煤岩孔隙度主控地质因素及其对煤层气开发的影响
2018-10-31康永尚孙良忠姜杉钰
刘 娜，康永尚,2，李 喆，王 金，孙良忠，姜杉钰
(1.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；2.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249)
0 引 言
煤储层是一种非均质多孔介质，其中的孔隙是储集煤层气的主要场所。煤岩孔隙度与煤岩的破坏状态、应力分布以及抗压强度有着明显的相关性[1-2]:孔隙度与抗压强度呈负对数关系，孔隙度较小时，岩石破断面呈规则的“x”形，应力分布较均匀；孔隙度增大时，破断面呈不规则的“x”形，应力分布呈现不均匀的形式。此外，煤岩孔隙度也会对水力压裂过程产生一定的影响，当井底压力与地层压力差值一定时，随孔隙度的增大，综合滤失系数增大[3]。因此，煤岩孔隙度是评价煤储层的一个重要参数。
国内外学者对煤岩孔隙度的影响因素开展了大量研究，主要集中在煤级、显微组分和灰分及矿物赋存特征三个方面[4-6]。在煤级对煤岩孔隙度的影响作用方面，Gan[7]和韩德馨[8]认为随煤级升高，次生孔隙(主要包括热成因孔和裂缝孔)增加使得孔隙度增大；蔡佳丽等[9]在研究黔西上二叠统煤(其Ro介于0.71%～3.14%之间)的孔隙特征时同样认为随煤级升高，孔隙度呈由低到高的变化规律；而Levine等[10-14]则认为，煤岩孔隙度随煤级升高呈高-低-高的变化规律，而且朱春笙[11]认为，低煤化程度的长焰煤孔隙度最大，一般在16%左右，Levine[10]认为孔隙度在Ro=1.2%～1.6%时为极小值。另有刘大锰等[15]通过对华北石炭纪—二叠纪煤区河东煤田、渭北煤田、阳泉煤田、晋城煤田、大同煤田和两淮煤田的51个煤岩样品(其Ro介于0.5%～2.8%之间)的氦气孔隙度研究，认为煤岩孔隙度发育主要受3次煤化作用跃变所控制，在平均Ro<1.2%、1.2%～2.3%和>2.3% 3个阶段分别呈现出降低-升高-再降低3个过程。
在镜质组含量对煤岩孔隙度的影响作用方面，Crosdale等[16]认为，在同样的成熟度条件下，镜质煤的总孔隙度低于惰质煤。关于灰分产率与煤岩孔隙度的关系，一些学者认为灰分充填部分孔隙，与孔隙度呈负相关关系[17-19]。而国外学者多通过探求灰分与微孔、大中孔体积的关系来分析其对孔隙特征的影响。Faiz等[20]利用氢气侵入及CO2吸附实验研究了悉尼盆地南部和波恩盆地多个煤岩样品的孔隙体积特征，发现随矿物含量增加，大孔体积增加；Clarkson等[21-22]认为煤中矿物充填部分微孔导致微孔孔容降低；而Mastalerz等[23]通过对美国中北部印第安纳州Seelyville的3个煤矿的煤样分析认为，灰分对煤岩孔隙的影响是复杂的，灰分与大中孔含量无明显相关性，相比之下，灰分的增加能导致微孔体积明显减少。综合来看，国外学者更加认同灰分能减小微孔孔容的说法，但对于灰分与大孔含量关系的观点并不统一。
此外，还有研究认为，煤体结构对煤岩孔隙也有影响。在高煤级区，煤体结构破坏程度的增加导致不同孔径段的中孔和微孔均增大[24-25]；薛光武等[26]认为，同一煤级，随变形程度增加，煤岩中孔增加很快，而微孔演变与中孔呈消长关系，且从碎裂煤至糜棱煤，煤岩孔隙度下降。由上可见，前人在分析煤体结构对煤岩孔隙的影响时观点不甚一致，且多为针对单一煤级区的分析。
前人主要针对单一盆地或单一区块取得了不同认识，目前尚缺乏针对我国不同煤级区煤岩孔隙度及其影响因素的系统性认识。随着我国煤层气勘探开发的不断推进，不同煤级区煤岩孔隙度测试的资料也越来越丰富，目前已初步具备了在全国尺度范围内分煤级区系统分析煤岩孔隙度特征及主控因素的条件。本文系统统计和整理了我国主要含煤盆地中37个区块/矿区的压汞孔隙度、Ro,max、煤体结构、镜质组含量、灰分产率、大中孔比例和渗透率等数据，开展煤岩孔隙度影响因素研究及其对煤层气开发的影响，以期为我国煤层气勘探开发选区评价和煤层气开发提供规律性认识。
1 数据整理和分析方法
本文系统整理并统计了我国37个煤层气区块/矿区(图1)的煤层地质年代、埋深、压汞孔隙度、Ro,max、煤体结构、镜质组含量、灰分产率、平均大中孔比例和平均渗透率数据(表1)。
目前测定煤岩孔隙度最为常用的是氦气法和压汞法，氦气法理论上可以测量大于0.2 nm的所有孔隙，压汞法可以测量孔隙半径为3.75～7 500 nm之间的孔隙体积[27]，但氦气法测出的是煤岩的绝对孔隙度，而压汞法测得的是煤岩中连通的中孔和大孔孔体积及有效孔隙度，相比之下，压汞孔隙度更能代表具开发意义的煤层气储存空间比例。我国大部分煤层气区块/矿区有压汞法测试的孔隙度数据，而较少有氦气法测量的孔隙度数据，因此表1中的孔隙度数据均为压汞法测定的数据，且大中孔比例为压汞法测得的大孔和中孔孔隙比例之和。
图1 研究区块/矿区平面分布图Fig.1 Map showing the location of the study areas
在地质历史时期，构造运动造成了煤体发生不同程度的破坏，使得储层结构出现明显差异，煤体分为原生结构煤和构造煤。原生结构煤是指未发生强烈构造变形，保留原有特征的煤层；而构造煤参见国家标准(GB/T 30050—2013)对煤体结构的分类，可根据其变形程度细分为碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构。由于任一区块内部煤体结构存在变化，为了研究煤体结构对孔隙度的影响，本文按区块内主要发育的煤体结构，将每个区块分为3类，Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类:Ⅰ类区块主要以原生结构煤为主，Ⅱ类区块主要以原生结构煤和碎裂煤为主，Ⅲ类区块以碎粒煤和糜棱煤产出为主。
根据表1的数据，本文首先分析煤岩孔隙度与煤级和煤体结构的关系。为了研究煤级对孔隙度的影响，依据业内广泛采用的煤级划分标准划分不同的煤级:低煤级，Ro,max<0.65%；中煤级，0.65%
表1 我国37个煤层气区块/矿区孔隙度、煤体结构和煤质等数据统计表
(续)表1 我国37个煤层气区块/矿区孔隙度、煤体结构和煤质等数据统计表
注：序号910意为第9个区块的10号煤层，依此类推。各项数据区间范围均为根据不同相关文献中各项数据的分布范围按同一区块同一煤层取并集得到(有适当取舍)，各项数据平均值(括号中的数据或注明是平均值的数据，如平均大中孔比例等)均为根据不同相关文献中各项数据的平均值按同一区块同一煤层再平均得到，其中标有“*”的数据是利用Stata软件根据已有数据点拟合得到。
其次，在剔除了平均煤级对平均孔隙度影响的前提下，得到平均孔隙度剩余值。利用平均孔隙度剩余值与平均镜质组和平均灰分产率的散点图，揭示平均镜质组和平均灰分产率对平均孔隙度的影响规律。分不同煤级区，通过分析区块/矿区孔隙度变化区间与镜质组和灰分变化区间的关系，揭示不同煤级区区块/矿区内部孔隙度变化相对于镜质组含量和灰分产率变化的敏感性。
最后，通过区块/矿区平均渗透率和平均大中孔比例与平均孔隙度的关系分析，探讨孔隙度影响因素对煤层气开发的意义。
2 煤级和煤体结构对煤岩孔隙度的影响
根据表1数据，绘制了我国37个区块/矿区煤岩孔隙度与煤级关系图(图2)。由图2可知，我国煤岩孔隙度分布普遍不超过30%，中煤级和高煤级煤岩的孔隙度一般都在10%以下，总体上具有低孔隙度的特点。
(1)
图2 煤岩孔隙度与煤级和煤体结构关系图(图中柱状编号对应图1所示的煤层气区块/矿区编号且折线为平均值连线)Fig.2 Coal porosity and the corresponding coal rank/coal body structure
图3为平均孔隙度与平均Ro,max拟合关系图，结合图2和图3可得到以下认识:
(1)煤岩平均孔隙度与平均Ro,max拟合程度总体较好，可见，煤级是影响煤岩孔隙度的重要参数，在讨论镜质组和灰分含量对煤岩孔隙度的影响时必须剔除煤级的影响。
(2)孔隙度随煤级升高呈现出高-低-高-低的变化趋势，煤变质作用对孔隙度影响较为复杂。在变质程度较低的阶段(Ro,max<0.65%),煤岩结构疏松,主要发育原生大孔隙,且含有大量羟基和羧基官能团,因而孔隙度相对较大，在压实作用下迅速降低；在Ro,max介于0.65%～1. 65%之间时,即处于第一次和第二次煤化作用跃变之间时,随着煤级升高,煤中的原生大孔急剧减少,热变气孔逐渐增多,在这个过程中相对于微孔的增加,大孔的减少占绝对优势,因此煤的孔隙度表现为随Ro的增大而缓慢降低；Ro,max为1.65%～2.3%的煤岩,处于第二次与第三次煤化作用跃变之间的阶段,几乎所有的含氧官能团都脱落,大孔含量减少趋势变缓,微孔隙的增加逐渐占据主导，因而煤的孔隙度随微孔和小孔含量的增高又呈增高的趋势,并在Ro,max处于3.3%～3.5%之间某一处达到最大值；当煤岩变质程度达到很高，即Ro,max>3.5%以后，随着脱水作用的完成，煤岩孔隙度再次下降。煤岩变质过程中孔隙的演化规律可以很好地解释上述孔隙度随煤级的变化规律。
前人关于煤岩孔隙度随煤级的变化规律研究多针对单一区块，所具备的煤样数量较少或镜质组反射率范围较为狭窄。本文通过对Ro,max介于0.39%～4.36%的煤岩区块/矿区分析，认为煤级对煤岩孔隙的影响与煤岩变质过程中孔隙的演化规律密不可分，建议将煤岩孔隙度随煤级变化划分为4个部分，即随煤级升高:Ro,max<0.65%，孔隙度急剧减小；Ro,max介于0.65%～1.65%之间，孔隙度缓慢降低；Ro,max介于1.65%～3.5%之间，孔隙度升高；Ro,max>3.5%，孔隙度降低。
图3 平均孔隙度与平均Ro,max拟合关系图(图中编号对应图1所示的煤层气区块/矿区编号)Fig.3 Plot of the average porosity vs. average Ro,max
(3)同一区块/矿区内部的孔隙度分布存在一定的区间，且低煤级区区块/矿区内部的孔隙度分布区间明显大于中高煤级区区块/矿区内部孔隙度的分布区间(图2)。分析认为，低煤级区孔隙度主要受沉积环境影响，煤系地层沉积环境一般存在较大变化，如准噶尔盆地侏罗系八道湾组聚煤作用早期主要发生在沼泽环境中，中晚期发生在湖滨和沼泽环境中；西山窑组煤层早期发育在湖滨、三角洲平原等沼泽微环境中，晚期沉积环境主要为湖退后的一些三角洲分流河道及河道间沼泽[28]。变化较大的沉积环境对煤岩孔隙特征影响显著，因而低煤级区孔隙度呈现较大的分布区间。在中高煤级区，随煤岩热演化程度提高，成熟度对孔隙度的影响起主导作用，而同一煤层气区块/矿区煤岩热演化程度差别不大，因而孔隙度的变化区间也相对较小。
(4)煤体结构对煤岩孔隙度也存在一定的影响，在中低煤级区，煤体结构越复杂，煤岩孔隙度越小；而在高煤级区，复杂的煤体结构反而增大了煤岩孔隙度。前人对煤体结构和煤岩孔隙关系研究多针对孔隙结构而言，如一些学者认为对于吸附孔隙而言，随着应力作用的增强，微孔区域闭合，小孔变为更小的孔隙；而对于渗流孔隙而言，随着应力的增大, 煤岩开始破裂，产生大量裂隙和大孔孔隙，大孔含量明显增高。随着应力的进一步增大，煤岩变为糜棱煤,煤岩结构被严重破坏，大孔含量再次减少。而针对煤体结构和煤岩孔隙度的关系研究则较少。由图3可见，Ⅰ型煤体结构区块/矿区拟合最好，煤体结构越复杂，平均孔隙度偏离拟合线越明显，可见煤体结构能在一定程度上影响煤岩的孔隙特征。在中低煤级区，Ⅱ型和Ⅲ型煤体结构煤层气区块/矿区煤岩孔隙度小于Ⅰ型煤体结构煤层气区块/矿区煤岩孔隙度；而在高煤级区，Ⅱ型和Ⅲ型煤体结构煤层气区块/矿区煤岩孔隙度大于Ⅰ型煤体结构煤层气区块/矿区煤岩孔隙度。综合前人研究及图3所示规律可知，中低煤级煤岩大中孔发育，随着应力的增大煤岩变为糜棱煤，煤岩结构被严重破坏导致大孔含量急剧减少，孔隙度降低；而高煤级区，煤岩小微孔发育，大中孔相对较少，煤体的破坏会导致不同孔径段的孔隙绝对数量具有一定程度的增加，但其对孔径相对较大的过渡孔、中孔和大孔增加多，使得这些孔在整个孔隙中的百分含量增大，相比之下，对微孔的影响程度要小一些[29]，因此整体上煤岩孔隙度增大。
由以上分析可知，成熟度是影响煤岩孔隙度的重要参数，孔隙度随煤级呈现出高-低-高-低的规律性变化，煤体结构对孔隙度也有一定的作用，即在复杂的煤体结构作用下，中低煤级区煤岩孔隙度减小，高煤级区煤岩孔隙度增大。
图4 孔隙度区间差值与Ro,max区间差值关系图(图中编号对应图1所示的煤层气区块/矿区编号)Fig.4 Plot of the porosity range vs. Ro,max range
同一区块/矿区内部煤岩的Ro,max和孔隙度均存在一定的变化区间(表1)，整体上Ro,max区间差值和孔隙度区间差值无明显相关性，说明煤岩成熟度和孔隙度间的关系是复杂的，并非简单的线性关系。分煤级讨论来看，低煤级区煤岩Ro,max区间值和孔隙度区间值关系最为明显，斜率最大(图4)，这表明煤岩孔隙度对Ro,max的变化最为敏感；相比之下，中高煤级区煤岩孔隙度对Ro,max的敏感性则较弱。
3 镜质组和灰分对煤岩孔隙度的影响
上文分析了煤岩孔隙度与煤级和煤体结构的关系，除煤级和煤体结构外，镜质组和灰分也在一定程度上对煤岩孔隙度起到控制作用。
前人研究普遍认为，镜质组含量和灰分产率均受煤岩成熟度的影响。本文首先结合图2和图5来直观分析镜质组含量和灰分产率对孔隙度的影响。图5为煤岩镜质组含量和灰分产率随煤级变化关系图。煤岩镜质组和灰分随煤级的变化较为复杂，不同煤级煤岩的镜质组含量和灰分产率的分布范围差异较大，但平均值分布则相对稳定，因而很难直观判断煤级对镜质组和灰分的影响。由图2和图5对比表明，孔隙度随煤级升高呈较明显的趋势性变化，但镜质组含量和灰分产率随煤级变化没有呈现出趋势性变化，镜质组含量和灰分产率对孔隙度的影响无法直接观察到，因此，需要做下面的进一步分析。
由于煤级是影响煤岩孔隙度的重要参数，在分析镜质组和灰分对煤岩孔隙度的影响时，首先应剔除煤级对孔隙度的影响。
下面的分析包括两个方面：一是针对平均孔隙度，在剔除了平均Ro,max的影响后，利用平均孔隙度剩余值与平均镜质组和平均灰分产率的散点关系，揭示孔隙度随镜质组和灰分的变化规律；二是通过孔隙度区间差值与镜质组和灰分区间差值的散点关系图，揭示孔隙度相对于镜质组和灰分变化的敏感性。
利用实际的煤岩平均孔隙度减去拟合平均孔隙度，得到平均孔隙度剩余值，简称剩余值:
(2)
孔隙度剩余值剔除了煤级对煤岩孔隙度的影响，平均孔隙度剩余值与平均镜质组含量和平均灰分产率的散点关系可更好地揭示镜质组和灰分对孔隙度的影响。
图5 镜质组含量及灰分产率与煤级关系图(图中柱状编号对应图1所示的煤层气区块/矿区编号且折线为平均值连线)Fig.5 Plot of the vitrinite/ash content vs. coal rank
图6 平均孔隙度剩余值与平均镜质组含量关系图(图中编号对应图1所示的煤层气区块/矿区编号)Fig.6 Plot of the average porosity residual value vs. average vitrinite content
图7 平均孔隙度剩余值与平均灰分产率关系图(图中编号对应图1所示的煤层气区块/矿区编号)Fig.7 Plot of the average porosity residual value vs.average ash content
图8 孔隙度区间差值和镜质组区间差值、灰分区间差值关系图(图中编号对应图1所示的煤层气区块/矿区编号)Fig.8 Plots of the porosity range vs. vitrinite /ash content range
图6为平均孔隙度剩余值与平均镜质组含量散点关系图。由图6可见，整体上平均镜质组含量与平均孔隙度剩余值呈负相关关系。这是由于镜质组微小孔较发育[30]，当镜质组含量高时，煤岩中发育更多小-微孔，大中孔相对不发育，而压汞法主要测试煤岩中的大中孔，因此，随镜质组含量增加，压汞法孔隙度存在降低的趋势。分不同煤级来看，在低煤级和高煤级内部，孔隙度随镜质组含量的增加而减小，且孔隙度与镜质组含量的相关性在低煤级内部比高煤级内部更强，而在中煤级内部，孔隙度随镜质组含量的增多有微弱的增加趋势。由以上特征可见，镜质组含量对孔隙度的影响在低煤级区最为明显，且为负相关趋势，而在中高煤级区影响程度减弱。
本文同样利用平均孔隙度剩余值与平均灰分产率散点关系图(图7)来探究灰分产率对煤岩孔隙度的具体影响。由图7可得到如下认识:
整体上平均灰分产率与孔隙度剩余值没有呈现出明显的相关性，说明灰分对煤岩孔隙的影响是复杂的。分不同煤级来看，在低煤级和中煤级内部，孔隙度随灰分产率的增加而减小，且在低煤级区其相关性更为明显；而在高煤级区，孔隙度随灰分产率的增加呈微弱的增加趋势，可能与部分高煤级区煤体结构复杂相关。由以上特征可见，灰分对孔隙度的影响在低煤级区最为明显，且为负相关趋势，而在中高煤级区影响程度减弱。
图9 平均孔隙度与大中孔比例及平均渗透率关系图(图中编号对应图1所示的煤层气区块/矿区编号)Fig.9 Plot of the average porosity vs. proportion of meso/macro-pore and average permeability
孔隙度区间差值和镜质组(灰分)区间差值散点关系图可很好地揭示孔隙度和镜质组含量及灰分产率有无影响的关系。通常有影响关系的两变量在图中表现为正相关趋势，反之则表现为无趋势性。由图8可看出，在低煤级区，镜质组(灰分)区间差值和孔隙度区间差值有着明显的正相关趋势，说明在低煤级区，镜质组(灰分)是影响煤岩孔隙度的因素。而在中高煤级区，镜质组和灰分变化区间与孔隙度变化区间基本表现为无趋势性，说明在中高煤级区，镜质组含量和灰分产率对孔隙度影响程度较弱。
4 孔隙度研究对煤层气开发的指导意义
相对于常规油气储层，煤层气储层中的孔隙对渗透率的贡献较小，但孔隙系统仍旧是煤层气渗流的必经通道，孔隙发育程度依旧会影响煤层气的渗流能力，尤其影响煤储层开发后期煤层气产能[27]。Palmer等[17]的研究也认为,孔隙度的大小对煤储层的渗透性意义重大。从煤岩孔隙度与大中孔比例和储层渗透率的关系来看，煤岩孔隙度无疑在一定程度上，对煤层的孔隙结构和渗透率起到间接的指示作用。图9(a)显示，平均孔隙度越大，大中孔比例越大；图9(b)显示，平均孔隙度越大，平均渗透率越高。一个区块/矿区的煤岩大中孔比例和储层平均渗透率随平均孔隙度的增高而增高，因此，孔隙度大小尤其是孔隙度随煤级的变化规律对不同煤级区煤层气开发潜力评价具有重要指导意义。
上述研究表明，不同区块/矿区间平均孔隙度随平均煤级升高呈现高-低-高-低四段变化的总体规律，且在同一煤级区的区块/矿区间，孔隙度相对于Ro,max也表现出敏感性，煤级是孔隙度的控制性因素。除煤级外，煤体结构、镜质组含量和灰分产率对孔隙度也有影响，但对不同煤级区的影响程度不同。在中低煤级区，复杂煤体结构导致孔隙度降低；在高煤级区，复杂煤体结构导致孔隙度升高。在低煤级区，镜质组含量和灰分产率对孔隙度影响明显；在中高煤级区，镜质组含量和灰分产率对孔隙度影响程度减弱。基于本文研究获得的孔隙度影响因素的认识，在不同煤级区煤层气开发潜力评价中，应采用不同的策略:
(1)无论在什么煤级区的区块/矿区内，Ro,max变化对煤岩孔隙度均有影响，Ro,max参数是储层物性评价的重要参数。可根据煤岩孔隙度随变质程度的演化规律合理评价研究区的孔隙度分布范围，以求实现对储层物性的有效评估。
(2)在中低煤级区，复杂的煤体结构对煤储层物性具有破坏作用；在高煤级区，复杂煤体结构对物性有一定的改善作用。据此可多结合煤体结构测井解释，针对不同煤体结构和煤级的储层完善压裂制度，采取不同的压裂强度，以实现对目的煤层的优化改造[31]。
(3)在低煤级区，镜质组含量和灰分产率是孔隙度评价的重要参数；而在中高煤级区，二者对孔隙度的影响可以忽略。
5 结 论
通过以上研究，本文共得到以下4点认识:
(1)无论在什么煤级区的区块/矿区内，Ro,max变化对煤岩孔隙度均有影响，Ro,max参数是储层物性评价的重要参数。低煤级区煤岩孔隙度对Ro,max的变化最为敏感，中高煤级区煤岩孔隙度对Ro,max的敏感性则较弱。另外，低煤级区区块/矿区内部的孔隙度分布区间明显大于中高煤级区区块/矿区内部孔隙度的分布区间。
(2)孔隙度平均值随Ro,max升高呈现出高-低-高-低的变化，建议将煤岩孔隙度随煤级变化划分为4个部分，即随煤级升高:Ro<0.65%，孔隙度急剧减小；Ro介于0.65%～1.65%之间，孔隙度缓慢降低；Ro介于1.65%～3.5%之间，孔隙度升高；Ro>3.5%，孔隙度降低。
(3)在中低煤级区，复杂的煤体结构对煤储层物性具有破坏作用；在高煤级区，复杂煤体结构对物性有一定的改善作用。可多结合煤体结构测井解释，针对不同煤体结构和煤级的储层完善压裂制度，采取不同的压裂强度，以实现对目的煤层的优化改造。
(4)在低煤级区，镜质组含量和灰分产率对孔隙度影响明显，建议将镜质组含量和灰分产率作为孔隙度评价的重要参数；在中高煤级区，镜质组含量和灰分产率对孔隙度影响程度减弱，可将二者作为孔隙度评价的参考指标。
