鹤岗煤田构造煤孔隙分形特征

王有智，王世辉

(大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712)

鹤岗煤田构造煤孔隙分形特征

王有智，王世辉

(大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712)

基于鹤岗煤田北部区块典型构造煤样的低温氮吸附实验数据，分析不同变形程度下构造煤的分形维数与孔隙系统结构和气体吸附能力的关系.结果表明，受变形程度影响，碎裂煤和碎粒煤的孔隙系统发生变化，导致低温氮吸附、解吸曲线表现出不同形态.在相对压力为0.5～1.0时，分形维数可以有效表征碎裂煤与碎粒煤的孔隙结构和吸附能力.随着分形维数变大，煤岩变形程度增加，微孔含量增加，孔径变小，比表面积增大，孔表面粗糙度增加，使得煤岩孔隙系统复杂化，最终煤岩吸附能力增强.因此，煤岩孔隙分形维数可以表征煤岩孔隙结构和吸附能力.

分形维数；孔隙结构；吸附能力；构造煤；鹤岗煤田；低温氮吸附实验

0 引言

煤岩的孔隙结构对煤层气吸附和渗流能力起重要控制作用[1-4].在产出过程中，煤层气首先从煤岩孔隙表面解吸出来成为游离态，孔径大小和孔隙形态决定煤层气解吸的难易程度，因此系统研究煤储层孔隙结构特征对煤层气勘探开发至关重要[5-8].煤岩储层的非均质性较强，孔隙结构非常复杂且形状不规则，很难定量评价煤储层微观结构的复杂程度[9].

传统意义上的几何学定量评价储层孔隙结构结果不尽如人意，分形几何理论的创立为描述具有分形特征的复杂孔隙结构储集体提供简单而有效方法[10].Pfeifer P、Katz A J和Kroch C E等研究[11-13]表明，煤岩、砂岩、页岩和碳酸盐岩等储集岩中孔隙结构具有良好的“自形似性”，在一定孔隙尺度范围内显示较好分形特征，可以通过计算分形维数定量描述[14].Shen P等通过研究分形维数与储层微观非均质性的关系，得出分形维数与储层非均质性呈正相关关系[15].文慧俭、贺伟等研究砂岩等储层孔隙结构的分形特征，认为分形维数在2～3之间，随着分形维数的增大，孔隙表面的粗糙程度、孔吼不规则性和结构复杂程度相应增大[16-17].因此，根据局部微观孔隙结构特征与整体具有的相似性，可以将分形维数作为定量表征储层孔隙结构复杂程度的重要参数[18].

鹤岗煤层气勘探始于1998年，中联煤层气公司、大庆油田有限责任公司等开工多口煤层气参数井，由于受到构造煤困扰，煤层气勘探进展缓慢.人们对鹤岗盆地的研究主要集中在煤层气成藏条件分析方面[19-21]，忽略构造煤背景下孔隙结构的改变对储层非均质性和煤层气吸附能力的影响.笔者研究鹤岗煤田北部地区构造煤储层，计算煤岩孔隙分形维数，探讨孔隙分形特征与煤岩吸附能力之间的关系，为研究煤储层非均质性的形成机理提供指导.

1 地质背景及煤样采集

鹤岗盆地位于吉黑褶皱系、老爷岭隆起、青黑山隆起带上的鹤岗断陷内.区域构造演化研究表明，鹤岗盆地经历多期性质不同的构造运动，应力场方向多次发生大的改变，导致矿区内张性断裂密集发育，相互截切，使得构造格局更加复杂.鹤岗煤田位于盆地西侧，呈现向东倾斜的半掩盖式单斜构造形态.

鹤岗煤田北部的益新、鸟山和南山矿为煤层气有利勘探区，15#、18#和21#等3套煤层为主要目的层[21].为研究鹤岗煤田煤层孔隙结构特征，煤岩样品采集于煤田北部益新矿、鸟山矿的3套主力煤层.基于构造煤分类方案中对煤岩宏观特征的描述[22]，所采集煤岩样品属于脆性变形系列的碎裂煤(见图1(a)、(c))和碎粒煤(见图1(b)、(d)).碎裂煤原生结构相对完整，可见条带状构造，可观测两组割理，手试强度较硬，局部可见小碎块；无法观测碎粒煤原生结构和割理，在少数块状煤中可见构造面擦痕，形成光亮镜面，手试强度较差，轻捏即成细小颗粒，一般碎粒直径为1～5 cm.

图1 鹤岗煤田北部构造煤类型Fig.1 Tectonic coal types of north Hegang coal field

2 构造煤低温氮吸附曲线

根据9个样品的测试结果，将低温氮吸附、脱附曲线划分为两种类型.Ⅰ类曲线(见图2(b)、(d)、(g)、(h))的主要特点是吸附、脱附曲线不存在明显的滞后环，反映煤的孔隙系统主要为开放性的透气孔.Ⅱ类曲线(见图2(a)、(c)、(e)、(f)、(i))的主要特点是吸附、脱附曲线出现明显的滞后环.这种现象产生的原因是在吸附、脱附气体过程中，煤的孔隙系统中瓶型孔隙较为发育[1]，随着相对压力下降到0.5附近，瓶型孔隙中气体大量解吸，导致曲线产生拐点.

鹤岗煤田构造煤孔隙以微孔为主，比例为60.23%～86.70%，平均为67.84%；过渡孔比例为20.70%～29.03%，平均为24.48%；中孔比例为5.31%～11.31%，平均为7.66%.其中，碎裂煤表现为Ⅰ型曲线特征，微孔比例为60%左右，平均孔径为22.31 nm；碎粒煤表现为Ⅱ型曲线特征，微孔比例在70%以上，平均孔径为14.29 nm.随着变形强度加大，孔隙结构发生变化，微孔比例增加，比表面积随之变大.

图2 鹤岗煤田构造煤低温氮吸附、脱附曲线Fig.2 Adsorption/desorption isothermals of Hegang coal field tectonic coal by low-temperature nitrogen

3 分形维数特征

式中：V为平衡压力p下的吸附气体体积；V0为单分子层的吸附气体体积；p为平衡压力；p0为气体吸附的饱和蒸汽压；A为对数曲线斜率；constant为常量.

式中：D为分形维数.

绘制ln V与ln(ln(p0/p))双对数图，得到拟合直线斜率A，即可计算孔隙分形维数D.针对2个相对压力段(p/p0＜0.5和p/p0＞0.5)求取分形维数.由煤岩样品微小孔的分形计算结果(见图3)可知，在2个相对压力段，碎裂煤和碎粒煤的双对数曲线拟合关系较好，分形维数计算结果介于2～3之间，符合孔表面孔结构的分形意义[24].比较不同相对压力的分形维数D1和D2，证实滞后环的存在对孔隙系统的影响(见表1)，在相对压力小于0.5时，D1与曲线类型没有规律性；在相对压力超过0.5时，存在滞后环的D2均比不存在滞后环的D2要高.这说明由于煤样变形程度不同，导致自身孔隙系统发生变化，从而表现不同的分形特征.因此，研究相对压力大于0.5的分形维数特征对了解煤层孔隙系统更有意义.

煤岩孔隙的分形维数计算方法较多[23]，其中FHH[1]模型应用较为广泛，计算方法基于

图3 鹤岗煤田低温氮吸附体积和相对压力(p/p 0＞0.5)的双对数曲线Fig.3 Plots of ln V and ln(ln(p 0/p))(p/p 0＞0.5)reconstructed from the N2 gas adsorption isotherms

表1 鹤岗煤田构造煤微小孔分形维数Table 1 Pore fractal dimensions for Hegangtectonic coal

3.1 煤分形维数与吸附能力的关系

甲烷在煤中的存在形式以吸附为主，因此孔隙形状与结构对煤岩的吸附能力产生一定影响[25-26].分形维数可以表征煤岩孔隙的不规则性或粗糙性，因此分形维数与煤岩的吸附能力具有相关性.由分形维数D2与兰氏体积的关系(见图4(a))可知，分形维数D2与兰氏体积大体上呈线性正相关，即甲烷的吸附能力随分形维数的增大而增强.随着煤岩变形程度增加，煤岩中孔隙结构发生重组，微孔数量增加，比表面积变大，同时孔隙的形状和粗糙程度增加，使得分形维数变大.煤岩对煤层气的吸附以表面吸附为主，因此煤岩的吸附能力增强.

3.2 煤分形维数与孔隙结构的关系

分形维数与煤岩孔隙结构有密切的关系[27-28].分形维数D2与煤岩微孔体积分数呈正相关关系，即分形维数越大，微孔体积分数越多；分形维数与比表面积大体呈正相关关系，与平均孔径呈相反趋势(见图4(b)、(c)、(d)).

图4 分形维数与吸附能力和孔隙结构的关系Fig.4 Relationships between the fractal dimension adsorptive capacity and pore structure

分形维数与比表面积、微孔体积分数和平均孔径具有显著的相关性，表明随着分形维数增加，一方面煤岩孔隙形态发生较大变化，从开放性孔隙向瓶型孔过渡，孔隙吼道逐渐复杂化，连通性变差；另一方面孔隙表面也由光滑向粗糙转化，比表面积增加，甲烷分子附着排列的空间增大.因此，分形维数能够较为准确地反映在不同变形程度下的煤岩孔隙结构和吸附特征.

4 结论

(1)鹤岗煤田北部地区碎裂煤和碎粒煤孔隙以微孔为主，低温氮吸附、脱附曲线在相对压力p/p0＞0.5时表现两种类型.碎裂煤低温氮吸附、脱附曲线相对平行，孔隙以开放孔为主；碎粒煤低温氮吸附、解吸曲线间存在明显的滞后环，孔隙以瓶型孔为主.

(2)构造煤分形维数在相对压力p/p0＞0.5时更具有研究意义，碎粒煤的分形维数高于碎裂煤的.

(3)分形维数既能反映吸附能力强弱，又能表征孔隙结构.分形维数变大，煤岩变形程度增加，微孔体积分数增加，平均孔径变小，比表面积增大，孔表面粗糙度增加，导致煤岩孔隙系统复杂化，最终煤岩吸附能力增强.

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TD31

A

2095-4107(2014)05-0061-06

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.05.008

2013-10-14；编辑任志平

国家重大科技专项(2010E-2201)

王有智(1982-)，男，硕士，工程师，主要从事煤层气勘探与部署方面的研究.

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