煤层气储层基质孔隙发育的主控因素

煤层气储层基质孔隙发育的主控因素

煤的比例很大，吸附性强。一般来说，煤吸附状态下的天然气约为80%。因此，天然气吸附量是煤勘探选择的重要因素。而煤层气的吸附量主要取决于天然气的供给量和煤层的储集性能。煤层具有极高的气体发生率,根据煤的岩石热解实验结果,无烟煤视煤气发生率大于300m3/t,中挥发分烟煤(焦煤)的视煤气发生率也高于100m3/t,而无烟煤和焦煤的最大吸附能力分别是50m3/t和20m3/t左右❶,因而有足够的天然气可供煤层吸附。因此煤层储集性能成为控制煤层气吸附量的关键因素。煤储层的储集性能主要受控于孔隙的发育程度,但影响孔隙发育的因素很多。虽然前人在这方面已经做了一些研究,但由于煤层及其孔隙演化非常复杂,因此对于煤层储集性能的主控因素仍然需要更加深入地探讨和分析。1割理孔隙度与基质微裂隙度吸附是一种物理过程,煤层气主要是在压力的作用下,靠分子间的相互吸引力——范德华力而吸附在煤的表面,因此比表面积的大小对于煤层吸附的天然气量至关重要。割理是在成煤演化过程中发育的两组大致成直角相交的内生裂隙(图1),它将煤体分成不同的基质块体。割理是一种相对宏观的孔隙,它对比表面积并没有太大的贡献;显微裂隙是一种微观孔隙,它不但是连接割理与原生微孔隙的桥梁,而且可以大大增加煤层的比表面积,另外也是煤层气吸附的重要场所。根据各类孔隙对煤层气吸附性的贡献,可将煤储层孔隙分为两种类型,基质孔隙和割理孔隙,其中基质孔隙可以进一步分为基质微孔隙和基质微裂隙。在国外煤层气勘探中,煤岩中割理孔隙度一般小于2%,在煤岩总隙度中占20%左右;基质孔隙度在总孔隙度中占有较高的比例,达80%左右。我国煤岩的孔隙度也基本具有这种特征,割理孔隙度为0.47%～1.49%,在总孔隙度中所占的比例为4.80%～18.00%。煤基质孔隙具有极大的内表面积(100～400m2/g),其强大的吸附性是煤层气富集的主要原因,因此煤层基质孔隙的发育程度决定着其储集性能的好坏。2煤相煤相特征煤层基质孔隙发育受多种因素的影响,主要包括有煤相、变质程度、有效应力、孔隙流体压力等。在煤层气的开采过程中,有效应力的增大和孔隙流体压力的降低会造成基质的收缩变形,可以作为煤层气开采工艺中提高渗透率的重要手段。煤相主要反映在煤岩组成方面的差别上,包括显微组分、矿物质(灰分)含量等,有研究者发现煤相可能是该盆地煤储层孔隙差异发育的主控因素。从储集性能的评价方面来看,孔隙性作为煤层固有的属性,应主要从煤的物质组成及演化程度方面进行考虑,因此煤层基质孔隙度的影响因素主要包括显微组分、灰分含量、变质程度等。2.1膜质组与壳质组煤岩的显微组分主要包括镜质组、壳质组和惰质组。镜质组是由支撑植物体的根、茎、叶组织中木质素、纤维素和丹宁素等经腐化作用演变而来的。它主要以小孔和微孔为主,孔隙比较发育,在大多数煤层中该显微组分占绝对优势,因此镜质组对煤的孔隙特征起着重要作用。惰质组又称为丝质组,主要起源于植物遗体的根、茎、叶中的木质素,但这些组织在泥炭化阶段或煤化阶段中经历了各种方式的氧化作用,形成了不透明的惰性物质,其中孔隙以中孔和大孔为主,保存着明显的植物细胞结构,可以大大提高有效孔隙度。惰质组在煤化作用过程中比较稳定、不容易发生变化,但是在较高温度压力下,胞腔被挤压成长轴垂直于压力轴的扁平孔隙,进而孔隙消失而仅呈一条缝合线,这意味着在高变质阶段,丝质体的孔隙会变少、孔径会变小。壳质组也称稳定组,主要包括植物成因的孢子、角质、木栓、树脂、蜡、脂肪和油等。壳质组是煤中孔隙最不发育的显微组分,一般含量很少,很难测定其对孔隙度的影响。2.2煤的孔渗性实际上,灰分就是煤层中与生物体一起沉积的碎屑物质,其成分主要是粘土矿物,其次是黄铁矿和碳酸盐类。由于只有在生物体大量富集时,才能够形成煤,因此一般煤层中的灰分含量很低。但这些碎屑物质会对煤的孔隙起充填作用,使煤的孔渗性变差。同时它们主要充填在大孔和中孔中,在微孔、小孔中少见,所以随着煤的灰分增加,其微孔和小孔的体积百分比会增加,而大孔和中孔的体积则大幅度下降。2.3煤岩孔隙分布煤层作为沉积地层的一种类型,与其他岩层一样在上覆沉积物不断增厚的过程中,会发生压实作用,从而使孔隙度变小。但是煤层不是普通的沉积地层,而是一种富含有机质的特殊沉积层,它在较高的地温条件的作用下,其中的有机质会发生热演化,并生成大量的烃类物质,在这个过程中同样会影响其孔隙的发育。按霍多特提出的煤岩孔隙分级标准,结合秦建中对煤岩孔隙分布与镜质体反射率Ro的关系研究,发现煤岩在0.5%<Ro<2.0%区间,煤岩的微孔比例呈现出两头高、中间低的特点,而大孔的比例正好与此相反,呈现两头低、中间高的特点。实际上煤层中这种孔隙的变化是由压实作用和有机质热演化共同作用的结果。在演化的早期阶段(Ro为0.5%～0.6%),煤层的热演化生烃作用较弱,随着埋深的增加,主要在上覆岩层的压力作用下不断压实,孔隙不断缩小,形成煤岩中微孔居多、大孔较少的特征。随着演变程度逐渐增高,热演化生烃作用逐渐增强,但煤层仍然硬度较低、易压实,在压实作用下孔隙会不断缩小,直至演化为以炭质骨架为主的、具有一定支撑能力的、硬度相对较大的煤。随着有机质的生烃、固态物质的气化,微孔才随之减少,而大孔则明显增多。从图2中可看出,大约在Ro为1.2%～1.5%时,微孔降至最低;Ro为1.0%～1.3%时,大孔增至最多;之后,微孔随演变程度的增高而增多,而大孔却渐趋减少。3储备能源性能的主要因素3.1引入回归方程并提取y作用的特征变量逐步回归分析是一种“边引入边剔除”的方法,在回归分析的过程中,根据变量xi(i=1,2,…,m)对y作用的大小依次引入到回归方程中,同时还要对引入回归方程中的变量逐个检验,及时剔除其中对y作用不显著的变量。照此进行下去,直到无对y作用显著的变量可引入,同时方程中也无对y作用不显著的变量为止。逐步回归分析的优点就是能够从数量较多的变量中筛选出对y作用重要的变量引入回归方程。3.1.1xkl1假设回归方程中已引入了l个变量xk1,xk2,…,xkl的回归方程是:yˆ=b0+bk1xk1+⋯+bklxkl(1)y^=b0+bk1xk1+⋯+bklxkl(1)则计算一切不在回归方程内的(m-l)个变量的方差贡献,选出其中最大者,记为Vka。假设变量xka与y无线性相关关系,统计量Fka=Vka(xk1,xk2,⋯,xkl)/lQ1(xk1,xk2,⋯,xkl,xka)/(n−l−2)Fka=Vka(xk1,xk2,⋯,xkl)/lQ1(xk1,xk2,⋯,xkl,xka)/(n-l-2)遵从F(1,n-l-2)分布。适当引入变量的临界值F1,当Fka>F1,认为xka对y的影响大,应当引入,否则不能引入。3.1.2变量xk1,xk2,假设回归方程中已引入了l个变量xk1,xk2,…,xkl,如式(1)。算出回归方程中l个变量对y的方差贡献,从中选出最小的,记为Vkb。假设变量xkb对y作用不显著,统计量F′kb=Vkb(xk1,xk2,⋯,xkl)/lQ1(xk1,xk2,⋯,xkl)/(n−l−1)F′kb=Vkb(xk1,xk2,⋯,xkl)/lQ1(xk1,xk2,⋯,xkl)/(n-l-1)遵从F(1,n-l-2)分布。适当选取剔除变量的临界值F2,如果F′kb≤F2,则需要将回归方程中的xkb剔除。3.2煤储层储集性能影响因素的回归分析该次分析主要使用了来自沁水盆地、焦作矿区、荥巩、淮南、淮北、准噶尔盆地、吐哈盆地等地区的25个样品的显微煤岩组分测试和煤质化验结果(表1)。根据分析化验的结果,将镜质组含量、壳质组含量、惰质组含量、灰分含量、镜质体反射率5个参数引入逐步回归分析方程。分析过程中发现,任何单一因素与孔隙度的关系都非常离散,说明煤岩样品中的孔隙度并非仅受单一因素的影响,而是各种因素综合作用的结果。在回归分析过程中,镜质组含量、壳质组百分含量、矿物组分百分含量3个变量被剔除,惰质组百分含量、镜质体反射率两个参数被引入(该两参数与孔隙度的值正相关,复相关系数为0.69):ϕ=1.12146+0.091×x1+0.4217×x2(2)式中,ϕ为基质孔隙度;x1为惰质组的含量;x2为镜质体反射率的值。从回归的结果可以看出,镜质体反射率(变质程度)和惰质组含量是影响煤层储集性能的主控因素,而且镜质体反射率(变质程度)影响最大,其次为惰质组含量。灰分一般充填于大中孔隙中,由于样品中其含量较少,对孔隙度的影响较小,不足以影响到储层的储集性能。壳质组本身不发育孔隙,且是煤样中含量最少的组分,因此它对于孔隙度的影响也是较低的。镜质组含量虽然是煤储层中主要的有机显微组分,但因其含量在大多数煤岩样品中都较高,它对煤储层的孔隙度差异性的影响就不很明显。而对于隋质组,在以往的研究中,往往将其作为大中孔隙的主要贡献者,回归分析结果表明,除镜质体反射率外,惰质组是影响基质孔隙的另一重要因素。由于隋质组保存着明显的植物细胞结构,在高温高压作用下,胞腔被挤压成长轴垂直于压力轴的扁平孔隙,形成微裂隙,不但可以成为连接割理与基质空隙的桥梁,而且可以减少与外界不连通的基质“死孔隙”的数量,可大大提高煤储层的储集性能。4煤层储集性能影响因素1)煤层孔隙主要由基质孔隙和割理孔隙构成,而基质孔隙占煤层总孔隙的大多数,是影响煤层气吸附量的关键因素