沁水盆地煤与微裂隙发育关系及煤岩学控制机理

沁水盆地煤与微裂隙发育关系及煤岩学控制机理

沁水盆地是中国煤炭贸易最活跃、最具前景的高煤炭地区。与其他中国其他高煤炭地区的作气田、固井田和永夏田相比，该地区的油气含量较高，而沁水盆地仅提供商业气。造成这种差异的主要原因之一是，沁水盆地的煤炭储存系统一般比其他地区发展，有利于天然气的开发。因此，对该地区煤层的褶皱系统进行了分析具有重要的理论意义和现实意义。煤中的裂隙常被统称为割理,它是煤层气渗流的主要通道.王生维等和LAUBACH等系统研究了煤中裂隙的发育特征和成因机理.GAMSON等和YAO等研究发现,煤中的微裂隙(宽度在微米级)对煤储层的渗透性和气藏的开发具有重要意义.姚艳斌等研究发现我国华北部分矿区煤的微裂隙发育对煤层气的渗流和开采具有重要意义.部分研究者也对沁水盆地煤的裂隙发育特征进行了初步研究,如WANG等研究了沁水盆地南部煤的大裂隙系统的发育方位和频率;傅雪海等研究后认为该区煤的微裂隙的发育程度将可能成为影响该区煤层气产出的“瓶颈”问题之一.然而,关于沁水盆地煤储层微裂隙的发育特征及其成因和控制因素的研究却少见报道.本文试图通过对沁水盆地7个典型的矿区的30件煤样的显微裂隙和煤岩特征分析,总结该区煤的微裂隙特征及发育控制机理.1煤岩样品采集和分析方法沁水盆地煤层主要赋存于石炭—二叠系,其中主采煤层主要有山西组的2,3号煤和太原组9,15号煤.煤的镜质组反射率(Ro,m)一般都在1.3%~4.4%之间,除在中部沁源—襄垣—长治一带存在中煤级外,其它地区均为高煤级煤.本研究对沁水盆地的主要矿区的进行了系统采样,从北往南依次采集了寿阳开元矿、阳泉一矿和新景矿、沁源沁新矿、长治常村矿和经坊矿以及晋城寺河矿等7个矿的共30件样品.所有样品均采用刻槽取样法,分别取自于各矿井的新鲜工作面.所有样品在采集、运送和测试过程中均经小心处理,尽量避免了人为造成的煤岩裂隙破坏.对采集的样品按照最新的国家标进行了煤岩显微组分、镜质组反射率、煤质和显微裂隙测定(表1,表2).将煤岩样品抛光制作成规格为30mm×30mm煤岩光片,然后在50倍物镜的荧光显微镜下将该煤岩光片划分成10mm×10mm的9个微区,分别统计各级别微裂隙的发育特征;同时统计各煤岩光片中各显微组分的质量分数,用于对比研究.2盆地煤的微裂隙发育在研究沁水盆地煤的微裂隙时,这里按照镜下的观察结果将裂隙类型分为4类:1)类型A为较大微裂隙,其宽度(W)≥5μm且长度(L)≥10mm,连续性好,延伸远;2)类型B和C为中等微裂隙,其中B型:W≥5μm且L<10mm,C型:W<5μm且L≥300μm.这2类多呈树枝状状或羽状组合出现,其中类型B宽度较大,多为树枝状裂隙的树干部分,而裂隙C多较细而延伸远,为树枝状裂隙的树枝或树杈部分,2种类型裂隙间的沟通和联系较好;3)类型D为较小微裂隙,其宽度和长度都较小(W<5μm且L<300μm),多呈树枝状与其它3类裂隙沟通,该类裂隙的方向性和连通性相对其它类型较差.沁水盆地煤的微裂隙D型为主,C型和B型次之,而A型微裂隙极少见.裂隙间连通性普遍较好,仅在寺河矿样品中发现有黄铁矿的充填现象.测试煤样的微裂隙密度一般都在10~50条/9cm2之间,部分地区可高达62条/9cm2.区域上,北部的阳泉和寿阳矿区的微裂隙最发育,其次是中部的沁源沁新矿和南部的晋城寺河矿.纵向上,对比盆地北部的太原组的15,9号煤和山西组的2,3号煤发现,下主煤层的微裂隙较发育.造成这种差别的可能原因是,太原组主要为海陆交互相沉积环境,覆水相对较深,相对滞留还原的环境,有利于煤的微裂隙较发育;而山西组已经过渡为陆相三角洲沉积,覆水变浅,成煤沼泽环境和植被都发生了变化,而微裂隙发育逐渐变差.分析造成煤的微裂隙在区域上和层域上的差异发育的原因,发现煤的煤质组成对煤的微裂隙没有显著的相关关系;相比较,煤的显微煤岩组成和煤变质对煤的微裂隙的影响较大(表1,2,图1).图1a为研究区太原组和山西组煤的煤级与微裂隙发育密度的关系,发现对于山西组煤,随煤级增高煤的微裂隙密度呈降低的趋势,而太原组煤的规律不明显.图1b为煤的镜质组含量与煤的微裂隙密度的关系,发现镜质组含量与煤的微裂隙呈微弱的正相关关系,而太原组煤的这种规律更明显.前人的研究认为,煤中镜质组组分含量越高、惰质组组分含量越低,煤的微裂隙越发育.而文中对沁水盆地煤的研究发现,煤中的镜质组总含量对煤的微裂隙的影响规律并不太明显,却与煤中各亚显微组分具有很好的相关性.对此下文将进行进一步的深入探讨.3煤的微裂隙发育煤的煤岩学特征是反映煤层成因最的直接、最可靠的标志之一,它包括煤的显微组成、宏观煤岩特征、显微煤岩类型以及煤相等特征.下面将从这些角度分别讨论他们与煤的微裂隙发育的关系.3.1煤的基质镜质组亚组分含量与煤的裂隙密度的关系为了研究煤的微裂隙与煤岩组分组中各亚组分的关系,这里对各样品的煤岩显微组成进行了定量分析.研究煤样的显微煤岩组分组中以镜质组为主,一般都在60%之上,惰质组其次,在10%~40%之间,矿物质和壳质组都很少(表2).考虑到沁水盆地中、高煤级煤岩组分的特点,这里重点研究了镜质组和惰质组及其各亚组分与煤的微裂隙的关系.沁水盆地高煤级煤中的镜质组主要以基质、均质、碎屑和团块镜质体为主,其它组分较少.其中盆地北部阳泉和寿阳矿区煤的基质镜质体含量明显较其它区要高.显微镜下统计结果显示,微裂隙发育具有明显的组分选择性,即通常发育于以均质镜质体为主的组分中,而在以基质镜质体为主的组分中不甚发育或发育较差.同时,微裂隙的发育还受到内部成分均一性的制约,一般不切过残留的细胞腔,更不穿过其它显微组分纹层.图2中统计了研究区山西组和太原组样品的3种主要的镜质组亚组分含量与煤的裂隙密度的关系,结果显示2组煤的裂隙密度与均质镜质体含量呈显著的正相关关系(相关系数r=0.71;显著性检验p=0.000),而与基质镜质体和碎屑镜质体呈微弱的负相关的关系.若将太原组和山西组分开讨论,发现太原组煤的这种组分选择性的规律尤其明显.另外,镜质组中的其它亚组分中,结构镜质体和胶质镜质体等对微裂隙发育有微弱影响,团块镜质体影响不大,但总体上这些亚组分由于含量非常少,所以对裂隙发育的影响可以忽略不计.沁水盆地煤的惰质组中主要以半丝质体、丝质体和碎屑惰质体为主,而微粒体、粗粒体和菌类体含量极少.分析发现,惰质组中的这些亚组分的含量均与煤的微裂隙发育呈微弱的负相关关系(图3).若将太原组和山西组分开讨论,太原组煤的微裂隙密度随惰质组中各主要亚组分的含量增高而降低的规律较明显.总体来看,沁水盆地煤中的惰质组亚组分均不利于煤的微裂隙的发育,其中尤以碎屑惰质体组分的含量影响最大.3.2显微煤岩类型沁水盆地中高煤级煤储层中的宏观煤岩类型以半亮煤为主,光亮煤和半暗煤很少,几乎无暗淡煤.对各种煤岩类型煤的微裂隙的比较发现,煤的亮度越大其微裂隙越发育.半暗煤的微裂隙发育非常差,其密度一般都在10条/9cm2之下;半亮煤中的裂隙密度平均为25条/9cm2左右;而光亮煤的裂隙密度非常发育,平均都在35条/9cm2之上(表1).据镜下显微煤岩类型统计,该区煤的显微煤岩类型以微镜煤和微镜惰煤为主,其次为微惰煤和微惰镜煤,其它类型很少.由显微煤岩类型与微裂隙密度的关系(图4)可知,盆地北部煤中“微镜煤+微惰镜煤”的相对比例在层域上没有实质性差异,但在区域上要明显比盆地中、南部的要高,特别是北区煤的微镜煤比例非常高,一般都在50%之上.盆地中、南部只有上主煤层样品,其“微镜煤+微惰镜煤”相对比例远远低于北部上主煤层,且以微惰镜煤为主而微镜煤较少(一般少于20%).煤岩显微类型在区域上的发育特征总体上控制了微裂隙的发育规律.煤中的“微镜煤+微惰镜煤”含量,特别是微镜煤含量与煤的微裂隙发育具有明显的正相关关系,而微惰煤和微镜惰煤与微裂隙呈负相关关系(图4).其中,阳泉和寿阳地区的太原组煤的微裂隙明显较其它区其它煤层的微裂隙发育,主要原因是煤中的微镜煤比例相当高,大部分达到60%以上.以阳泉矿区的15号煤为例,除yqyk15-4号样因微惰煤含量较高而微裂隙密度小于20条/9cm2外,其它高微镜煤含量(>60%)的样品的微裂隙密度大都在40条/9cm2之上.由此推断,煤的微观煤岩类型中微镜煤的比例越大,微惰煤的比例越小,越有利于微裂隙的发育.3.3tdi值的计算煤裂隙发育的组分选择性和煤岩类型选择性主要煤的原始成因环境有关.据张鹏飞等的研究,这里采用几个典型的煤相指数,即植物保存指数(TPI)、氧化指数(OI)和破碎指数(BI)来反映泥炭聚积期间的成煤植物、沼泽介质条件和沉积环境等信息.TPI表示表示植物组织的降解程度和原始成煤植物中木本植物所占的比例,其定义为:TPI=(T+C1+F+SF)/(C2+Ma+ID).TPI值越大,说明煤中木本植物所占比例越大,植物保存结构越完好.一般形成于干燥氧化或极端潮湿条件下的煤,TPI均较低;一般潮湿的弱氧化条件下形成的煤的TPI值多较高.TPI值与微裂隙的关系(图5a)表明,TPI值在0.5以上的样品其裂隙密度一般都在40条/9cm2之上,TPI值越低,煤的微裂隙越不发育.因此,潮湿的弱氧化条件下形成的煤,成煤植物结构保存好,有有利于微裂隙的发育.氧化指数的定义为:OI=(Ma+ID)/(100-Ma-ID),它直接反映了成煤泥炭沼泽的氧化、还原程度.OI值越高氧化性越强.从分析的沁水盆地的煤样来看,该区成煤泥炭沼泽表面的氧化程度很低,OI值一般都小于0.2,而且氧化程度越高相应的微裂隙发育越差,二者呈一个负相关关系(图5b).这进一步说明弱氧化的成煤环境有利于微裂隙的发育.破碎指数可反映沼泽的水动力条件,其定义为:BI=(ID+VD)/(100-ID-VD),也即煤中镜屑体和惰屑体的相对丰度之比.BI值越高说明成煤沼泽的水动力条件越强.破碎指数与裂隙密度呈微弱的负相关关系(图5c),说明水动力条件越弱越有利于煤的微裂隙发育,较强的沼泽水动力条件对煤的微裂隙发育有破坏作用.4煤中的气孔和微裂隙是煤中的主要支柱条件之一.在研究煤的内生裂隙时,国内外学者提出了不同的成因假说,概括起来主要有“基质收缩假说”或“内张力”假说,“压实成因”假说,“流体驱动”假说和综合成因假说4种.据对沁水盆地煤的镜下观察,微裂隙主要为内生成因,其定向性、延伸性非常好.对比上述4种成因假说,单纯的“基质收缩”或“内张力”作用仅能形成类似于“泥裂”状的裂隙,却不可能产生定性好、延伸远的微裂隙.压实作用产生的微裂隙一般方向性较差,同时也很难解释该区煤的微裂隙的明显的组分选择性的特点.沁水盆地煤的微裂隙的成因按照“气体积聚—体积膨胀—破裂”的假说来解释.煤作为一种烃源岩,在煤化作用过程中随着温度的升高会生成大量的烃类气体,三大煤岩组分中的生气量由多到少的顺序依次为:壳质组,镜质组和惰质组.这些生成的气体主要以吸附和游离状态分别储存于煤的微孔和中、大孔中.随着大量的气体的不断生成,气体便开始以扩散为主的运移,即等同于油气生成时的初次运移.据KARACAN等对煤的动态吸附研究的结果,煤中的气体最初以表面扩散和孔隙扩散2种方式进行运移,具体那种方式取决于煤的显微组分特征和其它外界条件:在惰质组组分和矿物质组分中,主要以孔隙扩散为主,而镜质组组中主要以表面扩散为主,原因为镜质组以微小孔发育为主,从而限制了气体分子进入微孔.在2种运移方式中,表面扩散的速率非常小,约比孔隙扩散速率低1~2个数量级.也就是说,以表面扩散运移为主的介质的流通性明显较以孔隙扩散运移为主的介质要差.气体扩散动力为煤中气孔和裂隙的形成提供了最初的源动力.随着烃类气体的不断增加,煤的孔隙压力不断增加,直到孔隙压力大于煤的破裂压力时,在应力场的控制下,煤中某些部位发生定向破裂,即生成各类气孔和微裂隙.这时,局部气孔或微裂隙的发育可能会平衡孔隙中一部分异常高压,但总的来看,孔隙系统仍处于一个封闭的状态,随着气体的不断持续生成,裂隙中气体压力会进一步积聚,当较早产生的裂隙中的压力大于周围煤岩组的破裂临界压力时,原裂隙将得到了进一步的发展,并最终形成现今的微裂隙发育模式.如前所述,煤中异常高压引起的间歇和突发性的气体的运移导致了煤中气孔和裂隙的形成.然而,何时生成气孔或微裂隙取决于由不同煤岩组分组成的流体微单元的生气能力及气体在这些组分中的扩散规律.1)以丝质体、半丝质体、碎屑惰质体、碎屑镜质体和粗粒体等为主的流体微单元的特点是生烃潜力较小,组分不均一且含较多的矿物质.这些组分的孔隙度较发育,具有较大的气体储存空间.一方面,组分的不均一性造成各种组分的产气高峰不集中重叠,从而很难积累非常高的瞬时压力;另一方面,气体在这些组分中以孔扩散运动为主,而无机矿物的存在有利于气体的孔扩散.由于本身生成的气体量较少,同时孔隙扩散又有利于分散积累的高压,因此,这种流体微单元最容易在组分的薄弱部位形成各种气孔,却很难形成延伸较长、连续性好的微裂隙.2)以结构镜质体或某些成分复杂、包裹体较多的不均匀基质镜质体组成的流体微单元,虽具可具备较高的生烃潜力,但由于孔隙特别发育,使得产生的气体可及时有效得排除,所以不易形成微裂隙.3)以均质镜质体为主的流体微单元一般不显示植物细胞结构,其成分较均一、纯净,且孔隙不甚发育.在该微单元中,气体多以吸附状态赋存且以表面扩散运动为主.相对于其它显微组分,均质镜质体的特点是不仅具有较高的生气潜力,同时气体扩散不畅,极易造成这些组分的体积膨胀并积聚异常高的内部压力,一旦流体微单元破裂便会形成微裂隙.这就是为什么微裂隙常发育于面积较大,且呈条带状的均质镜质体中的主要原因.综上可知,微裂隙发育的一般要具备2个主要条件,一是发育流体微单元的载体必须是有机质丰度高且具有集中生烃潜能;二是这些组分内较均一,孔隙不发育,与周围其它煤类型结合部分缺乏通道.“气体积聚—体积膨胀—破裂”假说很好解释了微裂隙的组分选择性的特点.同时,该假说也可以解释煤的微裂隙与煤岩类型和煤相的关系.以条带状亮煤或微镜煤为例,这些煤岩类型中一般镜质组含量较高,且组分中多具有较高的均质镜质体含量,较易生成大量的烃类气体,同时这些组分内表面与气体的接触面之间具有较高的亲合力,这使气体扩散不畅,从而有利于微裂隙的发育.而暗淡的煤多含较高的惰质组或矿物质含量,不仅生气量小,同时易于气体扩散,因而不利于微裂隙的形成.一般沼泽水动力条件较弱,潮湿的弱氧化环境条件下的煤,植物结构保存较好,有利于微裂隙的定向突破,从而易于微裂隙发育;而水动力条件较强,植物结构保存不好的煤的各向非均质性较强,因此不易形成集中的应力积聚场,因而不利