邢台矿区煤储层孔隙特征分析

高 亮，上官拴通，张国斌，张 苗

（1.河北省煤田地质局第二地质队，河北邢台 054000；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221008）

邢台矿区煤储层孔隙特征分析

高 亮1，上官拴通1，张国斌1，张 苗2

（1.河北省煤田地质局第二地质队，河北邢台 054000；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221008）

为查明邢台矿区煤储层孔隙分布特征对煤层气含气量和可采性的影响，对采自邢台矿区不同生产矿井的6个煤样进行了镜质组最大反射率、压汞实验分析，结果发现该区煤储层孔隙具有如下特征：6个煤样平均孔隙度为5.87%，对煤层气的储集开发贡献一般，其大小与煤变质程度和大孔含量关系密切；煤储层吸附孔平均含量达74.29%以上，渗流孔含量很少，这对煤层气的储集非常有利，但影响煤层气的开发；6个煤样的中孔孔容都不太发育，成为煤层气渗流的“瓶颈”；3～17 nm的孔隙对孔体积和比表面积具有控制作用，大孔、中孔几乎不起作用；分析6个煤样的压汞曲线发现，孔隙类型以半封闭孔、封闭孔为主，孔隙连通性较差，不利于后期煤层气的开采，应加强此类储层煤层气钻井工艺和开采技术研究，通过储层改造来改善煤层气的可采性。

煤储层；孔隙；煤层气；压汞实验

0　引言

煤储层是一种三元孔、裂隙介质，煤层气在宏观裂隙、大孔、中孔以渗流为主，在小孔、微孔中以吸附、扩散为主，各个孔径段的孔隙均在一定程度上发育且孔裂隙系统配置合理的煤储层有利于煤层气的产出[1-2]。煤孔隙结构分布是研究煤层气赋存状态、气、水介质与煤基质间的相互作用以及煤层气解吸、扩散和渗流的基础[3]，它制约着煤层气含气量，同时影响其可采性[4]。

邢台矿区位于太行山东麓含煤区，含煤地层为石炭-二叠系，煤炭资源丰富，断裂、褶皱较发育[5-6]（图1）。受岩浆岩影响，区内煤种在平面上自北向南、自东向西变质程度逐渐增高，气煤变为无烟煤[7]。前人对本区煤层气含气性特征、控气因素等方面开展了较多研究[8-12]，但对于煤储层孔隙特征研究相对较少。基于此，本次研究对采自邢台矿区的6个煤样进行了镜质组最大反射率测试和压汞实验，探讨了本区煤储层孔隙分布特征并分析其对煤层气可采性的影响。

1　样品采集及测试

本次共采集了邢台矿区不同生产矿井的6个样品，煤岩样品采自主采煤层新鲜工作面，镜质组最大反射率Ro，max为0.76%～3.18%（表1），涵盖气煤、贫煤和无烟煤，具有一定的代表性。采用汞侵入法对6个样品孔径结构进行了测试，测试仪器选用AU⁃TOPORE IV9500型压汞微孔测定仪，工作压力0.0039～413.085 MPa。按《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度第1部分：压汞法》（GB/T21650.1-2008/ISO 15901-1:2005）取样、破碎和筛分。上机前将煤样放置于烘箱中，在70～80℃的条件下恒温干燥12 h，然后装入膨胀仪中抽真空至压力小于6.67 Pa时进行测试。通过压汞实验得到煤中孔隙度、比孔容和比表面积等参数，受仪器限制，最小测试到3.0 nm，其以下孔隙未能测出。

图1　区域构造格局及煤样分布图（据张路锁等，2008修改）Figure 1 Regional tectonic framework and sampling points distribution（modified from Zhang et al，2008）

2　孔隙系统发育特征

依据目前国内应用最广泛的B.B.霍多特十进制孔隙分类标准[13]，分别对大孔（>1000 nm）、中孔（100～1000 nm）、过渡孔（10～100 nm）和微孔（≤10 nm）进行了6块样品比孔容和比表面积的统计（表1）。

表1　煤样测试数据表Table 1 Data sheet of coal sample tested results

2.1孔隙度

对本区6块样品的测试数据显示，煤样孔隙度为3.88%～8.39%（表1），平均为5.87%。从孔隙度大小的单一因素来看，平均孔隙度达到7%以上煤储层对煤层气的储集和开发有利[14]，本区煤储层孔隙度对煤层气的储集开发贡献一般。

进一步分析发现，煤的孔隙度与煤变质程度和大孔含量关系密切。随着大孔含量的升高，孔隙度亦呈增大趋势（图2a）。高煤阶煤与中煤阶煤相比孔隙度较大（图2b），这是由于煤孔隙经历了由中等变质程度孔隙度降低到高煤阶孔隙度再次升高的过程[15]。

图2　大孔含量（a）及Ro，max（b）与孔隙度的关系Figure 2 Relationships between macropore content and(a)Romax;(b)porosity

2.2孔容与孔比表面积

通过总比孔容数据可以明显看出，本区煤的总比孔容变化范围较大，为279×10-4～725×10-4cm3/g，平均为496.5×10-4cm3/g。其中DP-1数据最小，高煤阶煤总比孔容较中煤阶煤相比呈现增大趋势（图3a）。高煤阶煤各孔径段孔隙体积均比中煤阶煤大，中煤阶煤微孔孔容最为发育，过渡孔孔容次之；高煤阶煤亦是微孔孔容最为发育，过渡孔、大孔孔容次之（表2），不符合以往研究中华北地区中高阶煤类中大孔、过渡孔占较高比例的结论[16]，究其原因，可能与本区煤的宏观煤岩组分多镜煤、少丝炭有关，丝炭的孔隙率比镜煤大3～4倍且以中孔、大孔为主，镜煤则以微孔和小孔为主[17]。比孔容百分比图4（a）表明微孔是比孔容的主要贡献者。

图3　 Ro，max与总比孔容（a）、总比表面积（b）的关系Figure 3 Relationships between Romaxand(a)total specific pore volume;(b)total specific surface area

表2　中、高阶煤样比孔容、比表面积均值Table 2 Mean values of medium to high ranked coal sample specific pore volume and specific surface area

图4　煤样不同孔径比孔容（a）、比表面积（b）百分比分布Figure 4 Percentage distribution of different pore sizes:(a)specific pore volume;(b)specific surface area

样品总比表面积为12.621～31.050 cm2/g，平均为21.596 cm2/g。从比表面积来看，高煤阶煤总比表面积较中煤阶煤相比亦增大（图3b）。各煤阶比表面积均以微孔为主，大孔比表面积最小（表2、图4b）。中、高煤阶煤微孔平均比表面积比分别为88%、90%，比孔容仅次于大孔的过渡孔平均比表面积仅为12%和3%，可以看出微孔比表面积是总比表面积的最大贡献者，而大、中孔对比表面积的贡献甚微。这与随变质程度提高，微孔比表面积占绝对优势的结论一致[15，18]。

傅雪海等[3]将煤孔隙划分为小于65 nm的扩散孔隙和大于65 nm的渗透孔隙两级，姚艳斌等[14]将孔径大于100 nm的孔隙归为渗流孔隙，将孔径小于100 nm的孔隙归为吸附孔隙。吸附孔隙主要影响煤层气的聚集，渗流孔隙主要影响煤层气的解吸和开采。分析本区煤样各孔径段孔隙含量发现，6个样品的中孔孔容都不太发育，成为煤层气渗流的“瓶颈”[19]。按孔径100 nm为划分界限，本区吸附孔占绝对优势，平均含量达74.29%以上，渗流孔含量较小，约25.71%，这种孔隙系统对煤层气的储集非常有利，但影响煤层气的开发。

2.3孔径分布

利用本次压汞实验测得孔体积和孔径数据绘制的孔体积随孔径的变化率分布可以看出（图5），煤样孔体积主要在3～17 nm变化强烈，其中在3 nm、11 nm和14 nm处出现3个峰值，除样品DP-2外，其它样品在孔径大于17 nm的区间变化率几乎为0，表明孔径在3～17 nm内孔隙对孔体积的贡献起主要作用。

图5　煤样孔体积变化率分布Figure 5 Distribution of coal samples pore volume change rates

同样，利用比表面积和孔径数据绘制的比表面积随孔径的变化率分布可以看出（图6），煤样比表面积随孔径的变化率主要集中在3～17 nm，尤其以孔径3～12 nm变化率最大，孔径12～17 nm变化率趋于平缓，孔径大于17 nm的变化率几乎为0，说明3～17 nm的孔隙对比表面积具有主导作用，而大孔和中孔对比表面积几乎不起作用。

图6　煤样比表面积变化率分布Figure 6 Distribution of coal samples specific surface area change rates

2.4孔隙形态及连通性

煤中的有效孔隙包括开放孔和半封闭孔2种基本类型。压汞实验的进、退汞曲线的形态可以直观反映煤储层连通性，开放孔具有压汞“滞后环”，半封闭孔则由于退汞压力和进汞压力相等而不具“滞后环”[14，20-21]。

从各煤样的进汞曲线可以看出（图7），当注入压力较小时，6个煤样的进汞量迅速增大且达到一定值，该值反映煤样中大孔的发育程度[22]。煤样GQ-1和GQ-2在初始阶段煤样进汞量最大，说明该2个煤样的大孔发育程度最好。随后，除煤样DP-2外，各煤样进汞量随着压力的增大几乎呈线性增加。煤样DP-2进汞曲线在压力0.256～30.934 MPa呈水平直线，反映该压力区间无进汞量，煤样DP-2测试结果显示该样品中孔孔容为0，说明压力在0.256～30.934 MPa时汞以进入中孔为主。

对比邢台矿区6个煤样的压汞曲线可以发现，6个样品的进汞曲线和退汞曲线形态大体形同，均近于平行，无明显“滞后环”，为平行型压汞曲线，说明孔隙类型以半封闭孔甚至封闭孔为主，这与样品微孔、过渡孔比孔容发育而中孔不发育的测试结果一致。煤样XD-1和XT-1在同一压力值处进汞、退汞量差值最小，部分出现重合现象，说明封闭孔较多，孔隙连通性较差。一般来说，这类孔隙煤储层的渗透性不好，不利于后期煤层气的开采。

3　孔隙特征对煤层气藏的影响

邢台矿区储集空间由大孔、中孔、过渡孔和微孔4种类型组成，微孔和过渡孔为主要孔径，3～17 nm孔隙占有重要比例。平均总比孔容496.5×10-4cm3/g，平均总比表面积为21.596 cm2/g，两者的主要贡献者均为微孔，这有助于煤层气的吸附聚集，若封盖条件良好，则区内可能形成一定的富气带。但与此同时，本区孔径结构不连续，且微孔占比高，由于微孔的封闭性阻碍了压差在煤储层内的有效传递从而降低煤层气的解吸能力[23]，这将是煤层气未来解吸开发的最大“瓶颈”，应加强此类储层煤层气钻井工艺和开采技术研究，通过储层改造来改善煤层气的可采性。

图7　邢台矿区不同煤样压汞曲线Figure 7 Different coal samples mercury injection curves in Xingtai mining area

4　结论

①邢台矿区6个煤样平均孔隙度为5.87%，考虑孔隙度单一因素，其对煤层气的储集开发的贡献一般；煤的孔隙度大小与煤变质程度和大孔含量关系密切；

②煤储层微孔孔容最为发育，可能与煤的宏观煤岩组分有关；6个煤样的中孔孔容都不太发育，成为煤层气渗流的“瓶颈”；吸附孔平均含量达74.29%以上，渗流孔含量仅为25.71%，这种孔隙系统对煤层气的储集非常有利，但影响煤层气的开发；

③进一步分析发现，煤样孔体积和比表面积随孔径变化率分布表明3～17 nm的孔隙对孔体积和比表面积具有控制作用，大孔、中孔几乎不起作用；

④通过分析6个煤样的压汞曲线发现，孔隙类型以半封闭孔甚至封闭孔为主，孔隙连通性较差。一般来说，这类孔隙煤储层的渗透性不好，不利于后期煤层气的开采，应加强此类储层煤层气钻井工艺和开采技术研究，通过储层改造来改善煤层气的可采性。

致谢：中国矿业大学资源与地球科学学院傅雪海教授指导了样品的采集及测试工作，河南理工大学资源与环境学院李猛博士对本文提出了宝贵意见，特此感谢！

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Coal Reservoir Pore Characteristic Analysis in Xingtai Mining Area

Gao Liang1,Shangguan Shuantong1,Zhang Guobin1and Zhang Miao2
(1.The Second Exploration Team,Hebei Bureau of Coal Geological Exploration,Xingtai,Hebei 054000; 2.School of Resource and Earth Science,CUMT,Xuzhou,Jiangsu 221008)

To find out the impact from coal reservoir pore distribution features on CBM content and exploitability in the Xingtai mining area carried out maximum reflectance of vitrinite analysis and mercury injection experiment for 6 coal samples from different coalmines in the area.The results have found that the coal reservoir pores in the area have following features:average porosity of the 6 samples is 5.87%,pore contribution to CBM accumulation and exploitation is not great,and their sizes especially large pores content closely relat⁃ed to the degree of coal metamorphism.Coal reservoir adsorption pore average content can be over 74.29%,percolation pore content very few,that propitious to CBM accumulation,but impacted exploitation.The mesopore volume is less developed in 6 samples,thus the bottleneck of CBM seepage.Pores with diameter 3～17nm have controlling effect on pore volume and specific surface area,while macropore and mesopore almost no effect.Through analysis of sample mercury injection curves has found that the pore types are mainly semi-closed and closed pores with poor connectivity,thus is not good for CBM exploitation in the future,So that should intensify CBM drilling technology and exploitation studies,through reservoir reformation to improve CBM exploitability for such coal reservoirs.

coal reservoir;pore;CBM;mercury injection experiment

P618.11

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.11.05

1674-1803(2016)11-0019-06

高亮（1984—），男，河北石家庄人，工程师，本科，2009年毕业于河南理工大学地质工程专业，从事矿产资源勘查及评价研究工作。

2016-06-07

责任编辑：宋博辇