黔西阿弓向斜北翼主采煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

李榮雷 馮云飛 韓明輝

摘要：為研究黔西織納煤田阿弓向斜煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征，指導(dǎo)該區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)和煤礦瓦斯抽采，對(duì)研究區(qū)施工的煤層氣參數(shù)井DJT1井主采煤層煤樣做了壓汞、煤巖鑒定等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了煤層中孔隙特征及孔隙表征參數(shù)的變化規(guī)律，探討了該區(qū)孔隙特征的地質(zhì)控制因素。結(jié)果表明：孔隙形態(tài)以開(kāi)放孔為主，含一定數(shù)量的半封閉孔。總孔容在0.022?5～0.033?1?mL/g，小孔所占比例最高，其次是微孔。孔隙率和孔容隨煤變質(zhì)程度增加呈現(xiàn)遞減變化。煤巖顯微組分鏡質(zhì)組含量普遍超過(guò)55%，控制了微孔和小孔的含量，而礦物質(zhì)含量的增加總體上對(duì)孔隙發(fā)育產(chǎn)生不利影響。

關(guān)鍵詞：阿弓向斜?主采煤層?孔隙特征?壓汞實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TE31;P618.13

Research?on?the?Pore?Structure?Characteristics?of?the?Main?Coal?Seam?in?the?North?Flank?of?the?Agong?Synclinal?Coal?Reservoir?in?Qianxi

LI?Ronglei???FENG?Yunfei*??HAN?Minghui

（Guizhou?Engineering?Technology?Research?Center?for?Coalbed?Methane?and?Shale?Gas，?Guiyang，?Guizhou?Province，?550081?China）

Abstract：?In?order?to?study?the?pore?structure?characteristics?of?the?Agong?synclinal?coal?reservoir??of?the?Zhijin-Nayong?Coalfield?in?Qianxi?to?guide?the?development?of?coal-bed?methane?and?the?extraction?of?coal?mine?gas?in?this?area，?relevant?tests?such?as?mercury?intrusion?and?coal?rock?identification?have?been?carried?out?on?coal?samples?from?the?main?coal?seam?of?Well?DJT1，?a?coal-bed?methane?parameter?well，?constructed?in?the?research?area，?the?change?laws?of?the?porosity?characteristics?and?pore?characterization?parameters?in?the?coal?seam?have?been?analyzed?in?combination?with?test?data，?and?the?geologic?control?factors?of?the?porosity?characteristics?in?this?area?have?been?explored.?The?results?show?that?the?pore?morphology?is?dominated?by?open?pores，?with?a?certain?number?of?semi-closed?pores，?that?the?total?pore?volume?ranges?from?0.022?5?to?0.03?31mL/g，?with?the?highest?proportion?of?small?pores，?followed?by?micropores，?that?the?porosity?and?pore?volume?decrease?with?the?increase?of?the?degree?of?coal?metamorphism，?and?that?the?content?of?the?maceral?vitrinite?of?coal?petrography?generally?exceeds?55%，?which?controls?the?content?of?micropores?and?small?pores，?while?the?increase?of?mineral?content?generally?has?a?negative?impact?on?the?development?of?pores.

Key?Words：?Agong?synclinal?coal?reservoir;?Main?coal?seam;?Porosity?characteristic;?Mercury?injection?porosimetry

煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)對(duì)于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保障煤礦安全生產(chǎn)，助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要作用。研究煤儲(chǔ)層孔隙性、滲流特征和煤層氣資源可采性的地質(zhì)基礎(chǔ)是正確認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)特征[1]。符宏斌等人[2]借助采用高壓壓汞、低溫N2吸附和CO2吸附探討了黔西地區(qū)高煤級(jí)煤的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)含氣性的影響。陳劉瑜人等[3]通過(guò)貴州北部典型煤礦煤樣的低溫液氮吸附試驗(yàn)，揭示了突出煤孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯吸附能力與放散性能影響。李祥春等人[4]建立了煤納米孔結(jié)構(gòu)的聯(lián)合表征模式，并對(duì)不同變質(zhì)程度的煤進(jìn)行了表征。林華穎等人[5]采用紅外光譜、低溫氮?dú)馕椒ê蛪汗瘜?shí)驗(yàn)方法，研究了黔北地區(qū)煤體在構(gòu)造作用下孔隙結(jié)構(gòu)與分形特征。煤儲(chǔ)層的孔徑分布和孔隙類型對(duì)煤層氣的吸附、擴(kuò)散和滲流具有重要影響。目前，阿弓向斜主采煤層的孔隙結(jié)構(gòu)特征研究工作相對(duì)較少。因此，通過(guò)對(duì)煤層氣參數(shù)井DJT101孔主采煤層壓汞實(shí)驗(yàn)分析了孔徑結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合煤巖鑒定資料綜合分析了控制孔隙發(fā)育的地質(zhì)因素，對(duì)該地區(qū)煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)和煤礦的瓦斯治理具有重要的意義。

1?研究區(qū)背景

研究區(qū)位于黔西織納煤田阿弓向斜的北翼，為一單斜構(gòu)造。地層走向近南北，傾向東；礦區(qū)地層傾角一般15°～25°。煤層氣參數(shù)井DJT1井揭露煤系地層井深371.60～639.30?m，偽厚267.70?m，全層真厚255.86?m。全井含煤層29層，煤層總偽厚42.22?m，煤層總真厚39.91?m，含煤系數(shù)為15.60%?？刹擅簩?層，可采煤層總偽厚34.77?m，總采用真厚31.89?m。

2?樣品采集與測(cè)試

煤樣采自煤層氣參數(shù)井DJT1井，包括6、14、16、21、27、32號(hào)煤等共計(jì)6套主采煤層。對(duì)煤巖樣品開(kāi)展了壓汞測(cè)試。采用純凈煤樣，統(tǒng)一破碎至2?mm左右，放入壓汞儀中，計(jì)算機(jī)程控點(diǎn)式測(cè)量，記錄進(jìn)汞階段和退汞階段壓力數(shù)據(jù)。壓汞實(shí)驗(yàn)使用的是美國(guó)康塔儀器公司生產(chǎn)的Quantachrome?PoreMaster?60GT—康塔壓汞儀。儀器壓力范圍0～413?MPa，測(cè)量孔徑范圍3?nm～1?000?μm。汞表面張力取0.485?N/m，汞與固體表面的接觸角取140°。

3?結(jié)果與討論

3.1?測(cè)試結(jié)果

壓汞實(shí)驗(yàn)采用B.B.Xoдor[6]的十進(jìn)制分類系統(tǒng)，即：大孔孔徑>1?000?nm；中孔孔徑1?000?nm?到100?nm；小孔孔徑100?nm?到10?nm；微孔孔徑<10?nm。各主采煤層的壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。為消除人為裂隙的干擾，剔除孔徑>10?000??nm的測(cè)試數(shù)據(jù)。

主采煤層的壓汞測(cè)試結(jié)果表明：平均孔隙率為3.78%，平均孔容為0.027?6?cm3/g，平均總表面積為6.486?m2/g，平均孔徑為17.06?nm。相較于沁水盆地煤儲(chǔ)層孔隙率平均值5.80%和鄂爾多斯盆地8.32%，研究區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙率較低。從孔徑分布特征來(lái)看，各主采煤層整體以微孔和小孔為主，個(gè)別煤樣外，各類孔隙所占體積比例的順序?yàn)樾】?微孔>中孔>大孔。這與前人研究認(rèn)為隨煤層變質(zhì)程度升高，微孔和小孔占比增加的結(jié)論相一致。

3.2?壓汞曲線分析

從參數(shù)井目的煤層壓汞曲線來(lái)看，參數(shù)井主要目的煤層的退汞滯后現(xiàn)象較明顯，孔隙類型以開(kāi)放孔為主，孔隙連通性較好，有利于煤層氣的滲流產(chǎn)出，尤其以6號(hào)煤和14號(hào)煤退汞滯后現(xiàn)象最為顯著（如圖1所示），這與其較高的大孔、中孔含量有關(guān)。

3.3?孔比表面積分布特征

煤的比表面積與煤的孔隙結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。從表2可以看出，微孔的比表面積占比較多，含量大于60%；其次為小孔，所占比例在38%左右；大孔和中孔所占的比例很小，基本小于1%。

4?孔隙發(fā)育的控制因素

研究表明：除礦物質(zhì)含量影響研究區(qū)主采煤層的孔隙系統(tǒng)外，煤級(jí)和煤巖顯微組分在一定程度上控制著研究區(qū)各主采煤層孔隙系統(tǒng)的形成和發(fā)育。具體煤巖鑒定測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

4.1?煤級(jí)對(duì)孔隙系統(tǒng)影響

煤的變質(zhì)程度與煤的孔徑分布普遍關(guān)系密切，通常隨著煤階的變化而規(guī)律性的變化。研究區(qū)各主采煤層的孔隙率和孔容隨著煤級(jí)的增高而降低。

4.2?煤巖組分對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響

從宏觀角度來(lái)說(shuō)，煤的宏觀煤巖成分決定煤的孔隙結(jié)構(gòu)分布。從鏡煤、亮煤、暗煤到絲炭，呈現(xiàn)小孔和微孔逐漸減少，而大、中孔不斷增多的特征。從微觀角度來(lái)說(shuō)，不同的顯微組分中，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育和孔隙類型組合差異非常大，以鏡質(zhì)組為例，其主要發(fā)育微孔和小孔。煤巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：研究區(qū)主采煤層鏡質(zhì)組的平均含量為61.88%，另外，各主采煤層壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各主采煤層的孔隙類型以微孔和小孔為主，綜上所述，鏡質(zhì)組含量大小控制研究區(qū)主采煤層的孔隙結(jié)構(gòu)特征。

4.3?礦物質(zhì)含量對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)影響

煤層中的礦物成分對(duì)孔隙發(fā)育有正反兩方面的作用：一方面，礦物成分將煤巖中的大孔和中孔部分充填，使得煤巖的孔隙總體積降低，大部分研究人員認(rèn)為礦物質(zhì)的存在對(duì)孔隙系統(tǒng)發(fā)育起負(fù)面作用；然而礦物本身可能存在一些粒間孔等，對(duì)煤的總孔容有微小的貢獻(xiàn)。研究區(qū)主采煤層的無(wú)機(jī)組分（黏土類礦物、硫化物類礦物、碳酸鹽類礦物）平均含量為15.75%。研究表明：研究區(qū)主采煤層的大中孔的含量與礦物質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著礦物質(zhì)含量增加，大中孔含量減小。綜上所述，煤層中存在礦物成分是研究區(qū)主采煤層中大中孔含量較少的一個(gè)重要原因。

5?結(jié)論

（1）煤層壓汞測(cè)試表明，各主采煤層平均孔隙度為3.78%，平均孔容為0.027?6?cm3/g，平均總表面積為6.486?m2/g，平均孔徑為17.06?nm。各主采煤層中孔隙分布不均勻，孔隙類型以微孔和小孔為主，兩者含量之和普遍在70%以上?？紫兜男螒B(tài)以開(kāi)放型孔為主。比表面積占比微孔最多，含量在86.39%～89.13%，為煤層氣的吸附提供了儲(chǔ)集空間。

（2）研究區(qū)主采煤層的孔隙率隨煤變質(zhì)程度增加呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。研究區(qū)主采煤層鏡質(zhì)組的平均含量為61.88%，控制了各主采煤層中小孔和微孔的發(fā)育。煤層中礦物質(zhì)的存在整體上對(duì)孔隙的發(fā)育產(chǎn)生不利影響，初步推斷煤層中存在礦物成分是造成研究區(qū)主采煤層中大中孔含量較少的一個(gè)重要原因。

參考文獻(xiàn)

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[2]?符宏斌，苑坤，盧樹(shù)藩，等?.黔西上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M高煤級(jí)煤微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)含氣性的影響[J].天然氣地球科學(xué)，2020，31（12）：1814-1825.

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[6] Xoдor?B?B.煤與瓦斯突出[M].宋世釗，王佑安，譯.北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1996.