準(zhǔn)噶爾盆地白家海地區(qū)西山窯組深部煤巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)表征及發(fā)育主控因素

摘要：深部煤巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征對深層煤層氣勘探開發(fā)十分重要，為了明確深部煤巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征及發(fā)育主控因素，以準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起及周緣侏羅系西山窯組煤層為研究對象，運用覆壓孔滲、掃描電鏡、高壓壓汞、低溫液氮吸附、二氧化碳等溫吸附等多種試驗方法，對西山窯組煤巖儲層特征進行研究。結(jié)果表明：西山窯組煤巖演化程度低，顯微組分以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，具有低水分、特低灰和低揮發(fā)分的特點；西山窯組煤巖儲層發(fā)育孔縫雙重介質(zhì)儲集空間，儲層物性好；西山窯組煤巖儲層可以劃分為3種類型，Ⅰ類儲層儲集性能好，但滲透性能差，Ⅱ類儲層是研究區(qū)主要儲層類型，進一步分為Ⅱ1類和Ⅱ2類，Ⅱ1類儲層具有中等儲集性能和良好滲透性能，Ⅱ2類儲層與Ⅲ類儲層均以微孔為主，物性較差；西山窯組煤層孔隙結(jié)構(gòu)主要受灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)、惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)和埋深控制。

關(guān)鍵詞：深部煤巖儲層； 孔隙結(jié)構(gòu)； 準(zhǔn)噶爾盆地； 白家海凸起； 西山窯組

中圖分類號：TE 122.2"" 文獻標(biāo)志碼：A

引用格式：胡鑫，姚衛(wèi)江，胡正舟，等.準(zhǔn)噶爾盆地白家海地區(qū)西山窯組深部煤巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)表征及發(fā)育主控因素［J］. 中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，48（4）：12-23.

HU Xin， YAO Weijiang， HU Zhengzhou， et al. Pore structure characterization and main control factors of deep coal reservoir of Xishanyao Formation in Baijiahai area， Junggar Basin ［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2024，48（4）：12-23.

Pore structure characterization and main control factors of deep coal" reservoir of Xishanyao Formation in Baijiahai area， Junggar Basin

HU Xin1， YAO Weijiang1， HU Zhengzhou1， HUANG Fucheng1， WANG Yang1， WANG Xiaojing2

（1.Exploration and Developent Research Institute， PetroChina Xinjiang Oilfield Company， Urumqi 830013， China;

2.Exploration Division， PetroChina Xinjiang Oilfield Company， Karamay 834000， China）

Abstract：Understanding the pore structure characteristics of deep coal reservoir is crucial for exploring and developing deep coal bed methane. This study focuses on the coal seam of the Jurassic Xishanyao Formation in Baijiahai Bulge and its surrounding areas in the Junggar Basin， employing various experimental methods such as porosity and permeability under overburden pressure， scanning electron microscopy， high-pressure mercury injection， low-temperature liquid nitrogen adsorption， and carbon dioxide isothermal adsorption to analyze coal reservoir characteristics. The results indicate that the coal of Xishanyao Formation features low water content， ultra-low ash content， low volatile matter， and a low degree of evolution， predominantly comprising vitrinite and inertinite macerals. The coal reservoir of Xishanyao Formation exhibits a dual medium of pore-fracture reservoir space， demonstrating favorable reservoir properties. The coal reservoirs of Xishanyao Formation can be classified into three types. Types I has high porosity but poor permeability. Types II is the predominant reservoir type in the study area， which is further divided into Types II1 and Types II2. Types II1 has medium porosity with good permeability. Types II2 and Types III are characterized by micropores and poor reservoir properties. The pore structure of these coal reservoirs in Xishanyao Formation is primarily controlled by factors such as ash mass fraction， vitrinite volume fraction， inertinite volume fraction， and burial depth.

Keywords： deep coal reservoir; pore structure; Junggar Basin; Baijiahai Bulge; Xishanyao Formation

在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)引領(lǐng)下，天然氣作為低碳清潔的化石能源，承擔(dān)著中國綠色轉(zhuǎn)型的重任，天然氣勘探開發(fā)受國家進一步重視［1-2］。煤層氣作為重要天然氣類型，全球資源總量超過260×1012 m3［3］。據(jù)國土資源部2015年全國油氣資源動態(tài)評價成果顯示，中國煤層氣地質(zhì)資源量為36.8×1012 m3，其中埋深1500～3000 m煤層氣地質(zhì)資源量為30.0×1012 m3，主要分布在沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東南緣、準(zhǔn)噶爾盆地東部及南緣和滇東黔西盆地北部［4-5］。目前中國煤層氣勘探主要集中于中淺煤層，深層（埋深大于2000 m）煤層氣勘探尚處于起步階段［6-7］。近年針對深層煤層在沁水盆地、鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地等多個地區(qū)開展煤層氣試采，但由于單井產(chǎn)量低，致使深層煤層氣勘探相對滯后［8-9］。準(zhǔn)噶爾盆地深層煤層氣資源十分豐富，近年新疆油田在白家海凸起針對侏羅系深層煤層開展直井試氣工作，多井壓裂后快速見氣，證實準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系深層煤層氣資源潛力巨大［10］。為了進一步落實深層煤層氣水平井提產(chǎn)效果，新疆油田在白家海凸起部署CT1 H井，2021年5月該井在西山窯組煤層段（垂深2385.84 m）經(jīng)壓裂改造后快速見氣，Φ12 mm油嘴最高產(chǎn)氣5.7×104 m3/d，Φ8 mm油嘴穩(wěn)產(chǎn)2×104 m3/d，證實準(zhǔn)噶爾盆地深層煤層天然氣具備規(guī)模開發(fā)遠景［11］。CT1 H氣源對比分析指示其源于深部石炭系高熟氣源巖，與傳統(tǒng)意義上自生自儲煤層氣有所差異。CT1 H井發(fā)現(xiàn)深層煤層氣勘探新類型，證實可以將煤巖作為新的儲層類型進行油氣勘探，為深層低階煤層氣勘探提供新思路。目前不少學(xué)者針對淺層煤巖儲層開展許多研究，但關(guān)于深層煤巖儲層特征鮮有報道［12-13］。埋深是影響深、淺煤巖儲層物性差異的重要原因，相比淺層煤巖，深層煤層隨著埋深增加，上覆地層壓力增加，煤巖孔隙受壓閉合。因此煤巖在深埋條件下，由于應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，煤巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)必將發(fā)生改變，深層煤巖儲層是否發(fā)育有效儲層和深層煤巖儲層發(fā)育特征及儲層主控因素等問題制約深層煤層氣下一步勘探。筆者以準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起及周緣侏羅系西山窯組深層煤巖為例，利用鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞、低溫液氮吸附、二氧化碳等溫吸附、覆壓孔滲等資料綜合分析深層煤巖儲層特征，聯(lián)合多種方法對不同尺度煤巖儲層孔徑進行表征，并分析深層煤巖儲層發(fā)育主控因素，以期為深層煤層氣勘探提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

白家海凸起位于準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷東北部，整體為一個呈北東向展布的三級正向構(gòu)造單元［14］。凸起三面被生烴凹陷環(huán)繞，南側(cè)緊鄰阜康凹陷，北側(cè)為東道海子凹陷，東北方向為五彩灣凹陷，構(gòu)造格局表現(xiàn)為“凹中隆”，整體構(gòu)造向西南方向傾末，油氣成藏條件優(yōu)越（圖1）［15-16］。白家海凸起形成于海西中晚期，后經(jīng)印支運動、燕山運動和喜山運動進一步疊加改造，白家海背斜軸部沿北東向發(fā)育一系列小斷層，呈雁行式排列（圖1）［17］。侏羅系沉積時期，盆地構(gòu)造相對穩(wěn)定，廣泛沉積，自下而上發(fā)育八道灣組（J1b）、三工河組（J1s）、西山窯組（J2x）、頭屯河組（J2t）與齊古組（J3q）（圖1）［12 ，18］。本次研究目的層西山窯組沉積環(huán)境為曲流河—三角洲—湖泊相［19-20］。早期白家海地區(qū)主要為曲流河—三角洲前緣沉積，后期氣候越來越潮濕悶熱，河水注入越來越少，隨著湖盆逐漸縮小，三角洲平原沼澤相開始大規(guī)模發(fā)育，該時期成為準(zhǔn)噶爾盆地重要成煤期，發(fā)育多套深灰色泥巖夾多層煤層的沉積物組合［21-22］。

鉆井揭示白家海凸起及周緣西山窯組主要發(fā)育上下兩套煤層（彩8井區(qū)煤層缺失），兩套煤層之間發(fā)育2～4 m泥巖隔層，其中下煤層厚度普遍大于上煤層，是目前主要產(chǎn)氣層段。下煤層單層厚度4～10 m，埋藏深度2 000～5500 m。平面上西山窯組厚煤區(qū)分布受控于沉積相帶，在三角洲平原最為發(fā)育，凸起上厚度略薄于凹陷處。

2 樣品采集及試驗測試

本次研究所涉及試驗樣品來自DN 141、JT 2、BJ 8等井侏羅系西山窯組（J2x）巖心樣品（低溫液氮及二氧化碳吸附樣品11件，高壓壓汞樣品11件，覆壓孔滲樣品3件，孔滲樣品50件，煤巖微觀特征樣品18件）。相關(guān)分析化驗在中石油新疆油田實驗檢測研究院、中石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院和四川省科源工程技術(shù)測試中心完成，試驗方法步驟均按相關(guān)測試分析方法執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。低溫液氮吸附及二氧化碳等溫吸附試驗測試煤樣品的孔容、比表面積和孔徑分布采用儀器為美國麥克儀器公司多站擴展式全自動比表面積與孔隙度分析儀ASAP 2460，儀器測量孔徑為0.35～500 nm，低溫液氮吸附溫度為-195.8 ℃，二氧化碳吸附溫度為0 ℃，煤比表面積和煤孔體積及孔徑分布根據(jù)BET（Brunauer-Emmett-trller）多分子層吸附理論和BJH（Barrett-Johner-Halenda）理論及Kelvin方程計算得到。高壓壓汞測試通過麥克AutoPore 9520設(shè)備完成，壓汞試驗過程中，隨著注入壓力的增大，樣品的原生孔隙結(jié)構(gòu)會被破壞，煤巖基質(zhì)壓縮，導(dǎo)致壓汞測得微孔、過渡孔體積偏大，但對中大孔分析誤差較小，因此本次研究主要用高壓壓汞表征中、大孔孔徑分布。覆壓孔滲采用CMS-300型全自動覆壓孔滲儀完成?？紫抖燃皾B透率采用ULTRA-PORE300型氦孔隙度自動測定儀及ES-V型氣體滲透率測量儀完成，煤巖微觀特征觀察主要采用EV015-08-35掃描電子顯微鏡、Axi0Skop40偏光顯微、CIAS-2007圖像分析儀器。

3 煤巖儲層特征

3.1 煤質(zhì)和煤階

研究區(qū)西山窯組煤巖宏觀特征表現(xiàn)為灰黑色—黑色半光亮型或暗淡型煤。煤巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組最少，其中鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)在35.2%～79.2%，平均值為55.7%，惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)在18.1%～60.5%，平均值為39.3%，殼質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)在1.5%～10.4%，平均值為5.0%。鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系可以反映成煤環(huán)境的覆水深度與氧化還原條件，西山窯組鏡惰比為0.59%～4.38%，反映泥炭成煤環(huán)境為潮濕弱覆水—極潮濕覆水條件下的還原環(huán)境［23］。

研究區(qū)西山窯組煤巖具有低水分、特低灰和低揮發(fā)分的特點，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%～6.0%，平均為4.4%，灰分產(chǎn)率在1.0%～5.5%，平均為2.5%，揮發(fā)分產(chǎn)率在23.3%～36.1%，平均為28.1%。

西山窯組煤巖整體演化程度較低，鏡質(zhì)組反射率（Ro）為0.45%～0.85%，平均為0.61%，屬于中低階煤。

3.2 儲集空間特征

白家海凸起及周緣西山窯組煤巖儲集孔間主要由裂隙（割理與構(gòu)造裂縫）和基質(zhì)孔隙構(gòu)成。割理分為面割理和端割理，面割理延伸較遠，被端割理切割，二者相互垂直、相互連通，成組出現(xiàn)。基于割理這一特性，割理與構(gòu)造裂縫可以較好區(qū)分開（圖2（a）～（c））。掃描電鏡下觀察到，煤巖基質(zhì)孔隙以微米級（孔徑為0.3～73 μm）植物組織孔、黏土晶間孔及有機質(zhì)孔組成（圖2 （d）～（f））。

3.3 物性特征

3.3.1 常規(guī)物性特征

研究區(qū)西山窯組煤巖為中低階煤，儲巖儲層物性較好，孔隙度4.2%～21.5%（平均孔隙度13.6%，樣品32件），滲透率（0.031～36.972）×10-3 μm2（平均滲透率為5.414×10-3 μm2，樣品32件），屬于極好—好儲層。從煤巖儲層孔滲交會圖可以看出煤巖儲層孔滲相關(guān)性較差，說明深層煤巖儲層具有孔縫雙重介質(zhì)儲集空間特征（圖3）。

3.3.2 覆壓物性特征

研究區(qū)西山窯組煤層埋深普遍較大（大于2000 m），地面實測孔隙度及滲透率可能偏大。為了獲取更為真實的煤巖儲層物性，選取JT2井西山窯組2個樣品進行覆壓孔滲測試。測試結(jié)果表明，當(dāng)壓力小于15 MPa時，孔隙度隨壓力增加而降低（其中JT2-3195降低不明顯，可能與其脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高有關(guān)），當(dāng)壓力大于15 MPa時，孔隙度隨壓力變化不明顯（圖4（a））。2個樣品滲透率隨壓力增加，滲透率急劇降低，表現(xiàn)出強應(yīng)力敏感性（圖4（b））。

覆壓條件下煤層孔隙度與滲透率表現(xiàn)出不同變化規(guī)律，主要是由于煤巖儲層孔隙類型決定。煤巖儲層孔隙度主要由煤巖基質(zhì)孔隙決定，煤層處于應(yīng)力狀態(tài)下，隨著上覆壓力增加，煤層壓實作用增強，基質(zhì)孔隙發(fā)生變形縮小，導(dǎo)致儲層孔隙度降低，當(dāng)壓力增加到一定程度時基質(zhì)孔隙形變微弱，儲層孔隙度基本不再發(fā)生變化。滲透率主要受控于儲層內(nèi)部的裂縫系統(tǒng)及孔隙喉道，隨著上地層壓力增加，煤層內(nèi)部裂縫及喉道發(fā)生閉合，導(dǎo)致儲層滲透率急劇下降。由此可見深層低階煤巖儲層，仍具有一定的儲集性能，但由于處于高應(yīng)力狀態(tài)，滲透性能較低，加強煤巖儲層滲透能力改造是深層中低階煤層氣增產(chǎn)的關(guān)鍵。

3.4 孔隙結(jié)構(gòu)特征

煤巖儲層孔結(jié)構(gòu)特征不但控制煤層氣的吸附／解吸與滲流過程，而且還對煤層氣的賦存狀態(tài)有重要影響。為了更好地描述J2x深層煤巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征及孔徑分布情況，選取DN141井和JT2井J2x煤層巖心樣品進行高壓壓汞、低溫液氮吸附及二氧化碳等溫吸附試驗，采用分層次多尺度方法對不同尺度儲集空間進行定量表征，并根據(jù)霍多特提出的煤巖孔隙劃分方案，將J2x煤巖孔隙劃分為微孔（孔徑小于10 nm）、小孔（孔徑10～100 nm）、中孔（孔徑100～1000 nm）和大孔（孔徑大于1000 nm）［24］。

3.4.1 高壓壓汞

分別選取凸起區(qū)JT2與凹陷區(qū)DN141各3個能夠代表J2x儲層特征的樣品進行高壓壓汞試驗。高壓汞試驗表明：不同樣品進汞曲線存在差異，進汞曲線無明顯平緩段，排驅(qū)壓力與最大進汞飽和度分布相對較分散，壓汞曲線整體反映出深層煤巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不均勻，雖然存在部分大孔隙，但整體連通性較差，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)進汞曲線形態(tài)，可以將西山窯組煤巖儲層分為三大類、四小類，其中Ⅱ類儲層是研究區(qū)J2x主要儲層類型（表1、圖5）。

Ⅰ類儲層：儲層孔隙度較高（φgt;18%），排驅(qū)壓力pd與飽和中值壓力pd50相對較低（pd≤0.2 MPa，pc50≤2 MPa），進汞曲線平緩段傾斜且短，進汞飽和度SHg較高但退汞效率We較低（SHg≥95%，We≤20%），孔徑主要分布范圍10～13000 nm，500～10000 nm之間孔隙體積占比較大（圖5（a）、圖6）。綜合說明該類型儲層儲集空間貢獻主要來自中、大孔，整體孔隙度較高，儲集性能較好，但孔隙喉道整體分選差，連通性不好，退汞效率低。

Ⅱ類儲層：儲層孔隙度相比Ⅰ類儲層差（10%lt;φ≤18%），從壓汞曲線可以看出所有Ⅱ類儲層進汞曲線形態(tài)較為相似，具有低排驅(qū)壓力中等飽和中值壓力（0.02≤pd≤1 MPa，2≤pc50≤21 MPa），曲線無明顯平緩段，進汞飽和度高（75%≤SHg≤95%），退汞效率中等（20%≤We≤55%）。根據(jù)儲層物性特征及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，Ⅱ類儲層可進一步細分為Ⅱ1與Ⅱ2類儲層。Ⅱ1類儲層排驅(qū)壓力較低，具有中等飽和中值壓力，孔徑分布范圍8～2200 nm，集中分布在130～2200 nm，說明該類儲層孔隙度貢獻仍來自中、大孔，發(fā)育部分微、小孔，具有中等儲集性能和滲透性能（圖5（b）、圖6）。Ⅱ2類儲層孔徑分布范圍較廣，孔徑分布范圍6～43000 nm，孔徑分布存在多個峰值，排驅(qū)壓力與飽和中值壓力均較低，退汞效率高于Ⅰ類與Ⅱ1類儲層，但儲層孔隙度低于Ⅰ類與Ⅱ1類儲層，說明Ⅱ2類儲層儲集性能較差，具有中等滲透性能，且儲層非均質(zhì)性強（圖5（b）、圖6）。

Ⅲ類儲層：儲層物性較差（φ≤10%），具有低排驅(qū)壓力高飽和中值壓力（0.02≤pd≤1 MPa，21 MPa≤pc50），曲線無平緩段，退汞效率較高（55%≤We≤70%），孔徑分布范圍6～43000 nm，其中130～2200 nm之間的孔徑孔隙體積占比較大，從孔徑分布圖上可以看到6～150 nm孔隙度貢獻最大，綜合說明Ⅲ類儲層儲集性能較差，儲層連通性較好，退汞效率高，煤層氣采出率高（圖5（c）、圖6）。

3.4.2 低溫液氮吸附

低溫液氮吸附和脫附曲線形態(tài)可反映煤的不同孔徑分布和孔形結(jié)構(gòu)特征。陳萍等［25］依據(jù)孔形的不同以及凝聚、蒸發(fā)時氣—液界面的差異，將孔形主要分為3種類型：①一端封閉的圓筒孔、平行板孔及尖劈形孔，在凝聚和蒸發(fā)過程中，孔的氣液兩相界面均為半球形的彎月面，毛細凝聚時的壓力約等于蒸發(fā)時的相對壓力，不產(chǎn)生吸附回線；②兩端都開孔的圓筒孔和四邊都開的平行板孔，凝聚時的氣液界面和蒸發(fā)時氣液界面不同，吸附／解吸兩個吸附等溫線的分支會發(fā)生分離；③細瓶頸狀孔，由于較小孔徑的存在，解吸時較小孔徑處的凝聚液封堵孔隙內(nèi)部的凝聚液，使得凝聚時的相對壓力與蒸發(fā)時的壓力不一致，產(chǎn)生吸附回線，并存在吸附“拐點”。

分別選取不同類型儲層典型樣品進行低溫液氮等溫吸附試驗。根據(jù)試驗結(jié)果可知，不同類型儲層BJH比表面積與BJH孔隙體積主要由微孔和小孔貢獻（表2）。從等溫吸附曲線可以看出，盡管不同類型儲層吸附曲線形態(tài)略有差異，但整體均呈現(xiàn)反“S”形態(tài)，與IUPAC分類中的Ⅱ型吸附類型相似，反映非孔或者大孔吸附劑上典型的物理吸附過程。

Ⅰ類儲層：吸附量最大，吸附和脫附曲線平行重疊，幾乎無回線，反映半開放孔的物理吸附過程，根據(jù)陳萍等［25］關(guān)于低溫液氮吸附和脫附曲線形態(tài)分類，Ⅰ類儲層孔隙類型主要為一端封閉圓筒孔、平行板孔及尖劈形孔（圖7（a））。孔徑分布圖上可以看出Ⅰ類儲層孔隙較發(fā)育，孔徑2～10 nm為主，存在部分小孔，最可幾孔徑2.1 nm，綜合說明Ⅰ類儲層具有良好的儲集性能，但滲透性較差（圖8）。

Ⅱ類儲層：吸附量相比Ⅰ類儲層少（Ⅱ1類儲層gt;Ⅱ2類儲層），吸附線穩(wěn)定上升，脫附曲線存在明顯滯后環(huán)。反映孔隙形態(tài)為兩端都開孔的圓筒孔和四邊都開的平行板孔。但約在脫附曲線上p/p0=0.5有一個相對拐點，說明存在“細瓶頸”孔，同時Ⅱ1類儲層在相對壓力較低處吸附曲線與脫附曲線重合，表明該相對壓力下對應(yīng)的孔隙形態(tài)多為一端封閉的不透氣性孔，脫附曲線上Ⅱ2類儲層相比Ⅱ1類儲層拐點更明顯，說明Ⅱ2類儲層“細瓶頸”孔隙更發(fā)育（圖7（b）、（c））?？讖椒植紙D上，Ⅱ1類儲層與Ⅰ類儲層孔徑比較類似，孔徑2～10 nm為主，存在部分小孔，儲層孔隙發(fā)育程度較Ⅰ類儲層略差，最可幾孔徑2.08 nm，Ⅱ2類儲層孔隙欠發(fā)育，孔徑1.9～8.9 nm為主，最可幾孔徑1.9 nm（圖8）。綜合說明Ⅱ1類儲層由于存在兩端開口的孔隙，具有中等滲透性，但由于孔隙發(fā)育程度較Ⅰ類儲層略差，具有中等儲集性能。Ⅱ2類儲層孔隙欠發(fā)育，儲集性能較差。

Ⅲ類儲層：吸附曲線與脫附曲線形態(tài)與Ⅱ1類儲層類似，表明其孔隙形態(tài)與Ⅱ1類儲層類似，但其吸附量明顯低于其他幾類儲層，表明其孔隙發(fā)育程度最差（圖7（d））?？讖椒植紙D上可以看出Ⅲ類儲層類孔徑1.9～4.8 nm為主，最可幾孔徑1.9 nm，綜合說明Ⅲ類儲層孔隙發(fā)育程度最低，儲集性能最差（圖8）。

3.4.3 二氧化碳吸附

不同類型儲層二氧化碳吸附等溫線如圖9所示，相對壓力一定時，Ⅰ類儲層二氧化碳吸附量最高，Ⅱ1類儲層與Ⅱ2類儲層次之，Ⅲ類儲層二氧化碳吸附量最低，說明在二氧化碳等溫吸附可以識別的孔徑范圍內(nèi)，Ⅰ類儲層孔隙最發(fā)育，Ⅲ類儲層孔隙發(fā)育程度最低。

不同類儲層孔徑分布曲線顯示，Ⅰ類儲層與Ⅱ1類儲層孔徑分布曲線形態(tài)相似，在0.35、0.5及0.82 nm附近存在峰值，孔徑在0.44～1.47 nm范圍內(nèi)連續(xù)分布，具有一定的均質(zhì)性（圖10）。Ⅱ2類與Ⅲ類儲層特征類似，孔徑在0.42～1.06 nm范圍內(nèi)存在多個峰值，孔徑分布不連續(xù)，儲層非均質(zhì)性強（圖10）。

3.4.4 多尺度儲集空間表征

由于煤巖儲層發(fā)育不同尺度孔徑，單一試驗方法均不能準(zhǔn)確反映煤巖全孔徑分布，因此本次利用不同試驗方法對煤巖儲層不同尺度孔徑進行拼接，進而得到煤巖全孔徑分布。針對不同試驗方法識別出的重疊孔徑范圍，則主要采用精度更高的試驗方法識別出的孔徑數(shù)據(jù)。結(jié)合前人研究成果，本次研究對孔徑大于50 nm的孔隙采用高壓壓汞，對孔徑2～50 nm的孔隙采用低溫液氮吸附，對孔徑小于2 nm的孔隙采用二氧化碳等溫吸附［12］。

由煤巖儲層全孔徑分布圖可以看出，三類儲層小孔均欠發(fā)育，Ⅰ類儲層微孔與大孔出現(xiàn)概率較高，Ⅱ1類儲層微孔與中孔出現(xiàn)概率較高，Ⅱ2類儲層與Ⅲ類儲層峰值主要集中于1 nm以下，說明微孔出現(xiàn)概率較高，中大孔出現(xiàn)概率低（圖11）。圖12反映Ⅰ類儲層孔隙度主要來自大孔的貢獻，Ⅱ類儲層與Ⅲ類儲層孔隙度主要來自于中孔的貢獻，其中Ⅲ類儲層相比另外兩類儲層，微孔與小孔對儲層孔隙度貢獻增加。

4 孔隙結(jié)構(gòu)影響因素

前人研究表明煤巖儲層孔隙發(fā)育情況受灰分、顯微組分、埋深、煤變質(zhì)程度與成煤環(huán)境等多個因素控制［20］。研究區(qū)J2x煤巖均屬中低階煤，成煤環(huán)境為三角洲平原背景下的森林沼澤相，成煤植物以木本植物為主。因此成煤環(huán)境與變質(zhì)程度對J2x煤巖儲層差異影響不明顯。本次研究僅討論灰分與顯微組分和埋深對儲層的影響。

煤巖中的灰分是反映煤中礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的指標(biāo)之一，受陸源物質(zhì)供給影響，灰分對煤巖儲層物性的影響表現(xiàn)為充填部分孔隙及喉道，造成儲層物性變差。隨著灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，儲層總孔容減少（圖13（a））。

鏡質(zhì)組中主要發(fā)育微孔，而惰質(zhì)組中的胞腔孔、胞壁孔是中孔、大孔的主要貢獻者［20］。J2x煤巖顯微組分主要為鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組，儲層總孔容隨著鏡質(zhì)組增加而降低，隨著惰質(zhì)組增加而增加，反映鏡質(zhì)組主要貢獻微孔和小孔，惰質(zhì)組的增加有利于中孔、大孔的發(fā)育（圖13 （b）、（c））。表3為不同儲層類型工業(yè)分析與顯微組分，從Ⅰ類儲層到Ⅲ類儲層，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)降低，反映儲層質(zhì)量變差。

由于煤巖儲層孔隙度應(yīng)力敏感性弱，滲透率應(yīng)力敏感性強，隨著埋深增加，上覆壓力增加，惰質(zhì)組中的細胞腔孔發(fā)生變形，儲集空間變小，儲層孔隙度降低，但隨著埋深增加壓力達到一定程度，細胞腔孔形變達到極限，煤巖儲層孔隙度基本不再變化（圖14 （a））。但隨著埋深增加，上覆壓力增大，儲層喉道及裂縫發(fā)生閉合，滲透率急劇降低（圖14（b））。因此埋深是控制深部煤巖儲層滲透性能的關(guān)鍵因素，也是與淺層煤巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)差異的重要原因。

5 結(jié) 論

（1）研究區(qū)西山窯組煤巖為灰黑色—黑色半光亮型或暗淡型煤，顯微組分以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，具有低水分、特低灰和低揮發(fā)分的特點，煤巖整體演化程度低。

（2）西山窯組煤巖儲層物性較好，儲集空間主要為裂縫和基質(zhì)孔隙，具有孔縫雙重介質(zhì)儲集空間特征。覆壓條件下，孔隙度表現(xiàn)出弱應(yīng)力敏感性，證實深層煤巖儲層同樣具有良好儲集性能，而隨著上地層壓力增加，煤層內(nèi)部裂縫及孔隙喉道發(fā)生閉合，導(dǎo)致儲層滲透率急劇下降，改善煤巖儲層滲透性能是深部煤巖儲層增產(chǎn)的關(guān)鍵。

（3）西山窯組煤巖儲層可以劃分為3種類型，Ⅰ類儲層孔隙形態(tài)主要為一端封閉圓筒孔、平行板孔及尖劈形孔，孔徑大小以微孔與大孔為主，儲層儲集性能較好，但滲透性能較差，大孔對其孔隙度貢獻最大；Ⅱ類儲層是研究區(qū)主要儲層類型，可以進一步分為Ⅱ1類儲層和Ⅱ2類儲層，孔隙形態(tài)以兩端都開孔的圓筒孔和四邊都開的平行板孔為主，存在部分“細瓶頸”孔，中孔對其孔隙度貢獻最大。Ⅱ1類儲層發(fā)育少量一端封閉的不透氣性孔，儲層孔徑大小主要為微孔和中孔，具有中等儲集性能與良好滲透性，Ⅱ2類儲層相比Ⅱ1類儲層“細瓶頸”孔隙更發(fā)育，孔徑大小以微孔為主，儲集性能較差。Ⅲ類儲層孔隙形態(tài)與Ⅱ1類儲層孔隙形態(tài)類似，孔徑大小以微孔為主，孔隙度主要來自中孔的貢獻，相比Ⅰ類儲層與Ⅱ類儲層，Ⅲ類儲層微孔與小孔對儲層孔隙度的貢獻增加。

（4）西山窯組煤層孔隙結(jié)構(gòu)主要受灰分、鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和埋深控制，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，煤巖儲層物性越差，鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)越高，煤巖儲層微孔越發(fā)育，儲集性能越差，惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)越高，中、大孔越發(fā)育，儲層儲集性能越好；埋深增加，煤巖儲層孔隙度變化不明顯，滲透率急劇降低。

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（編輯 李 娟）

收稿日期：2024-03-20

基金項目：中國石油集團公司攻關(guān)性應(yīng)用性科技專項（2023ZZ18YJ02）；中國石油天然氣股份有限公司科技項目（2021DJ2306）；中石油新疆油田重大科技專項（2024XJZX0302）

第一作者及通信作者：胡鑫（1992-），男，工程師，碩士， 研究方向為油氣地質(zhì)綜合研究。E-mail：huxin.92@qq.com。

文章編號：1673-5005（2024）04-0012-12"" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.04.002