大寧-吉縣區(qū)塊深層煤巖多尺度孔縫結(jié)構(gòu)特征

楊秀春,宋柏榮,陳國輝,何 睿,趙浩陽,楊 瀟

(1.中國石油煤層氣有限責任公司，北京 100028；2.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100095；3.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010；4.北京潤澤創(chuàng)新科技有限公司，北京 100120)

0 引 言

中國深層煤層氣資源豐富，是煤系氣勘探的新領域，鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)、新疆五彩灣地區(qū)試采取得了工業(yè)氣流，大寧-吉縣區(qū)塊開展先導試驗并獲得高產(chǎn)，這表明深層煤層氣勘探開發(fā)具有巨大的潛力。深層煤巖孔隙識別、全方位定量表征是認識深層煤優(yōu)質(zhì)儲層分布的關鍵，同時也是研究煤層氣賦存和滲流機理的關鍵因素。目前，國內(nèi)外研究煤層孔縫結(jié)構(gòu)的實驗方法很多，常見方法有壓汞、低溫液氮吸附[1-2]、掃描電鏡[3-5]、X射線計算機層析掃描[6-9]及核磁共振[9]等。壓汞實驗的高壓條件會對煤孔隙造成人為破環(huán)；低溫液氮吸附實驗只能測得較小的孔徑(主要為納米孔)分布范圍[2]；掃描電鏡實驗獲得的圖像視域小且代表性有限，無法實現(xiàn)全面的定量計算；X射線計算機層析掃描，也僅停留在某一單一尺度；核磁共振實驗僅能獲得孔縫結(jié)構(gòu)二維信息。上述方法均存在單一性和片面性的問題。因此，首次提出利用多尺度數(shù)字巖心拼接技術實現(xiàn)煤巖全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)特征的定量描述，先通過全直徑CT掃描實現(xiàn)毫米和微米孔縫識別與計算，再利用微米、亞微米級CT掃描及納米級電鏡掃描完成微米孔縫及納米孔的識別和定量計算，最后利用多尺度數(shù)字巖心掃描技術，完成煤巖全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)表征。該技術具備無損化、三維表征的獨特優(yōu)勢，極大程度保留了儲層孔縫原始特征。該文以鄂爾多斯盆地大寧-吉縣區(qū)塊深層8號煤層為研究對象，應用多尺度數(shù)字巖心拼接技術，完成煤儲層孔縫結(jié)構(gòu)多尺度定量分析及可視化表征，確定優(yōu)勢儲層段，并與氣測錄井相結(jié)合，實現(xiàn)了煤層氣壓裂選層，以期為該地區(qū)煤勘探提供了技術支撐。

1 實驗樣品

煤樣選自鄂爾多斯盆地大寧-吉縣區(qū)塊太原組8號煤層，厚度為4.0～12.0 m，平均厚度為7.8 m；宏觀煤巖類型為亮煤、鏡煤，顯微組分以鏡質(zhì)組為主，平均含量為65%，最高可達95%；其次為惰質(zhì)組，平均含量為20%左右，具有低水分、灰分、揮發(fā)分特點。煤巖演化程度較高，Ro為2.19%～3.02%，含氣量為22～33 m3/t，孔隙度為2.35%～6.11%，滲透率大部分小于0.05 mD。選取6口典型井(H12、H13、H14、H15、D54、D20)，樣點埋藏深度為2 000～2 500 m。對8號煤層進行全直徑CT掃描實驗，在此基礎上，鉆取10顆煤巖柱塞樣品用于微米CT掃描、納米FIB掃描電鏡、場發(fā)射掃描電鏡等實驗。

2 實驗方法

煤巖儲層是具備孔隙和割理雙重系統(tǒng)的復雜介質(zhì)，為更加準確地對煤巖儲層進行定量研究[10]，開展了多種尺度組合的掃描分析。

2.1 CT掃描實驗

X射線CT掃描的全稱是X射線計算機層析成像技術。其原理為X射線以360 °全角度掃描巖心時，基于樣品內(nèi)部物質(zhì)對X射線的吸收系數(shù)不同，即樣品礦物組成的密度不同，在探測器上形成灰度值不同的投影圖像，利用專業(yè)軟件對圖像進行三維重構(gòu)處理，從而建立全直徑巖心的三維數(shù)字模型，并得到相關的定量數(shù)據(jù)。

2.2 聚焦離子束掃描電鏡實驗

聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)，是用離子束對樣品拋光面進行轟擊，產(chǎn)生二次離子以及二次電子來成像，可以獲取納米級分辨率的三維結(jié)構(gòu)特征[11]。按照切割小塊樣品、打磨光滑面、氬離子拋光儀進行拋光、噴鍍導電層的步驟制成氬離子拋光樣品，將制樣放置在樣品臺上進行觀測。選取感興趣區(qū)域進行切割，每切割一次形成一張切片圖像，連續(xù)切割幾百次后，得到一系列SEM圖像，從而形成三維結(jié)構(gòu)模型。

3 煤巖數(shù)字巖心孔縫結(jié)構(gòu)多尺度表征

3.1 煤巖多尺度孔-縫類型

通過全直徑CT掃描實驗、微米CT掃描實驗、FIB-SEM掃描電鏡實驗以及煤巖光片分析等技術手段，得到全直徑CT掃描宏觀毫米裂縫-割理發(fā)育圖，煤巖顯微光片、微米CT微米孔縫發(fā)育圖和煤巖掃描電鏡納米孔發(fā)育圖(圖1～3)。由圖1～3可知，深層煤巖具有多尺度孔縫發(fā)育特征，發(fā)育宏觀尺度毫米級外生裂縫、內(nèi)生割理、微米尺度孔縫以及納米孔隙。研究表明[12-17]：宏觀毫米級的高角度裂縫和割理發(fā)育為氣體大規(guī)模運聚提供了優(yōu)勢的滲流通道，是煤層氣開發(fā)生產(chǎn)的主要滲流通道；微米級孔縫組合為小規(guī)模的氣體擴散及滲流提供條件，主要發(fā)育有微裂縫及礦物溶蝕孔隙；納米級孔隙主要提供氣體的賦存空間，主要發(fā)育氣孔和組織孔。

圖1 全直徑CT掃描宏觀毫米裂縫-割理發(fā)育圖Fig.1 The macroscopic millimeter fracture-cleat development by full-diameter CT scanning

圖2 煤巖顯微光片、微米CT微米孔縫發(fā)育圖Fig.2 The micro pore-fracture development of coal rock by microscopic light film and micro-CT

3.2 煤巖全直徑CT掃描孔縫發(fā)育特征

巖心孔縫評價是現(xiàn)場試油試采、壓裂選層的重要參考因素，對煤巖段毫米級孔縫結(jié)構(gòu)的定量表征，可為現(xiàn)場壓裂及選層提供有利指導[18-19]。煤巖儲層具有復雜的多尺度孔縫結(jié)構(gòu)特征，姚軍朋等[20-21]運用測井曲線組合特征來判斷煤巖宏觀孔縫結(jié)構(gòu)特征，但由于受縱向分辨率的限制，毫米級的裂縫和割理在測井曲線上無法有效識別，此次運用全直徑CT掃描技術，分辨率可達到146 μm，能夠有效解決這一問題。

以D20井為例，D20井2 280.37～2 280.82 m段煤巖，長度為0.45 m。對選取的直徑為8 cm的煤巖樣品進行全直徑CT掃描，利用PerGeos專業(yè)軟件完成巖心毫米級三維表征(圖4a—c)，并建立孔縫模型(圖4d)，再提取裂縫模型(圖4e)，后計算孔縫參數(shù)。巖心密度越大，掃描灰度圖像上越接近白色。煤巖在掃描圖像上顯示為黑褐色，碳酸鹽和黃鐵礦等高密度礦物顯示為白色、亮白色。由圖4可知：煤巖樣品發(fā)育毫米級高角度縫、水平縫、內(nèi)生割理及溶孔。經(jīng)計算，裂縫孔隙度為1.55%，裂縫密度為22.5條/m，裂縫平均開度為1.1 mm；發(fā)育4條高角度縫，傾角為65.5～78.0 °，延伸長度最大為96 mm；煤巖內(nèi)部割理發(fā)育，呈網(wǎng)狀分布，部分被黃鐵礦及碳酸鹽礦物充填；橫截面上可見毫米級溶孔，最大孔徑為2.2 mm。

圖3 煤巖掃描電鏡納米孔發(fā)育圖Fig.3 The nano-pore development of coal rock by scanning electron microscope

3.3 煤巖微、納米多尺度孔縫發(fā)育特征

對選取的煤巖樣品進行微米級CT掃描和納米級FIB-SEM掃描電鏡實驗，掃描分辨率分別為1 μm和10 nm，并利用專業(yè)的數(shù)字巖心分析軟件PerGeos完成煤巖微、納米級孔縫結(jié)構(gòu)的三維表征(圖5)。骨架模型中黑色部分為微孔和微裂縫，灰色及白色為巖石骨架；孔隙模型直觀展示了巖石中孔-縫的三維空間展布；孔喉分布球棍模型中球狀部分為孔隙，棍狀部分為喉道，煤巖中的微裂縫往往以大量喉道網(wǎng)狀分布的形式存在，為基質(zhì)微孔間的連通提供通道。根據(jù)煤巖微、納米數(shù)字巖心橫型，分別對煤巖微米和納米孔喉空間進行定量計算，微米孔喉樣品孔隙度為3.68%～7.11%，平均孔隙半徑為2.99～4.15 μm，平均喉道半徑為1.16～1.80 μm，平均配位數(shù)為0.038 1～0.462 2個(表1)；納米孔喉的孔隙、喉道半徑主要分布在10～100 nm(表2)，煤巖納米孔是氣體主要的吸附空間，納米孔體積小但數(shù)量多，為煤層氣的吸附提供了大量的表面積。微裂縫孔隙度為0.11%～0.30%，裂縫貢獻率(微裂縫體積占孔-縫總體積的比例)為2.65%～6.80%，裂縫平均開度為3.75～4.84 μm(表3)。微裂縫對孤立微孔的連通起到至關重要的作用，微裂縫的形態(tài)、條數(shù)、開度和連續(xù)性是評價其有效性的關鍵因素。

圖4 D20井煤巖毫米數(shù)字巖心模型圖Fig.4 The millimeter digital core model of coal rock in Well D20

圖5 2號煤巖微、納米數(shù)字巖心模型圖Fig.5 The micro and nano digital core model of No.2 coal rock

表1 煤巖微米孔隙結(jié)構(gòu)定量參數(shù)Table 1 The quantitative parameters of micro-pore structure of coal rock

表2 煤巖納米孔隙結(jié)構(gòu)定量參數(shù)Table 2 The quantitative parameters of nano-pore structure of coal rock

表3 微裂縫發(fā)育定量參數(shù)Table 3 The quantitative parameters of micro-fracture development

煤巖儲層孔隙發(fā)育具有復雜的多尺度特征，研究煤巖孔隙發(fā)育的多尺度分布特征對探究煤層氣儲層滲透性及高產(chǎn)控制因素具有重要意義。將3塊煤巖(7、9、10號)不同尺度的孔隙數(shù)據(jù)進行拼接，獲得多尺度的孔隙分布數(shù)據(jù)，采用霍多特(1996)十進制分類方法進行孔隙類型的劃分(表4)：微孔(小于10 nm)、小孔(10～102 nm)、中孔(102～103 nm)、大孔(大于103 nm)。分析得出，微孔和小孔在數(shù)量上具有較高的占比，小孔占比可達68.24%，同時這部分孔隙也為吸附氣提供了絕大部分的表面積，平均表面積占比為63.68%。大孔包括了微米孔和微米縫，其數(shù)量占比低，但貢獻了大部分的孔隙體積，微米孔-縫的發(fā)育為煤層氣的解吸、擴散及滲流提供了通道。

表4 煤巖多尺度孔隙聯(lián)合定量表征數(shù)據(jù)Table 4 The joint quantitative characterization data of multi-scale pores in coal rock

4 結(jié) 論

(1) 應用多尺度數(shù)字巖心掃描技術，獲得了多尺度的巖心孔-縫發(fā)育圖像，分析認為煤巖儲層孔-縫系統(tǒng)發(fā)育具有復雜的多尺度特征，納米尺度發(fā)育有較多氣孔和組織孔；微米尺度發(fā)育有礦物溶孔、組織孔及微裂縫；毫米尺度發(fā)育高角度外生裂縫及內(nèi)生割理組合。

(2) 通過全直徑CT掃描實驗對D20井煤巖段巖心進行毫米級三維表征，建立孔-縫模型，計算孔-縫參數(shù)得到裂縫孔隙度為1.55%，裂縫密度為22.5條/m，裂縫平均開度為1.1 mm，發(fā)育4條高角度縫，傾角為65.5～78.0 °，延伸長度最大為96 mm。

(3) 通過微米級CT掃描和FIB-SEM納米掃描實驗，得出微米孔隙平均半徑為2.99 ～4.15 μm，微米喉道平均半徑為1.16～1.80 μm；微裂縫平均開度為3.75～4.84 μm；納米孔隙平均半徑為51.21～80.65 nm，納米喉道平均半徑為19.44～32.06 nm。

(4) 通過微、納米孔隙數(shù)據(jù)拼接，得出微孔和小孔在數(shù)量上具有較高的占比，其中，小孔數(shù)量占比最高，平均表面積占比為63.68%，為吸附氣提供了絕大部分的表面積；大孔數(shù)量占比低，但貢獻了大部分的孔隙體積，微米孔-縫的發(fā)育為煤層氣的解吸、擴散及滲流提供了通道。