典型构造煤变形特征及储集层物性

要惠芳，康志勤，李伟

（太原理工大学）

0 引言

构造煤是原生结构煤在构造应力作用下形成的具有新生结构和构造特征的变形煤，可根据变形特征划分为不同类型[1-5]。琚宜文等[6]提出了既适合于煤层气开发又适合煤与瓦斯突出防治的构造煤结构-成因分类方案，该方案以构造煤的手标本或钻井煤心为尺度，将构造煤分为3个序列10个类型：脆性变形序列，包括碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤、碎粉煤、片状煤和薄片煤；韧性变形序列，包括揉皱煤、糜棱煤和韧性结构煤；脆韧性过渡型变形系列，由鳞片煤构成。

构造煤具有强度低、渗透率低、应力敏感性强等特点。研究表明，构造煤对煤与瓦斯突出影响重大[7-8]；同时构造煤对煤层气地面开采也有很大影响，经常导致出粉煤、卡钻等事故，构造煤发育地区甚至被视为煤层气开发的禁区[9]。实际上，一定碎裂程度的构造煤常具有含气量高、割理发育的特点，因此，在构造煤发育区寻找有利的煤层气资源地质背景，将构造应力作用下煤结构的演化、储集层物性特征和控气地质条件结合起来进行研究，将有望在构造煤发育区发现煤层气资源。

中国大多数含煤盆地经历了多期次构造作用的叠加改造[10-11]，使煤体结构遭受不同程度变形，形成了不同类型的构造煤[12]。本文以鄂尔多斯盆地东缘渭北韩城地区的煤岩样品为研究对象，通过扫描电镜、显微CT观测和压汞、低温液氮吸附等实验方法对构造煤变形和孔隙结构进行表征，对块状构造煤进行吸附实验，以期揭示构造煤储气机理，为构造煤发育区煤层气的勘探开发提供科学依据。

1 样品与实验方法

本文研究样品采自鄂尔多斯盆地东缘渭北韩城地区煤矿井下石炭系太原组11号和5号煤层、二叠系山西组 3号煤层及少量钻孔岩心，构造煤类型包括脆性变形的碎裂煤、碎粒煤，脆韧性过渡型的鳞片煤和韧性变形的糜棱煤（见表1）。

表1 不同类型构造煤样品参数及孔隙结构定量检测结果

对井下采矿面和手标本进行样品宏观变形特征观察。在TESCAN公司VEGA\LMU扫描电镜下对镀金样品进行微观变形特征观察，扫描电镜加速电压为20 kV，样品束流10～20 pc，束斑尺寸50 nm。

构造煤的孔隙定量表征采用低温氮气吸附、微米CT和压汞相结合的方法，不同方法表征的孔径分布段不同[13-14]。低温氮气吸附实验主要用于表征纳米孔隙的分布特征，其实验流程为：将10～20 g粒径为1～2 mm的样品经过高温抽真空处理后，以纯度大于99.999%的氮气为吸附质，采用ASAP 2020全自动比表面及孔径分析仪，在低温（−196 ℃）和低压（小于0.127 MPa）条件下测量平衡蒸汽压下样品表面的氮气吸附量和脱附量，根据BET方程计算煤岩比表面积；在假定孔隙是圆柱形模型的情况下，根据脱附等温线，应用BJH理论和Kelvin方程，可得到孔径分布[15-16]。

微米CT主要用于观察煤样中孔径大于1 µm的孔隙结构，采用仪器为美国生产的Xradia X射线微米CT。实验流程为：首先将3～5 mm的煤样经X射线照射获得不同角度的二维图像，然后采用 Xradia ExamineRT Workstation软件对 CT扫描获取的原始数据进行预处理以得到3D数字模型，计算出不同孔径的孔隙分布。

压汞法利用外加压力使汞克服表面张力进入孔隙从而测得其孔径分布信息[17-19]。测量仪器为美国麦克尔公司9410型全自动压汞仪，仪器可自动记录进汞饱和度、排驱压力。实验进汞压力最高达49.97 MPa，对应的最小孔隙半径约15 nm。实验前，所有煤样在75 ℃下干燥48 h。

本文通过综合运用显微CT、压汞法、低温氮吸附法分别获得不同类型构造煤渗流孔（孔径大于100 nm）和吸附孔（孔径小于100 nm）的孔隙分布特征，从不同尺度研究了不同煤体的孔隙结构。压汞法和低温氮吸附法可以获得孔隙比表面积、总孔容、孔径分布、各阶段孔径所占的孔容比例及平均中值孔径等参数[20-21]，从孔隙结构的分布形态可以判断煤体对煤层气的储集能力和运移能力[22-24]。

构造煤的甲烷等温吸附实验在太原理工大学自主研制的吸附解吸仪上进行，实验温度为25 ℃，样品未进行干燥和饱和水处理，实验流程为：先测定装载块状煤样的实验模型内的自由体积，然后充注 2.4 MPa压力的甲烷气体，断开气源，记录不同时间由于吸附产生的压降，直到压力不再降低、达到饱和吸附时记录对应压力的饱和吸附量。

2 构造煤变形特征

2.1 构造煤宏观变形特征

构造煤由于发生了构造变形，其宏观煤岩类型、条带状结构、构造裂隙、揉皱和破碎性等方面都与原生结构煤有明显区别，总体表现为原生层状、条带状结构被破坏，煤中有机质和矿物成分受构造变形影响定向排列明显，煤颗粒变细，揉皱构造发育。

碎裂煤层理较完整，条带状结构较明显，穿层裂隙发育，煤岩层常被切成小碎块，煤质较硬，用手可掰成1～3 cm碎块，基本保持在2 cm左右。有时见构造擦痕，擦痕面上常形成裂隙网，煤岩层间可见错动（见图1a）。

碎粒煤以半暗煤为主，构造擦痕发育，常形成光亮镜面、阶步。煤体上发现“X型”剪节理，煤被切成楔状、条状。层间滑移明显，发生顺层剪切，煤被切割成尖棱状、楔状细小颗粒。煤质松软，手拭强度低，可捏成粉末或小于1 mm颗粒（见图1b）。

华西医院原党委书记郑尚维告诉记者，参与培训的学员利用中午休息时间，观看了九院的内部录像带，当看到一代又一代科学家们，几十年隐姓埋名在条件极其恶劣的深山和沙漠中开展研发工作，用青春撑起国家脊梁时，所有学员都眼含热泪，影片结束后，学员们全体起立，掌声经久不息。

鳞片煤原生结构消失，受不同方向剪切作用影响破碎成鳞片状，整体常呈薄饼形态。构造擦痕顺层发育，鳞片上下可见清晰的光亮滑移面，间距均小于1 cm。受韧性剪切作用，颗粒发生旋转、牵引弯曲，形成微褶皱，S型弯曲。煤质软，手掰可成厚度小于1 mm碎片，灰分较高时，硬度稍加强，但仍呈小鳞片（见图1c）。

糜棱煤光泽较暗，以暗淡煤为主，煤岩成分不易区分，可呈鳞片状、碎粉状。揉皱构造发育，形成褶曲，煤层中夹有透镜状矸石，呈旋转状态，连续夹矸出现小肠状褶皱，可见构造擦痕和滑动镜面，手拭强度低，手捏呈粉末，与夹矸揉搓混合而稍有强度，亦可捏成碎粒状、粉末状（见图1d）。

2.2 构造煤微观变形特征

构造煤微观特征可通过扫描电镜观察。

碎裂煤原生结构保留，条带状结构明显，可见矿物条带，丝质体条带受压，胞腔孔变扁，显示定向排列。层理、内生裂隙发育，张性裂隙发育，相互交叉且呈开启状，部分裂隙被矿物充填。煤发生脆性变形出现贝壳状断口，煤被切成碎裂状，裂隙交会处呈角砾，破碎角砾间呈现一定位移和错开，角砾大小100 μm左右（见图2a）。

碎粒煤保留微细层结构，层理不连续，延伸一定长度后就成为楔状。煤颗粒之间发生明显位移，受压发生弯曲。受脆性剪切变形影响，剪切裂隙发育，煤被切割成板条状、楔状、碎粒状，且煤颗粒发生旋转。层面发生顺层剪切，煤被切成鳞片状，鳞片厚度约10 μm，呈棱角状。煤颗粒表面擦痕发育，有时呈鱼刺状，构造摩擦面出现，形成摩擦孔。可见阶梯状断口（见图2b）。

鳞片煤受强烈剪切作用，煤被切割成鳞片状，并定向排列，鳞片上下擦痕发育。煤中鳞片状颗粒发生弯曲，揉皱丝质体被压扁，定向排列后揉皱。构造摩擦面、脱落膜发育，形成摩擦孔、微裂隙（见图2c）。

图2 典型构造煤微观变形扫描电镜照片

糜棱煤在剪切应力作用下发生强烈塑性变形，呈细小鳞片、糜棱质，鳞片定向排列。镜质体发生破碎并定向排列，呈细条带状产出。煤韧性剪切揉皱，具S-C构造，挤压破碎呈鳞片。具滑移面，糜棱煤鳞片间滑移明显，矿物质受滑动作用影响而呈薄膜。煤中擦痕、摩擦面发育（见图2d）。小于10 nm孔隙的比例分别为7.7%、12.4%、25.4%、51.5%。糜棱煤中微孔发育是其孔隙比表面积增大的主要原因，最终会导致煤吸附甲烷能力的增强。

3 构造煤孔隙结构表征

3.1 低温氮吸附与孔径小于10 nm的煤孔隙分布特征

低温氮吸附实验结果表明，随着构造煤变形程度的增大，孔隙结构发生了明显变化，主要表现为孔容、孔隙比表面积和孔径小于10 nm孔隙的比例从碎裂煤、碎粒煤到鳞片煤和糜棱煤逐渐增大（见表1、图3），4种变形煤孔容均值分别为0.001 7 mL/g、0.002 1 mL/g、0.004 1 mL/g和0.010 7 mL/g，孔隙比表面积均值分别为 0.185 m2/g、0.272 m2/g、0.791 m2/g和 3.639 m2/g，

图3 构造煤孔径小于10 nm孔的孔容和比表面积相关图

由吸附和凝聚理论可知，低温氮吸附回线的形状反映了一定的孔隙结构[32-34]。实验表明，对于脆性变形序列的碎裂煤和碎粒煤，在整个相对压力段，吸附、解吸分支基本保持平行而不存在明显的滞后环（见图4a、4b）；对于脆韧性变形序列鳞片煤和韧性变形序列糜棱煤，吸附回线特点是吸附、解吸分支在相对压力0.5左右出现明显的滞后环（见图4c、4d）。按照De Boer[35]提出的划分方案，碎裂煤和碎粒煤吸附回线具有B型回线特征；而鳞片煤和糜棱煤具有B型和D型回线特征，反映孔隙结构较为复杂，微孔主要为一端封闭型，而大孔则既有封闭型又有开放型，随着韧性变形程度加强，开放型孔和细颈瓶形孔数量增多，表现为回线的拐点更加明显。实际上，煤孔隙类型多样、结构复杂，氮气吸附/脱附曲线产生的滞后环应该是以某种类型孔隙为主体、多种类型孔隙复合的结果。

图4 构造煤低温氮吸附回线图（V—孔容；p/p0—相对压力）

3.2 微米CT检测与煤中孔径大于1 μm孔隙分布特征

微米CT技术可以直观检测到构造煤中孔径大于1 μm的渗流孔隙，通过软件可以得出其孔隙分布特征（见表1）。结果表明，不同类型构造煤孔径均以1～5 μm为主，原生结构煤和不同类型变形煤1～5 μm孔隙数量所占比例为73.01%～89.57%。随构造变形程度增强，碎粒孔、微裂隙在碎粒煤中大量出现，导致5～10 μm和大于10 μm孔隙数量显著升高，分别从原生结构煤的14.58%和0.27%提高到25.54%和1.45%。脆韧性变形的鳞片煤和韧性变形糜棱煤则因强烈的剪切变形导致大量微观孔发育，大于5 μm孔隙减少，1～5 μm孔隙大量增加，糜棱煤中 1～5 μm 孔隙比例可高达89.57%，5～10 μm和大于10 μm孔隙比例分别减少到9.91%和0.39%（见表1）。

3.3 压汞实验与孔隙连通性

压汞实验可以反映孔径大于100 nm构造煤的孔隙特征，实验结果表明：随着构造变形程度的增大，最大进汞饱和度逐渐增大，退汞效率逐渐降低（见表1）；碎裂煤、碎粒煤以大、中孔为主，渗流孔占主导地位；鳞片煤、糜棱煤以微孔为主，吸附孔占主导地位。

构造煤压汞曲线分析表明：碎裂煤进汞曲线与退汞曲线近平行，进汞量最小，进汞饱和度平均为32.3%，退汞效率最高，平均为88.9%，表明渗流孔含量较少，孔隙连通性差。碎粒煤进汞曲线与退汞曲线呈分离状，进汞量较小，进汞饱和度平均为38.6%，退汞效率较高，平均为68.8%，吸附孔较发育，而渗流孔含量相对碎裂煤增加，孔隙间连通性增强。鳞片煤进汞曲线与退汞曲线分离度加大，进汞量较大，进汞饱和度平均为45.1%，退汞效率较高，平均为67.3%，吸附孔占据主导地位，且常产生“瓶颈”现象，这种孔隙结构中渗流孔内部连通性较好，但渗流孔与吸附孔之间的连通性差。糜棱煤压汞滞后环最宽，进汞量最大，进汞饱和度平均为65.8%，退汞效率最低，平均为50.7%，孔间连通性较好（见图5）。

图5 构造煤压汞曲线组合图

4 构造煤甲烷吸附特征

从煤的饱和甲烷吸附实验可以看出，单位质量原生结构煤甲烷吸附量仅为糜棱煤、碎裂煤和鳞片煤的1/1.96、1/2.22和1/2.50，从原生结构到脆性变形和脆韧性变形煤，随构造变形强度增大，煤对甲烷的吸附能力呈逐渐增强趋势（见表2）。而韧性变形糜棱煤甲烷吸附量较脆韧性变形鳞片煤和脆性变形碎裂煤低，这主要是受实验条件所限，在对块状煤的甲烷吸附实验中，甲烷仅能吸附在块状煤体表面，很难进入内部微孔隙中，这对糜棱煤的影响较碎裂煤和鳞片煤大，导致糜棱煤吸附量较碎裂煤和鳞片煤小。但是，糜棱煤颗粒表面粗糙，煤颗粒表面积大，因此其吸附量仍高于原生结构煤。氮气吸附实验表明，糜棱煤吸附量最高（见图4），这与其大量发育微孔有关。

表2 甲烷气体吸附实验结果

5 结论

通过研究脆性变形的碎裂煤、碎粒煤，脆韧性变形的鳞片煤和韧性变形的糜棱煤变形、孔隙结构和吸附特征，取得以下认识：碎裂煤、碎粒煤原始层理可辨，由剪切作用形成的煤颗粒较粗（1～3 cm），脆韧性变形的鳞片煤和韧性变形糜棱煤煤岩原始层理和结构均被破坏，由剪切、层间滑动、揉皱形成的煤颗粒较细，构造变形造成的定向排列明显；随着构造煤变形程度的增大，孔容、孔隙比表面积和微孔的比例从碎裂煤、碎粒煤到鳞片煤、糜棱煤逐渐增大，孔隙连通性增强，煤对甲烷的吸附能力呈逐渐增强的趋势。构造煤煤岩结构、孔隙-裂隙系统共同制约了煤对甲烷的吸附能力。

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