔隙結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不同尺度孔隙控制著煤層氣的解吸、擴散與滲流等過程[3]。庫拜煤田是我國南疆缺煤地區(qū)重要的煤炭資源產(chǎn)地與煤層氣資源開發(fā)潛力區(qū)，但針對庫拜煤田煤儲層孔隙特征方面的研究相對較少，難以指導(dǎo)當(dāng)?shù)孛簩託鈨釉u價。

研究煤中孔隙的控制地質(zhì)因素可間接促進(jìn)煤層氣的商業(yè)化開采。SAKUROV等[4]研究了澳大利亞煤的孔隙分布，發(fā)現(xiàn)孔隙受煤階影響較大，并且在某些孔徑范圍內(nèi)，鏡質(zhì)組含量會對孔隙產(chǎn)生影響。陳向軍等[5]選取了不同礦區(qū)、不同變質(zhì)程度的煤樣進(jìn)行了壓汞測試，結(jié)果表明煤的變質(zhì)程度對大孔體積產(chǎn)生影響較大。張洲等[6]對庫拜煤田主要煤儲層的孔隙系統(tǒng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)主要煤儲層的中孔和大孔較發(fā)育，并且孔隙連通性較好，有利于煤層氣的運移。安慶等[7]對庫拜煤田中部儲層孔隙特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同類型裂隙對煤層氣運移有不同程度的影響，大裂隙是滲透率的主要貢獻(xiàn)者，也是決定煤層氣是否具有開采價值的關(guān)鍵因素。

庫拜煤田煤層氣資源潛力巨大，其商業(yè)開采可為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展提供長期的能源保障。通過開展高壓壓汞試驗、工業(yè)分析、煤巖組分測定、顯微組分定量分析、煤體宏觀描述等實驗和分析，圍繞庫拜煤田中低階煤中孔-大孔發(fā)育及其控制地質(zhì)因素展開研究，討論了鏡質(zhì)組含量、成熟度、煤體結(jié)構(gòu)等對中孔及大孔孔隙體積及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的影響。研究成果有助于揭示庫拜煤田高滲儲層發(fā)育特征并促進(jìn)當(dāng)?shù)孛簩託忾_發(fā)。

1 地質(zhì)背景

庫拜煤田位于塔里木盆地的北緣，面積約1 585 km2，屬于塔里木盆地北部的一個次級構(gòu)造單元-庫車山前中新生代坳陷(圖1)，區(qū)內(nèi)含煤地層為向南傾斜的單斜構(gòu)造，傾角為30°～89°，庫車縣境內(nèi)煤層傾角較緩，拜城縣境內(nèi)地層傾角較大。煤田以北緊鄰深大斷裂形成的F1逆斷層，以南為2條深大斷裂，F(xiàn)2和F3正斷層，以及大型含氣褶皺帶構(gòu)造。區(qū)內(nèi)的巖性主要由石英砂巖、粗砂巖、砂礫巖、細(xì)砂巖、粉砂巖和煤層組成，中生界侏羅系的塔里奇克組厚度為177～256 m，陽霞組厚度為200～571 m，侏羅系的克孜努爾組厚度為294～838 m，是庫拜煤田的主要含煤地層(圖2)。由于不同程度的區(qū)域變質(zhì)作用和動力變質(zhì)作用，使得煤樣煤化程度跨度較大，由東向西煤變質(zhì)程度逐漸增加[8]。

圖1 庫拜煤田構(gòu)造綱要[9](據(jù)文獻(xiàn)[9]修改)

圖2 庫拜煤田煤系柱狀圖[10](據(jù)文獻(xiàn)[10]修改)

2 試 驗

2.1 取樣及樣品基本信息

樣品取自于庫拜煤田的鐵西、阿艾、鐵東3個礦區(qū)(圖1)9口煤層氣參數(shù)井，根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)的不同(圖3)開展了45次高壓壓汞試驗。樣品包含原生結(jié)構(gòu)煤15塊、碎裂結(jié)構(gòu)煤19塊、碎粒結(jié)構(gòu)煤3塊和糜棱結(jié)構(gòu)煤8塊。鐵西礦區(qū)宏觀煤巖類型主要為暗淡煤、半暗煤和半亮煤，屬低變質(zhì)到中等變質(zhì)階段，埋深介于582.00～969.25 m，分布于A1、A3、A5～A10、B、B1、C和C2煤層。阿艾礦區(qū)宏觀煤巖類型主要為半暗煤、半亮煤和亮煤，屬中等變質(zhì)階段，埋深介于951.60～1 103.75 m，分布于下5和下10煤層。鐵東礦區(qū)宏觀煤巖類型主要為暗淡煤、半暗煤和半亮煤，屬低變質(zhì)到中等變質(zhì)階段，埋深介于533.95～952.96 m，分布于A3、A5、A7、A8、A9-10和A10煤層。

圖3 不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣照片

對庫拜煤田不同煤體結(jié)構(gòu)的煤巖樣品進(jìn)行煤質(zhì)基礎(chǔ)信息測試，其中水分(Mad)、揮發(fā)分(Vdaf)和灰分(Ad)測試遵照GB/T 212—2008國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；煤的鏡質(zhì)組最大反射率(Ro，max)利用顯微鏡在油浸物鏡下測定，遵照GB/T 6948—2008；煤巖顯微組分定量在偏光顯微鏡下進(jìn)行，遵照GB/T 8899—1998。煤質(zhì)基礎(chǔ)測試結(jié)果顯示樣品Mad變化范圍較小，為0.34%～1.68%，平均1.10%；Vdaf變化范圍較大，為6.22%～38.84%，平均24.14%；Ad變化范圍較大，為1.38%～44.5%，大部分在10%以下，個別樣品達(dá)到44.5%，平均8.64%；鏡質(zhì)組最大反射率Ro，max為0.30%～1.96%，平均1.04%；鏡質(zhì)組含量為20.6%～93.6%，變化范圍較大，平均74.9%；惰質(zhì)組含量為5.0%～79.4%，平均24.8%；殼質(zhì)組含量為0～1.4%，平均0.3%。

2.2 高壓壓汞試驗

高壓壓汞法是在一定壓力下將液態(tài)汞壓入煤巖中，壓入汞的量能代表孔隙的體積，通過壓力與壓入汞的體積的關(guān)系曲線可以得到一系列表征樣品孔隙特征的參數(shù)[11]。壓汞法操作簡單有效，試驗時間較短，一直被廣泛應(yīng)用于多孔材料的孔隙特征和分布等方面的研究[12]?？紫斗诸惙椒ú捎锰K聯(lián)學(xué)者霍多特[13]孔徑分類劃分方案，即微孔孔徑<10 nm、過渡孔孔徑10～100 nm、中孔孔徑100～1 000 nm、大孔孔徑>1 000 nm。本次試驗遵照GB/T 21650.1—2008《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度》執(zhí)行。在進(jìn)行高壓壓汞試驗時，隨著注入壓力的增大，樣品的原生孔隙結(jié)構(gòu)會被破壞，微孔、過渡孔測定會出現(xiàn)較大誤差，但是對中孔和大孔等較大孔隙的分析較準(zhǔn)確[14-15]。壓汞誤差來源主要有2個方面：①高壓階段煤基質(zhì)壓縮和未進(jìn)汞孔隙壓縮，導(dǎo)致壓汞測得微孔、過渡孔體積偏大[16]。但本次研究未分析微孔和過渡孔，主要分析中孔和大孔；②低壓階段的麻皮效應(yīng)，使得汞在樣品表面的粗糙處消耗部分汞，導(dǎo)致低壓段進(jìn)汞量增大，幾十微米以上的孔隙異常發(fā)育[17]。針對此，采取粒徑3～6 mm表面平直煤顆粒作為樣品，并設(shè)置最低汞注入壓力為0.01 MPa，盡可能弱化麻皮效應(yīng)導(dǎo)致的誤差。此外，由于高壓壓汞可實現(xiàn)快速、低成本地對大量樣品中孔、過渡孔進(jìn)行分析，因此本次工作采用了高壓壓汞法，并且采取上述措施后盡可能地減小了壓汞試驗誤差。

3 中孔和大孔發(fā)育程度地質(zhì)控制

通過高壓壓汞試驗獲得了樣品的孔隙體積、退汞效率等參數(shù)，結(jié)果顯示：測試樣品的大孔體積為0.000 2～0.400 0 cm3，平均0.040 1 cm3，中孔體積為0.001 6～0.786 0 cm3，平均0.087 5 cm3，退汞效率為15.43%～80.08%，平均47.98%。中孔體積約是大孔體積的兩倍，孔體積變化范圍較大，相差2～3個數(shù)量級，退汞效率變化范圍較大，總體較低。

3.1 煤巖組分對中孔、大孔體積的控制作用

由圖4可知，隨鏡質(zhì)組含量的增加，中孔體積、大孔體積以及中孔、大孔體積和呈現(xiàn)微弱增大趨勢，煤巖組分對中孔、大孔孔隙體積具有一定控制作用。呂志發(fā)等[18]早在1991年就對塊煤的孔隙特征及其影響因素做了研究，在分析煤的孔隙特征與有機顯微組分時，發(fā)現(xiàn)鏡質(zhì)組孔隙主要是微孔和小孔，中孔和大孔主要發(fā)育在惰質(zhì)組中。劉娜等[19]在研究煤巖孔隙度主控地質(zhì)因素時，發(fā)現(xiàn)中大孔比例與孔隙度呈良好正相關(guān)關(guān)系，而鏡質(zhì)組含量又與孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，由此推斷出鏡質(zhì)組含量與中孔、大孔體積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖4所示的結(jié)果與前人研究成果不一致，可能原因是當(dāng)鏡質(zhì)組含量增多時，鏡質(zhì)組生烴留下大量原生孔隙，在成巖演化過程或外力的作用下，原生微孔和過渡孔破壞并部分轉(zhuǎn)換為中孔和大孔，從而導(dǎo)致高鏡質(zhì)組含量煤中孔、大孔體積較高[20]。此外，圖4中出現(xiàn)了異常高點，均為糜棱煤，姜家鈺[21]通過壓汞法得出不同構(gòu)造程度的煤體壓汞曲線特征，發(fā)現(xiàn)隨構(gòu)造作用的增強，各階段的孔容都有所增加，大孔和中孔增幅分別為537.5%和1 300%，構(gòu)造作用對煤中大孔和中孔有明顯改造。因此，經(jīng)過構(gòu)造作用形成的糜棱煤出現(xiàn)了較高的中孔和大孔體積。

圖4 中孔及大孔體積隨鏡質(zhì)組含量變化

3.2 成熟度對中孔、大孔體積的控制作用

圖5分別表示了成熟度對中孔體積、大孔體積、中孔與大孔體積和的控制作用，結(jié)果顯示：成熟度對中孔、大孔、中孔大孔體積和的控制作用并不明顯；成熟度與中孔大孔體積呈現(xiàn)出弱相關(guān)性。成熟度增高對有機質(zhì)孔的發(fā)育有促進(jìn)作用[1]，劉娜等[19]認(rèn)為成熟度對孔隙影響較為復(fù)雜，從低成熟度階段到高成熟度階段平均中大孔所占比例呈現(xiàn)先減小再增大再減小的趨勢。

大數(shù)據(jù)理念指的是在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測，針對電網(wǎng)規(guī)劃體系中存在的問題，本文結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)提出了新型的電網(wǎng)規(guī)劃體系，這一體系主要由三個部分組成，即數(shù)據(jù)獲取、處理以及應(yīng)用。大數(shù)據(jù)時代下的新型電網(wǎng)規(guī)劃體系，能夠根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃體系的具體需求，來獲取電力系統(tǒng)內(nèi)外的全面數(shù)據(jù)，并運用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，從而實現(xiàn)電網(wǎng)方案規(guī)劃、風(fēng)險評估防范、工程實時監(jiān)測以及用戶交互等項目的智能化、信息化。新型電網(wǎng)規(guī)劃體系架構(gòu)如圖1所示。

杜玉娥[22]在研究煤孔隙特征對煤層氣解吸的影響時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ro，max大于1.3%時，煤芳香化程度顯著提高，這種分子結(jié)構(gòu)形成了一系列微孔和小孔，同時也導(dǎo)致大、中孔減少，隨成熟度增加大孔體積出現(xiàn)先減小再增大的結(jié)果與圖5b中所示基本符合。圖5中出現(xiàn)異常高點均為糜棱煤，Ro大致介于張吉振等[23]劃分的成熟生烴溶蝕階段(0.7%

圖5 中孔及大孔體積隨成熟度變化

3.3 煤體結(jié)構(gòu)對中孔、大孔體積的控制作用

由圖6可知，原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤中孔、大孔體積接近，糜棱煤中孔、大孔體積明顯高出。秦修培等[25]在研究構(gòu)造變形對煤孔隙發(fā)育特征影響時發(fā)現(xiàn)隨著構(gòu)造變形程度的增加，煤體孔徑結(jié)構(gòu)分布發(fā)生變化，開放孔逐漸增多，半封閉孔逐漸減少，中孔和大孔發(fā)育逐漸增多。李明等[26]發(fā)現(xiàn)隨著構(gòu)造變形程度的加強，從原生結(jié)構(gòu)到碎粒結(jié)構(gòu)，各孔徑段的孔容分布相對均勻，而到糜棱煤，出現(xiàn)中孔異常發(fā)育且大孔發(fā)育較好現(xiàn)象，這與研究結(jié)果有較好的一致性。

圖6 煤體結(jié)構(gòu)與中孔及大孔體積關(guān)系箱型圖

4 孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度地質(zhì)控制

分形理論能夠準(zhǔn)確地定量描述孔隙的內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，多孔固體介質(zhì)中分形維數(shù)越大，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，非均質(zhì)性越強[27]。對于用壓汞法測得的數(shù)據(jù)可以采用Friesen等引入的Menger海綿模型[28]，并結(jié)合Washburn方程處理可以得公式

(1)

其中：V為孔隙體積，cm3；P為壓力，MPa；D為分形維數(shù)，可通過下式計算：

D=k+4

(2)

其中：k為y與x函數(shù)的斜率，y為孔隙體積對壓力的積分取對數(shù)lg(dV/dP)，x為對壓力取對數(shù)lgP。利用公式分析壓汞數(shù)據(jù)并構(gòu)建lg(dV/dP)與lgP的分布散點圖。由于壓汞數(shù)據(jù)眾多，限于篇幅在圖7展示了部分樣品的分形維數(shù)計算擬合過程，計算出中孔的分形維數(shù)D3和大孔的分形維數(shù)D4(表1)，據(jù)此分別表征中孔和大孔孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。經(jīng)計算可知中孔的分形維數(shù)D3為2.30～3.93，平均3.19；大孔的分形維數(shù)D4為2.10～3.77，平均2.98。

表1 中孔、大孔分形維數(shù)分布

圖7 不同樣品lg(dV/dP)與lg P的分布

4.1 鏡質(zhì)組含量對孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的控制

從褐煤到長焰煤的成煤過程中，褐煤中的腐植體逐漸轉(zhuǎn)化為鏡質(zhì)組，按照我國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 1160—2011煤的鏡質(zhì)組含量分級，試驗樣品屬于中高鏡質(zhì)組煤。樣品中孔分形維數(shù)大部分大于3，大孔分形維數(shù)也有相當(dāng)一部分大于3，這可能是由于壓縮效應(yīng)導(dǎo)致煤的孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞引起的[29]。由圖8a和圖8b可以看出，樣品鏡質(zhì)組含量占比表現(xiàn)為集中分布，大都在70%以上，并且這部分鏡質(zhì)組含量與中孔、大孔的復(fù)雜程度呈正相關(guān)關(guān)系；鏡質(zhì)組含量在70%以下的數(shù)據(jù)較少，本文不做討論。鏡質(zhì)組含量大于70%時，中孔和大孔的分形維數(shù)D3、D4隨鏡質(zhì)組含量的增加呈增大的趨勢。這一現(xiàn)象可能由以下原因?qū)е拢寒?dāng)鏡質(zhì)組含量較低時，其自身較均質(zhì)化孔隙所占比例較高，孔隙復(fù)雜程度相應(yīng)較低；當(dāng)鏡質(zhì)組含量較高時，大量脆性的鏡質(zhì)組受構(gòu)造影響可能產(chǎn)生別的類型的孔隙，煤巖中孔和大孔的隨機分布性和復(fù)雜性相對于鏡質(zhì)組較低時有所加強[20,30]。

圖8 孔隙復(fù)雜程度隨鏡質(zhì)組含量變化

4.2 成熟度對孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的控制

圖9 孔隙復(fù)雜程度隨成熟度變化

4.3 煤體結(jié)構(gòu)對孔隙復(fù)雜程度的控制

根據(jù)煤巖破壞的程度，可將煤樣分成4種類型，分別是原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂結(jié)構(gòu)煤、碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱結(jié)構(gòu)煤[32]。圖10展示了庫拜煤田不同煤體結(jié)構(gòu)煤巖中孔分形維數(shù)和大孔分形維數(shù)，可知不同煤體結(jié)構(gòu)對應(yīng)的中孔分形維數(shù)變化不大，表明庫拜煤田煤巖中孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度并不受煤體結(jié)構(gòu)的控制。由圖10b可知，原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤的大孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度接近，糜棱煤與碎粒煤的大孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高，表明煤體受破壞程度影響著大孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，結(jié)合4.2節(jié)可知，成熟度不是影響大孔復(fù)雜程度的主要因素，而煤體結(jié)構(gòu)對大孔的復(fù)雜程度影響較大。

圖10 孔隙復(fù)雜程度與煤體結(jié)構(gòu)關(guān)系箱型圖

原生結(jié)構(gòu)煤(圖11a、11b、11c)和碎裂結(jié)構(gòu)煤(圖11d、11e、11f)壓汞曲線劃分為Ⅰ類，進(jìn)汞和退汞曲線形態(tài)大致相似，基本沒有分離段，退汞效率為39.60%～76.96%。

碎粒結(jié)構(gòu)煤壓汞曲線(圖11g、圖11h、圖11i)可被劃分為Ⅱ類，進(jìn)退汞曲線形態(tài)差異較大，出現(xiàn)了明顯的分離段，退汞效率為20.31%～39.65%。糜棱結(jié)構(gòu)煤壓汞曲線(圖11j、圖11k、圖11l)可被劃分為Ⅲ類，進(jìn)退汞曲線形態(tài)相似程度不高，但是出現(xiàn)了階段性的突變特征，退汞效率為47.11%～58.36%。隨著構(gòu)造作用的加強，煤巖孔容的比例也在發(fā)生轉(zhuǎn)化，中孔和大孔所占比例有不同程度的增加，孔隙形態(tài)和類型也在發(fā)生變化，從而增加了中孔大孔的復(fù)雜程度，進(jìn)而使得糜棱煤的退汞效率相對于原生結(jié)構(gòu)煤較低[25]。

圖11 不同煤體結(jié)構(gòu)煤壓汞曲線特征

圖12展示了原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂結(jié)構(gòu)煤、碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱結(jié)構(gòu)煤的孔徑分布特征，相比之下，構(gòu)造煤大孔更發(fā)育；結(jié)合不同煤體結(jié)構(gòu)壓汞曲線，隨煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增大，壓汞曲線滯后回線逐漸明顯，表明煤巖中孔隙形態(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從管狀或平板狀形態(tài)為主轉(zhuǎn)向以墨水瓶形態(tài)為主[33]。構(gòu)造煤促進(jìn)了大孔的發(fā)育，也增加了孔隙形態(tài)的多樣性，因此，與大孔孔隙的復(fù)雜程度表現(xiàn)出了正相關(guān)關(guān)系。

圖12 不同煤體結(jié)構(gòu)孔徑分布特征

5 結(jié) 論

1)鏡質(zhì)組含量和成熟度不是控制庫拜煤田中低階煤中孔、大孔體積的主要因素； 原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤中孔、大孔體積接近，糜棱煤中孔、大孔體積明顯高出。

2)鏡質(zhì)組含量大于70%時，隨鏡質(zhì)組含量增大，中孔和大孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度趨于增大，可能導(dǎo)致儲層滲透率偏低。

3)煤體結(jié)構(gòu)與中孔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度關(guān)系微弱，但煤體結(jié)構(gòu)影響了大孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度；煤巖成熟度控制了中孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，但對大孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度控制作用較弱。