沁水盆地南部深煤层孔隙结构特征

陆小霞， 黄文辉， 陈燕萍， 张守仁， 吴 见， 徐延勇

( 1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083； 2. 中国地质大学(北京) 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083； 3. 中联煤层气有限责任公司 研究中心，北京 100011； 4. 中原油田物探研究院，河南 郑州 450000 )



沁水盆地南部深煤层孔隙结构特征

陆小霞1,2,3， 黄文辉1,2， 陈燕萍4， 张守仁3， 吴 见3， 徐延勇3

( 1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083； 2. 中国地质大学(北京) 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083； 3. 中联煤层气有限责任公司 研究中心，北京 100011； 4. 中原油田物探研究院，河南 郑州 450000 )

煤层气的勘探开发已逐步转向埋深大于1 000 m的煤层，以沁水盆地南部为研究背景，采集浅部与深部煤样，进行压汞和低温氮吸附实验，对比孔隙结构特征.结果表明：从浅部到深部，煤层微小孔的体积稍增多，中孔和大孔的略减.当煤层埋深小于750 m，压汞曲线类型以Ⅱ型为主，孔隙形态以Ⅰ类开放孔为主，孔隙结构配置较好.当煤层埋深为750～1 100 m，压汞曲线类型包括Ⅱ型和Ⅲ型，孔隙形态以Ⅱ类一端封闭型为主，孔隙结构复杂，存在一个过渡带.当煤层埋深大于1 100 m，压汞曲线类型以Ⅲ型为主，孔隙形态主要为Ⅰ类开放孔，含有部分Ⅱ类和Ⅲ类孔，气体储存空间减小，孔隙结构配置较差.地应力是影响孔隙结构的关键因素，随着埋深的增大，地应力的分带性导致孔隙结构由较好，变为复杂的过渡带，最后变为较差.深煤层的过渡带物性参数显示较为复杂的变化特征，为深部煤层气的开发提供参考依据.

深煤层； 孔隙结构； 孔隙形态； 压汞曲线； 低温氮吸附； 过渡带

0 引言

我国陆上埋深超过1 000 m的煤层气资源量达22.53×1012m3，占煤层气资源总量的61.22%.其中埋深1 000～1 500 m的煤层气资源量为10.61×1012m3，占总资源量的28.8%；埋深1 500～2 000 m的煤层气资源量为11.93×1012m3，占总资源量的32.4%[1].因此，勘探开发深部煤层气对于解放深部巨大的煤层气资源量具有重要意义.沁水盆地南部一直是我国煤层气勘探开发的热点地区，以往多集中在煤层埋深小于1 000 m的区块，目前逐渐转向埋深大于1 000 m的区块.深部煤层存在地应力场复杂且构造应力明显、地温高且气固物理化学作用复杂、煤层力学特征与储渗结构复杂等问题，导致深部煤层渗透率低、储层分布非均质性强，在开采过程中煤层气井产量低、衰减快[2-5],因此，深部煤层特征是目前煤层气勘探开发研究的难点.

近年来，对深煤层的研究主要包括3个方面.一是煤层物性.梁红侠等分析淮南煤田深部煤的孔隙特征和意义，认为随埋深增大，煤的比孔容积减小，微孔的比孔容积占总比孔容积的比率增大，煤的孔隙率减小，微孔增多，使得煤吸附瓦斯的容量相对增多[6].人们在高温高压下煤岩力学特征、应力应变机制方面进行研究，如杨松等总结深部煤层孔渗特征的研究现状[7].二是深部煤层含气量.王爱国、傅雪海、宋全友、赵丽娟等对不同区块的深部煤层含气量进行预测，主要预测方法有含气梯度法、压力—吸附曲线法、煤质—灰分—含气量类比法、测井曲线法、有效生气阶段和有效生气量计算、地质条件综合分析法等[8-11].三是深部煤层气成藏特征.秦勇、申建等从深部地应力场、地温场、含气量及流体压力系统等方面分析深部煤层气成藏的特殊性，认为深部地应力状态转换的临界深度与水平最大主应力有关；深部地温场对煤层气吸附能力影响的负效应大于地层压力的正效应；围压是影响深部煤岩力学的主要因素，温度和流体压力对煤岩力学性质的影响更为复杂；并建立吸附—温度—应力—流体压力效应耦合的深部煤层渗透率数学模型[12-15].可见，对于深部煤层，尤其是孔渗等物性特征方面的研究尚缺乏.在沁水盆地东南部柿庄北区块，已逐步开始开采埋深1 000～2 000 m的煤层气，但产气量一般较低.笔者采集沁水盆地南部深部钻孔的煤样，与浅部钻孔的煤样进行对比，分析深部煤层孔隙特征，为深煤层的开发提供依据.

1 研究背景

1.1 地质概况

图1 沁水盆地南部15号煤层埋深等值线Fig.1 Depth contour of the No.15 coal seam in southern Qinshui basin

沁水盆地位于山西省东南部，是中生代末形成的复式向斜构造盆地.盆地主要经历三期构造运动，即印支期、燕山期及喜山期.盆地边缘发育大型断裂，内部以次级褶皱为主，构造线多为北东—北北东方向[16].研究区位于盆地东南部向西北倾的斜坡，地层倾向北西西，倾角平缓.研究区主要发育的煤层有山西组3号煤层和太原组15号煤层，盆地边缘煤层埋藏较浅，在东南边缘可见15号煤层出露，向盆地内部，煤层埋深逐渐加大，在长子西南部煤层平均埋深超过1 000 m，属于深煤层(见图1)，构造以北北东向的宽缓褶皱为主.研究区煤层埋深由东向西逐渐加大，中部受褶皱影响有较大变化,主要发育3条正断层，即文王山断层、二岗山断层、寺头正断层，以及晋获断裂带，对煤层气的影响不大.

1.2 煤岩煤质特征

研究区含煤地层主要为上石炭统太原组和下二叠统山西组,共钻遇6～11层煤层，其中厚度较大且全区分布稳定的可采煤层是3号煤层和15号煤层(见图2).

3号煤层厚度为5.30～7.32 m，平均为6.41 m，结构简单，部分含0～1层夹矸.3号煤层为黑色块状，半亮型，以亮煤为主，夹镜煤、暗煤薄层，条带状结构，似金属光泽，密度小，内生裂隙较发育.15号煤层厚度为1.00～5.25 m，平均为3.86 m，分叉普遍，多被分为上、下2层，局部地区被分为3层.15号煤层也为黑色块状，半亮型，以亮煤为主，金属光泽，内生裂隙较发育，可见条带状、结核状黄铁矿.3号和15号煤层的显微组分以镜质组为主，一般占80%(体积分数)以上；其次为惰质组，体积分数为5.5%～50.0%，矿物质少见，壳质组几乎见不到，为无烟煤.3号煤层平均含硫质量分数为0.39%，15号煤层平均含硫质量分数为2.24%；3号和15号煤层的灰分产率和挥发分质量分数平均低于20%，为中—低硫、中—低灰煤.

1.3 样品采集与测试

采集沁水盆地南部晋城、长治、潞安等地浅部煤矿的煤样，包括石圪节矿、王庄矿、望云矿、伯方矿、凤凰山矿和王台铺矿，以及深部钻孔中的3号煤层和15号煤层的煤样，深部钻孔煤样主要来自长子西部的X005、X008、X011、X013-1、X025井、X306井(见图1).为了对比不同深度的3号煤层和15号煤层孔隙发育特征，3号煤层采集9件样品，埋深为240～1 500 m；15号煤层采集4件样品，埋深为280～1 111 m.因较难获得深部煤层气井的煤样，样品数量不够多，尤其是15号煤层.由于钻至15号煤层的深井较少，导致样品数量少.根据压汞实验和低温氮吸附测试，分析研究区深煤层孔隙结构，所采用的实验设备分别为Autopore IV9500压汞仪和Quadrasorb SI比表面测定仪，测试单位为华北石油勘探开发研究院.

图2 沁水盆地X006井煤系地层柱状图Fig.2 Stratigraphy column of coal-bearing strata of well X006 in Qinshui basin

2 结果分析

2.1 压汞孔隙结构特征

图3 沁水盆地南部3号和15号煤层孔隙度与埋深的相关性Fig.3 The correlation between porosity and depth of No.3 and No.15 coal seams in southern Qinshui basin

沁水盆地南部3号煤层和15号煤层的孔隙度为1.30%～9.91%，大多数在6.00%以下，平均为4.76%.当煤层埋深小于500 m，随埋深增加，孔隙度有降低的趋势；当煤层埋深在500～1 000 m之间，孔隙度有一个峰值区；当煤层埋深大于1 000 m，孔隙度变小(见图3).

压汞实验结果显示，3号煤层微小孔的体积占85.38%(体积分数)，中孔的占9.08%，大孔的占3.96%；15号煤层微小孔的体积占83.36%，中孔的占10.39%，大孔的占4.78%，表明3号和15号煤层以微小孔为主.

煤储层压汞曲线有孔隙型和裂隙—孔隙型2种.沁水盆地3号煤层和15号煤层压汞曲线属于孔隙型，但孔隙结构不同，毛管压力曲线不同.因此，又可根据毛管压力曲线形状，将沁水盆地南部煤样孔隙类型分为3种类型[17].类型Ⅰ：孔隙度较高，大孔体积在所有类型中最高，中孔体积也较高，孔径结构配置较好.类型Ⅱ：孔隙度高，孔喉直径均值大，排驱压力小，中孔体积较高，但大孔体积较类型Ⅰ的少.类型Ⅲ：孔隙度较低，排驱压力较大，孔喉直径较小，进汞饱和度低，中孔和大孔的总和低于10%，孔喉直径均值也较低(见图4).按3种类型划分方法，对比不同深度的煤样，3号煤层浅部样品的压汞曲线主要为类型Ⅱ，深部为类型Ⅲ.15号煤层从浅到深，压汞曲线由类型Ⅰ变化到类型Ⅲ.可见，随着埋深的增加，煤样孔隙结构变差.这主要是由于随着埋深增加，储层压力升高，孔隙被挤压程度加大，孔隙结构变差.

图4 压汞曲线和孔喉半径特征Fig.4 Mercury injection curve and the characteristics of the aperture

2.2 低温氮吸附法孔隙结构特征

低温氮吸附法适用于测试孔喉半径在10.0 nm以下的孔隙，它能测到的最小孔喉半径为0.6 nm，最大孔喉半径为100.0～150.0 nm.因此，低温氮吸附法主要研究吸附孔.

实验得出3号煤层的BET比表面积为0.121～1.379 m2/g，平均为0.722 m2/g；BJH总孔体积为9.01×10-4～0.63×10-2mL/g，平均为30.34×10-4mL/g；BJH比表面积为0.707～2.723 m2/g，平均为1.764 m2/g；BJH孔喉直径为7.93～23.18 nm，平均为15.05 nm.

3号煤层比表面积见图5.由图5可知，随着埋深的增大，当埋深小于1 000 m，3号煤层煤样的比表面积减小；当埋深大于1 000 m，比表面积先增大后减小；当埋深在1 000～1 100 m之间，比表面积出现高值.这是由于3号煤层小孔的比表面积贡献率先增大后减小，最大值在1 000～1 100 m之间(见图6).可见，随着埋深的增加，小孔总比表面积的变化决定整个煤样的总比表面积的变化.

图5 3号煤层比表面积Fig.5 BET of No.3 coal seam

图6 3号煤层各孔径段比表面积百分比Fig.6 The percentage of BET of different aperture in No.3 coal seam

15号煤层比表面积见图7.由图7可知，随着埋深的增大，15号煤层煤样的比表面积减小,其变化趋势与3号煤层的不同，原因是缺少埋深在1 000～1 100 m之间的样品.15号煤层的微孔、小孔比表面积百分比也呈现同样的规律(见图8).

图7 15号煤层比表面积Fig.7 BET of No.15 coal seam

图8 15号煤层各孔径段比表面积百分比Fig.8 The percentage of BET of different aperture in No.15 coal

3号煤层的比孔容积随埋深呈现减小—增大—减小的变化趋势，与小孔贡献率先减小后增大再减小的变化趋势一致(见图9).15号煤层比孔容积随埋深的增加逐渐减小(见图10)，原因是样品深度范围与3号煤层的不同.15号煤层总孔体积随埋深减小,微小孔的贡献率最大，影响总孔体积.

图9 3号煤层比孔容积Fig.9 Specific pore volume of No.3 coal seam

图10 15号煤层比孔容积Fig.10 Specific pore volume of No.15 coal seam

不同的吸附等温线类型代表不同的毛管形状和孔形结构[18].陈萍、王有智、赵迪斐等根据孔形结构和吸附回线，把孔隙分成开放性透气性孔(Ⅰ类开放型孔)、一端封闭的不透气性孔(Ⅱ类一端封闭型孔)及细颈瓶形(Ⅲ类墨水瓶状)孔.开放性透气性孔主要包括四边开放的平行板孔和两端开口的圆筒形孔，这类孔隙能产生明显的吸附回线；一端封闭的不透气性孔不产生吸附回线；细颈瓶形孔，也叫墨水瓶状孔，这类孔虽然是一端封闭的，但是能产生吸附回线，且吸附回线有一个急剧下降的拐点[19-21].封闭型孔不利于解吸和扩散，开口型孔有利于解吸和扩散.

不同埋深的3号煤层吸附等温线见图11.由图11可知，王庄矿、望云矿及伯方矿3号煤层在压力较高和较低处，吸附曲线与脱附曲线几乎重合，表明存在Ⅱ类一端封闭型孔，中间压力段，吸附回线明显，表明主要是Ⅰ类开放型孔.X005、X013、X008井的3号煤层吸附回线比较小，表明主要是Ⅱ类一端封闭型孔.X011井3号煤层在压力较高和较低处吸附、脱附曲线几乎重合，存在部分Ⅱ类一端封闭型孔，其余压力段吸附回线明显，表明主要是Ⅰ类开放型孔.X025井吸附回线明显，但脱附曲线有一个拐点，表明存在Ⅲ类墨水瓶状孔，但还是以Ⅰ类开放性孔为主.3号煤层随着埋深的增大，孔隙形态有所变化，当煤层埋深小于1 000 m，以Ⅰ类两端开口型孔为主，部分为Ⅱ类一端封闭型孔；当煤层埋深为1 000～1 100 m，以Ⅱ类一端封闭型孔为主，原因是煤层埋深较大，受到上覆岩层的压力较大，Ⅰ类两端开口型孔被挤压，一端封闭；当煤层埋深大于1 100 m，以Ⅱ类两端开口型孔为主，少部分为Ⅲ类墨水瓶状孔.

图11 沁水盆地南部3号煤层吸附等温线Fig.11 Adsorption isotherm of No.3 coal seam in southern Qinshui basin

不同埋深的15号煤层吸附等温线见图12.由图12可知，石圪节矿、王台铺矿、凤凰山矿及X005井的15号煤层吸附回线较明显，仅在压力较高和较低处，吸附曲线与脱附曲线几乎重合，表明孔隙形态以Ⅰ类开放型孔为主，少量含有部分Ⅱ类一端封闭型孔，随着埋深的增大，Ⅱ类一端封闭型孔逐渐增多.X306井和X008井吸附回线不明显，主要是Ⅱ类一端封闭型孔.随着埋深加大，上覆储层压力增大，孔隙受挤压，15号煤层孔隙形态逐渐由Ⅰ类开放型孔转为Ⅱ类一端封闭型孔.

图12 沁水盆地南部15号煤层吸附等温线Fig.12 Adsorption isotherm of No.15 coal seam in southern Qinshui basin

3 讨论

孔隙结构对煤层气的影响主要表现在2个方面:一是影响煤层气的渗流，二是影响煤层气吸附和富集.由于3号煤层样品较多，且能反应各个深度段的特征，15号煤层样品较少，因此，主要针对3号煤层分析孔隙结构随埋深的变化特征(见表1).

表1 沁水盆地南部3号煤层孔隙结构随埋深变化特征

由表1及图4可知，随着埋深增大，3号煤层的进汞饱和度、退汞效率降低，孔喉直径均值减小，连通性变差，压汞曲线类型以类型Ⅲ为主，孔隙结构变差.孔隙形态埋深小于1 000 m，以Ⅰ类开放型为主；埋深在1 000～1 100 m之间，以Ⅱ类一端封闭型孔为主；埋深大于1 100 m，以Ⅰ类开放型孔为主，部分为Ⅱ类一端封闭型和Ⅲ类墨水瓶状孔.深部煤储层孔隙结构配置有变差的趋势，但在中间存在一个过渡带.

煤层气主要以吸附状态赋存在煤的微孔和小孔的内表面，因此煤的比表面积和微小孔体积对煤层气的吸附和储集有一定影响，并且关于比表面积与吸附能力的关系存在一定争议[22].主要有两种观点，一种认为煤的孔比表面积与吸附能力呈负相关关系，另一种认为两者呈正相关关系[23].甲烷分子的直径为0.38 nm，煤中孔隙，不论是微小孔还是大中孔，都是甲烷赋存的空间.在埋深1 000 m左右，所有矿区的任何煤层内实际被吸附的甲烷量还达不到朗格缪尔方程内的朗格缪尔体积，即如果压力增大，则该煤层的孔隙还可以容纳更多的甲烷.因此，煤中的吸附气量与孔隙结构无直接关系，而取决于煤质、压力及温度等，即孔比表面积与煤的吸附能力并无必然关系，只代表煤层储存气体的空间.由表1可知，当煤层埋深小于1 000 m，气体的储存空间随埋深增大而减小；当煤层埋深为1 000～1 100 m，气体的储层空间先增大后减小；当煤层埋深大于1 100 m，气体的储层空间逐渐减小.可见，在1 000～1 100 m之间煤层有一个过渡带，与围压有关.

申建认为，按照地应力的指标，沁水盆地深煤层的临界深度为750 m.埋深小于750 m，最大水平主应力大于最小水平主应力和垂直应力，主应力差较强；埋深大于750 m，主应力差弱化，渗透率受孔隙影响显著[13].孟召平等根据侧压系数，将沁水盆地南部地层中的地应力状态分为伸张带、过渡带和压缩带，伸张带埋深小于650 m，压缩带埋深大于1 000 m，过渡带埋深介于两者之间[24].付晓龙根据水力压裂数据，分析沁水盆地柿庄北区块，埋深小于600 m，地应力以水平应力为主；埋深为600～1 100 m，垂向应力为最主要的因素；埋深超过1 100 m，重力为最主要的影响因素[25].综合分析，地应力随着埋深的增大逐渐变化，且中间存在过渡带.

综合实验分析及表1认为，埋深小于750 m，压汞曲线类型以Ⅱ型为主，孔隙形态以Ⅰ类开放型孔为主，孔隙结构配置较好.这主要是由于煤层埋深浅，主应力差较强，地应力处于伸张带，孔隙受压缩程度相对小.埋深在750～1 100 m之间，孔隙度有一个峰值区，压汞曲线类型既有Ⅱ型也有Ⅲ型，孔隙形态以Ⅱ类一端封闭型孔为主，BET比表面积较高，气体的储存空间较大，地应力处于过渡带，表明此深度段孔隙结构特征较复杂，孔隙结构也存在一个过渡带.埋深大于1 100 m，压汞曲线类型以Ⅲ型为主，孔隙形态主要为Ⅰ类开放型孔，但含有部分Ⅱ类一端封闭型和Ⅲ类墨水瓶状孔，气体储存空间也减小，表明孔隙结构配置较差.这是由于地应力处于压缩带，以压力正效应为主，孔隙排列更紧密.

在沁水盆地南部，煤层埋深在750～1 100 m之间，煤层物性存在一个过渡带.在过渡带应力发生转变，孔隙结构、孔隙类型、比表面积等煤层物性也表现复杂的特征，对煤层气的储集、解吸和渗流有影响.

4 结论

(1)沁水盆地南部3号和15号煤层孔隙结构以微小孔为主，从浅部到深部，煤储层微小孔稍有增多，中孔和大孔略减少.3号煤层的孔比表面积、比孔容积随埋深先减小再增大再减小，峰值在1 000～1 100 m之间.由于受样品深度的限制，15号煤层的孔比面积、比孔容积呈现随埋深增大而减小的趋势.3号和15号煤层液氮吸附曲线显示，随着埋深的增大，孔隙形态由以Ⅰ类开放型孔为主转向以Ⅱ类一端封闭型孔为主，不利于气体的渗流和扩散.

(2)在沁水盆地南部，煤层埋深在750～1 100 m之间，煤层物性存在一个过渡带.埋深小于750 m，压汞曲线类型以Ⅱ型为主，孔隙形态以Ⅰ类开放型孔为主，孔隙结构配置较好.埋深为750～1 100 m，孔隙结构复杂，由于受地应力影响，孔隙结构存在一个过渡带.埋深大于1 100 m，压汞曲线类型以Ⅲ型为主，孔隙形态主要为Ⅰ类开放型孔，但含有部分Ⅱ类一端封闭型孔和Ⅲ类墨水瓶状孔，气体储存空间也减小，孔隙结构较差.

(3)地应力是影响孔隙结构的关键因素，随着埋深的增大，最大主应力发生变化，地应力形成分带，分别有伸张带、过渡带及压缩带.这种分带性直接导致随着埋深的增大，孔隙结构由较好变为复杂的过渡带，最后变成较差.

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2014-12-01；编辑：陆雅玲

国家科技重大专项(2011ZX05042)

陆小霞(1986-) ，女，博士研究生，主要从事煤层气与煤地质方面的研究.

P618.1

A

2095-4107(2015)03-0041-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.006