华北东部煤的孔渗发育特征及其控制机理

华北东部煤的孔渗发育特征及其控制机理

0煤储层孔渗发育特征研究煤储存层的孔渗透发育有利于煤矿的开采，是油气勘探、开发和评价的重要参数。我国二十多年的煤层气勘探开发证明,煤储层的低孔、低渗问题是制约煤层气商业化进程的关键问题之一。目前,华北晚古生代煤区是我国商业化开发活动最活跃和最有前景的地区,同时也是低孔、低渗储层发育的典型地区。与国外众多商业化煤层气区相比,虽然华北地区的煤层气总体上具有高含气量和高丰度的特点,但其整体上的低孔、低渗使得大量的煤层气井成为低产井或不出气井。因此,进一步深入认识煤储层的低孔、低渗特征,探索其形成和控制机理对于指导煤层气选区和开发都具有重要意义。煤层甲烷在煤层中的流动规律是,甲烷首先从煤基质的微孔表面解吸,然后渗流到煤的大孔和裂隙系统中,最后在一定的压降措施下从井口产出。Gamson等从连续渗流的角度指出煤中各级别的孔裂隙及它们的连通性都对气体的渗透具有重要意义。傅雪海等系统总结了三元孔裂隙的概念,并指出煤中的孔隙是气体的主要储集场所而裂隙是气体的主要渗流通道。Yao等指出煤的孔隙可分为渗流孔和吸附孔,其中吸附孔的非均质性对煤吸附甲烷具有显著影响,而渗流孔的非均质性能显著影响煤的渗透性。杨起和汤达祯研究指出,煤的变质程度控制着煤储层的渗透性和含气量。秦勇等研究了构造应力场对沁水盆地中南部煤储层物性的控制机理。傅雪海等进一步构建了应力、煤基质收缩与渗透率的耦合预测模型。姚艳斌等从孔(裂)隙结构发育特征的角度,对华北重点矿区煤层气储层的储集和产出特征进行了综合评价。刘大锰等研究了安鹤煤田煤层气储层的物性特征并划分了有利分布区。Liu等研究了两淮煤田煤储层特征及煤层气有利分布区。姚艳斌等探讨了河南高煤级煤储层的孔-裂隙系统发育规律及其与煤层气可采性的关系。前人的研究表明,影响煤的渗透性的主控因素包括孔裂隙的发育程度、有效应力的大小和煤基质的收缩能力等。总体上,虽然前人已从某些方面对煤储层的孔渗发育特征进行了一定程度的探讨,然而到目前为止还没有形成关于国内煤储层孔渗发育控制机理的一个系统的、深入的认识。本文将立足于华北晚古生代煤层,综合多种分析测试结果,从煤岩学、孔隙和裂隙发育等多个角度来探讨华北地区煤的孔渗发育特征及其主控因素。1煤岩系统和研究本文重点选取华北石炭—二叠纪煤区河东煤田(府谷—乡宁)、渭北煤田(韩城—铜川)、阳泉煤田(寿阳—阳泉)、晋城煤田(晋城—阳城)、大同煤田(白洞、王卞庄和观音堂矿)和两淮煤田(淮北和淮南煤田)进行了系统研究。在研究区内共采集了51件煤岩样品,首先测定了样品煤质组成(水分和灰分)、镜质组反射率和煤岩显微组成,用于确定样品的煤岩学特征;其次进行了煤的氦气法孔隙度测定和空气渗透率测定,用于研究煤的孔渗发育特征;然后进行了煤的低温氮比表面分析,用于测定煤的孔隙结构特征和研究孔隙结构对渗透率的影响;最后开展了煤微裂隙描述和统计,用于研究煤的裂隙发育特征及其对渗透率的影响。2结果2.1两淮农田—煤的孔隙度氦气法实测孔隙度结果表明,华北重点煤层气区煤的孔隙度一般都在2%~10%之间,平均为4%。各个煤田间差别不大,孔隙度最高的是河东煤田和大同煤田,最低的是两淮煤田(图1)。研究发现,煤的孔隙度与煤的变质程度具有一定的相关关系,如河东煤田(鄂尔多斯盆地东缘的狭长地带)石炭—二叠系煤的孔隙度范围最宽,为3%~15%,反映了该区从长焰煤到无烟煤的孔隙度分布区间;渭北煤田位于鄂尔多斯南缘,煤级主要是瘦煤以上,煤的孔隙度大都在6%以下;淮南和淮北煤田的气煤-焦煤的孔隙度较低,都在4%以下;沁水盆地的阳泉和晋城煤田为无烟煤样品,其孔隙度都在6%以下;大同煤田样品以气煤和肥煤为主,其孔隙度在2%~8%之间。2.2渗透率非均质性根据实测的煤岩样品的气体渗透率结果,华北晚古生代煤的渗透率普遍较低,一般在5×10-3μm2以下,大部分都在1×10-3μm2以下(图2)。个别高渗透率的样品主要在河东煤田和大同煤田,这些样品的煤级一般较低。研究区内各样品的渗透率非均质性非常高,即使在同一个煤田,一些样品的渗透率差异都可能达到1~2个数量级。整体上,这种低渗与高非均质性并存的储层特点对煤层气的开发非常不利。3煤中矿物含量与煤的镜质组反射率关系3.1煤的孔隙发育主控因素华北晚古生代煤的孔隙发育主要与煤的变质程度有关。如图3所示,随着煤的镜质组平均随机反射率(Ro,r)的增高,煤的氦测孔隙度呈高—低—高的变化规律。在Ro,r<0.6%的长焰煤的开始阶段,煤的结构疏松,煤中发育的孔隙主要为原生大孔隙,且含有大量羟基和羧基官能团,煤的孔隙度较大。在由低煤级到中煤级过渡阶段(Ro,r介于0.6%~1.2%之间)时,即处于第一和第二次煤化作用跃变之间时,随着煤阶增高,煤中的原生大孔隙急剧减少,热变气孔逐渐增多,在这个过程中相对于微孔的增加,大孔的减少占绝对优势,因此煤的孔隙度随煤镜质组反射率的增大而降低。当Ro,r为1.2%~2.3%时,即位于第二与第三次煤化作用跃变之间时,几乎所有的含氧官能团都脱落,煤的芳环和逐渐增大,排列逐渐有序。大孔含量减少趋势变缓,而煤的微孔隙的增加逐渐占据优势。这一阶段煤的孔隙度随微孔和小孔含量的增高又呈增高的趋势,并在Ro,r约为2.3%附近达到最大值,当Ro,r>2.3%之后,煤的孔隙度有呈缓慢降低的趋势(图3)。煤的孔隙度与煤中矿物含量及煤中灰分产率均呈现一定的负相关关系。由于煤级对煤的孔隙度高低具有建设性的影响,这里在考虑灰分产率的影响时将样品按照Ro,r的大小分成3组进行分析。如图4所示,对于3组煤样来说,灰分产率高的样品的孔隙度均较低,基本上二者呈一个线性的负相关关系。对于灰分产率高于20%的样品的孔隙度一般都在5%以下。煤的灰分是煤中矿物质的衍生物,它虽然不是煤中的固有组分,但它的多少一定程度上反映了煤中矿物含量的高低。对煤中矿物含量与煤的镜质组反射率关系的研究发现,二者也呈一个负相关的关系。同时在Ro,r<1.2%的低中变质煤阶段,煤的镜质组反射率随煤中灰分或矿物含量的增高而降低的规律非常明显。由此可见,对于华北地区的煤来说,矿物充填作用可能对煤的孔隙发育产生了重要的影响,一些矿物通过矿化作用充填了部分孔隙,使得煤的孔隙度降低。华北地区煤的孔隙度的变化范围较大,而总体上主要受煤变质程度的高低所控制,但同时煤中的矿物由于受充填作用影响,可能在一定程度上降低了煤的孔隙度。根据孔隙度和渗透率的关系,以我国煤层气商业化开发的沁南地区为例,该区内一般单井日产量大于2000m3才能达到经济开采煤层气的标准。这个产量所对应的煤储层渗透率一般都大于0.5×10-3μm2。如图5所示,若按照大于0.5×10-3μm2的渗透率标准,则其对应的煤的孔隙度应在6%以上。对照图3可以发现,如果按照孔隙度与煤级的关系,那么对于大部分中高煤级来说煤的孔隙度都在6%以下,因此其渗透率都应在0.5×10-3μm2以下。显然,这种结论很难解释我国沁南地区(高煤级煤)一些井的渗透率都在0.5×10-3μm2以上的这种现象。究其原因,是因为煤的孔隙度由两部分组成:一部分为煤中的孔隙空间部分,一般具有相对差的连通性和方向性;而另一部分为煤的裂隙所占的自由空间体积,具有较好的连通性和方向性。虽然,煤的裂隙部分所占的孔隙空间有限,但它却是煤层气渗流的主要通道。特别是对煤储层来说,裂隙是煤层气渗透的最主要的贡献者。这样,从另一个方面可以推测国内具备高产条件的高煤级储层的主要贡献来自于裂隙,而非孔隙。为了进一步探究煤样的渗透率与孔隙发育程度的关系,这里利用各样品的低温氮比表面积数据进行分析。如图6所示,煤的渗透率与样品的比表面积呈现一定的正相关关系。特别是对于Ro,r<1.2%的样品来说,比表面积高的样品的渗透率值也较高。对于Ro,r值介于1.2%~2.3%之间的样品来说,这种规律不明显。而对于Ro,r>2.3%的样品来说,比表面积高的样品的渗透率反而较低,但规律不太明显。造成这种现象的原因主要与煤中的孔隙结构随着煤变质程度增高的演化过程有关。根据本研究的实测结果,煤的比表面积随着煤的变质程度的增高呈现急剧降低—缓慢升高两个过程,而中间的转折端恰好出现在Ro,r值约为1.2%第二个煤化作用跃变点附近。在Ro,r值约1.2%附近,煤样的比表面积值最小,均在1m2/g以下,这与Gürdal等的研究结果一致。根据这个结果,对于Ro,r<1.2%的煤样来说,各煤样之间的比表面积差异较大,这是造成各个样品间渗透率相差较大的原因之一。根据低温氮测试分析原理,这种方法主要探测了煤中的微-中孔部分的信息。由此可见,对于低中煤级煤来说,煤的渗透性不仅取决于煤中的大孔和裂隙,而且还取决于煤中的微-中孔部分的发育程度;相比较,高煤级的渗透性对煤的微-中孔部分的依赖较小,而主要取决于大孔或裂隙的发育程度。为了进一步探究煤的渗透性与微裂隙发育的关系,笔者对各样品的微裂隙密度进行了分析。这里的微裂隙密度定义为在3cm×3cm的显微镜视场范围内所观察到的微裂隙条数。根据统计结果,除淮北张集矿的ZJ13-1号样品的微裂隙密度为266条/9cm2之外,其他样品的微裂隙密度都在110条/9cm2以内。据以往的研究结果,凡是微裂隙密度大于200条/9cm2之上的煤的结构均在一定程度上反映了构造煤的特征,即这些样品极易破碎,完全不具备煤的原生结构。这种高微裂隙密度的样品由于极易破碎,造成渗透率制样困难,因此渗透率统计中这样的样品较少。ZJ13-1号样虽然微裂隙密度较高,但是由于其连通性、方向性和微裂隙宽度都非常差,因此渗透率仅有0.0013×10-3μm2,孔隙度仅为1%。像ZJ13-1号样这种具有极高微裂隙密度却具有极低渗透率的样品,在国内其他煤矿区都很普遍,这种煤低渗的原因也已在前人的研究中得到了详细说明。图7统计了除ZJ13-1号样之外的所有样品微裂隙密度与渗透率的关系。由图7可见,对于3个煤级段的煤来说,煤的渗透率与微裂隙密度均呈现较好的正相关关系。特别是对于中-高变质程度的煤来说,煤的渗透率随煤的微裂隙密度增加而变高的规律非常明显。一般微裂隙密度小于30条/9cm2的煤样的渗透率都在0.1×10-3μm2以下;而微裂隙密度大于65条/9cm2的煤样的渗透率都在0.5×10-3μm2以上。由此可见,相对于孔隙,煤的微裂隙在煤的孔隙空间中所占的比例虽较小,但它具有孔隙无法比拟的连通性和方向性,因此对渗透率贡献较大。特别是对于高煤级煤,由于其孔隙度一般较低且以对渗透率贡献较小的微孔为主,因此高煤级煤的渗透率将主要取决于煤的裂隙发育程度。华北地区煤的渗透性具有低渗和高非均质的特点。渗透性的高低主要与煤的裂隙发育程度有关,其次是孔隙发育程度。对于低煤级煤来说,煤的渗透率主要贡献不仅包括煤的裂隙,还包括煤中的各级孔隙;而对于高煤级煤来说,其渗透率的主要贡献来自于裂隙,而非孔隙。4煤的渗透率与煤质结构的关系华北地区晚古生代煤的孔隙度一般都在2%~10%之间,平均为4%。煤的孔隙度发育主要受3次煤化作用跃变所控制,在煤的随机镜质组平均反射率值小于1.2%、1.2%~2.3%和大于2.3%3个阶段分别呈现了降低—升高—再降低3个过程。同时,煤的孔隙度与煤中灰分产率或矿物含量的负相关关系证明,矿物充填作用在一定程度上降低了煤的孔隙度。华北地区晚古生代煤的渗透率一般都在5×10-3μm2以下,而大部分都在1×10-3μm2以下,渗透率