鸡西盆地煤储层孔隙特征及主控因素

刘金霖，李怀滨，张雪冰，张云峰，申家年，王 建

(1.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2.新疆大学 地质与矿业工程学院，乌鲁木齐 830046；3.吉林大学 地球科学学院，长春 130061)

煤层气是具有“源—储”一体特点的连续型气藏，是世界上开发较早的非常规能源之一[1-2]。国内外学者对煤层储集空间类型开展了大量研究工作，在孔隙类型、结构、分布及对吸附能力的影响等方面取得了重要成果，普遍认为孔隙和裂隙组成的双重孔隙系统在很大程度上决定了煤的吸附性和渗透性，从而影响着煤层气的吸附与运移[3-5]。近年来，煤储层孔隙特征的重要性日益凸显，它对煤层气的连续富集和资源规模具有特殊意义，逐渐成为研究的核心问题[6-10]。

研究煤岩孔隙形态和结构特征的方法众多，包括扫描电镜观测法、数值测量法和数值模拟法[11-14]。通过扫描电镜、氩离子抛光—扫描电镜法，可以更加直观地观测到煤岩孔隙、裂隙、矿物质和微构造等特征。低温氮吸附实验己成为国内研究孔隙、裂隙的常规方法[15]，但该方法仅能获得吸附孔的信息，而核磁共振技术以快速和无损为特征，可以高度还原煤岩储层物性的“原位性”和“完整性”[16]。可见，多种孔隙观察和表征方法的有机结合，可以更为高效和全面地呈现煤岩的微观世界。

本次研究以鸡西盆地城子河组煤岩为研究对象，应用氩离子抛光电子扫描电镜、能谱分析、核磁共振和全岩分析测试技术，研究并表征煤岩储层孔隙结构，探讨鸡西盆地煤储层孔隙特征及发育的主控因素。

1 地质背景及样品采集

鸡西盆地位于黑龙江省东南部，盆地东西宽55～70 km，南北长100 km，面积为3 780 km2[17]。盆地被衡山隆起分成了南北2个条带，与靠近平麻断裂南部的恒山基底隆起构成两坳夹一隆的构造格局(图1)。白垩系下统自下而上为滴道组、城子河组、穆棱组和东山组。其中城子河组和穆棱组煤层十分发育，具有层数多、厚度薄、不稳定、间距大的特点。近年来，鸡西盆地煤层气勘探已经取得一定效果,单井日产最高可达2 105.3 m3，累计产气37×104m3[18-19]。

本次研究样品采自鸡西盆地梨树镇坳陷的城子河组煤层，埋深700～1 000 m，发育稳定，为鸡西盆地主要产气层。对12块样品进行测试，低温氮吸附实验由美国麦克仪器公司ASAP2020比表面积仪完成。核磁共振测量仪器为MacroMR12-125H-I，煤的主要测试参数为：回波间隔时间0.6 ms，等待时间5 000 ms，回波数1 024，实验温度20 ℃。应用GATAN 697C EM抛光仪对样品表面进行处理，制成面积约1 cm2的平坦截面，用氩离子束轰击截面的表面，得到一个面积大约2 mm2的抛光面。实验观测仪器采用蔡司EVO MA15扫描电子显微镜。

2 煤岩储集空间类型及特征

2.1 有机质孔隙

通过扫描电镜观察，鸡西盆地城子河组煤岩主要发育有机质孔和矿物质孔。有机质孔隙主要为气孔。从形态上观察，气孔边缘圆滑(图2a)，轮廓清晰，大多数孔隙很少连通，也没有发生充填，类似洞隙。气孔分布与气体活动强度密切相关，生气量大的有机质中，气孔密集呈群(图2a)、带分布(图2b，c)。反之，较为稀疏。从成因上分析，随着上覆地层压力的增加和煤化作用的推进，原生孔隙被封堵，气孔成为煤在热演化过程中大量生烃的直接证据，镜质组中气孔最为发育，惰质组和壳质组中也可见。

煤岩中的裂隙既可以提供储集空间，又可以作为运移通道。鸡西盆地多见张性裂隙，单条形态呈弯曲状(图2d)、折线状或者形成不同规模的网状(图2e，f)。煤岩中的裂隙可以起到连接孔隙和裂缝的作用(图2e)，对煤储层物性改善具有重要意义。

图1 鸡西盆地构造单元划分及地层综合柱状图Fig.1 Structural sketch map and stratigraphic column of Jixi Basin

图2 鸡西盆地煤岩有机孔隙及裂隙类型Fig.2 Types of pores and fractures of coal reservoirs in Jixi Basin

2.2 矿物质孔隙

鸡西盆地煤岩中的矿物质孔主要以黏土矿物晶间孔为主，偶见溶蚀孔。黏土矿物孔隙以2种形式存在：一种是以单体或者集合的方式，高岭石以片状或者杂乱堆积的状态出现，片状集合体之间发育孔隙和裂隙(图3a，b，e，f)；伊利石集合体多呈薄片状，杂乱充填于有机孔隙空间中，多为小孔。伊蒙混层中表现为不规则的晶间残余孔。另一种较为常见的形式是以黏土矿物碎屑杂乱堆积于有机质表面形成的屑间孔。

溶蚀孔是煤中可溶性矿物质在水溶液的长期作用下受溶蚀而形成的孔，例如碳酸盐类矿物、长石和方解石。图3c、d可以看出长石在酸性条件下发生溶蚀，形成孔隙和裂隙，孔隙一般棱角分明，长石颗粒边缘清晰可见。

图3 鸡西盆地矿物孔隙类型及能谱特征Fig.3 Pore types and characteristics of mineral and energy spectrum in Jixi Basin

图4 鸡西盆地煤岩扫描电镜图像孔隙识别Fig.4 Pore identification of SEM of coal samples from Jixi Basin

表1 鸡西盆地部分样品黏土矿物孔径及面孔率统计Table 1 Pore diameter and surface porosity of clay minerals from Jixi Basin

注：表中分式含义为：最小值～最大值/平均值。

应用Image J软件对鸡西盆地煤岩扫描电镜图像孔隙识别，进行二值化处理，快速获得平均孔径和平均面孔率的统计(图4、表1)。针对每个样品进行多次面孔率计算，最后得到平均面孔率。测试结果显示，鸡西盆地黏土矿物的平均孔径范围为2.14～5.64 μm)，面孔率为3.49%～8.01%。

2.3 孔隙结构特征

鸡西盆地煤岩吸附/脱附曲线特征与典型曲线中B、C类一致(图5)[20-22]。类型B：孔隙的低温氮吸附曲线在相对压力0.5附近出现滞后环，孔隙主要为两端开口的圆筒孔和四边都开口的平行板状孔，该类型孔隙对吸附、解吸和扩散均有利。类型C：吸附时，由于“瓶型微孔”发育，吸附曲线相对平稳。当压力降低时，瓶颈处吸附层阻将瓶内凝聚液封住，不能蒸发；随着压力继续降低，瓶颈处液体蒸发完毕，此时瓶内的凝聚液会大量释放，导致脱附曲线在相对压力0.5附近产生拐点。此类孔隙的比表面积和孔体积较大，平均孔径较小，对吸附和储集十分有利[23-25]。

研究区核磁共振T2谱主要表现为2种类型[26]。类型Ⅰ的特点为双峰(图6a)，左峰高，分布在1 ms附近，说明吸附孔较为发育；离心前后2个T2谱差别较小，表明孔隙连通性差；第二个峰值较小，离心后部分谱峰消失，表明渗流孔具有一定的连通性。类型Ⅱ的特征为三峰(图6b)，左锋与类型Ⅰ类似，差异在于第三峰的出现，表明样品的裂隙十分发育，而且连通较好，非常利于改善煤储层的孔渗条件。

图5 鸡西盆地城子河组煤岩样品氮气吸附—脱附曲线Fig.5 Nitrogen adsorption-desorption curves of Chengzihe Formation coal and rock samples from Jixi Basin

图6 鸡西盆地煤岩样品典型核磁共振T2谱特征Fig.6 NMR T2 features of coal samples from Jixi Basin

通过大量的镜下观察和实验数据分析，发现鸡西盆地煤岩孔隙组成中的有机质孔以气孔为主体，这与煤岩演化程度有密切关系(0.85

3 孔隙发育主控因素

3.1 有机质孔发育主控因素

通过低温氮吸附、煤岩组分和X射线衍射等实验获得的煤岩相关参数如表2所示。研究发现鸡西盆地煤岩成熟度和煤岩组分为孔隙发育的主要控制因素。

3.1.1 有机质孔成熟度

有机质成熟度与孔隙度和平均孔径呈负相关关系，与BET比表面积呈正相关关系(图7a～c)。这是由于随着煤化作用的深入，煤岩在温度、压力作用下发生一系列物理化学变化，富氢侧链和键的大量聚集使得煤岩不断致密。煤化作用过程中上覆压力不断增大。在两者的共同影响下，煤岩中原生孔隙被破坏或者充填，微孔成为主要的储集空间，因而比表面积会随演化程度增加而增加，平均孔径也逐渐减小；煤岩不断压缩、收缩，煤中水分排出，使得孔隙度随之减小。

3.1.2 煤岩组分

煤岩组分包括有机组分和无机组分，对孔隙发育有重要影响[27-31]。镜质组、壳质组和惰质组属于有机组分，一般镜质组含量较高，另两组含量较低。鸡西盆地煤岩中镜质组含量介于60%～80%之间，镜下观察气孔最为常见。壳质组含量较少，也可发现气孔的存在，而惰质组中气孔的可见率很低。所以随着煤岩演化程度的增加，镜质组含量高可以提供更为丰富的生烃基础，使得总孔体积与镜质组具有一定正相关性(图7d)。

煤岩中水分含量升高，BET比表面积随之下降(图7e)，这是由于煤岩中的水以游离状态存在，结构水会充填孔隙内部或堵塞孔隙吼道，对孔隙发育起到抑制作用。前人研究认为灰分的作用和水分一样，是孔隙发育的不利因素。由图7f可以看出，灰分和比表面积的相关性较差，这是由于灰分中黏土矿物含量较高，黏土矿物形成的孔隙对表面积的贡献较大，无法体现出灰分的负面作用。

表2 鸡西盆地煤岩样品测试数据Table 2 Test data of coal samples from Jixi Basin

图7 有机质孔与主控因素关系Fig.7 Correlation between organic pores and controlling factors

3.2 矿物质孔发育主控因素

3.2.1 高岭石及伊利石含量

高岭石和伊利石与黏土矿物面孔率和平均孔径呈正相关关系(图7a～c)。煤系地层在沉积过程中腐殖质有机反应产生酸性流体，随着埋深的增加，由于温度的升高和压实作用的加剧，酸性流体持续释放，造成地层中的长石溶解，形成高岭石。而随着长石溶解释放出来的钾离子介入，孔隙流体酸性逐渐减弱，对长石的溶解能力减弱，又为伊利石的形成提供来源。由于高岭石和伊利石在一定条件下能够发生转化，因而两者含量越高，提供的孔隙量越大(图8a)。

3.2.2 伊/蒙混层含量

伊/蒙混层含量与黏土矿物平均孔径呈负相关关系(图8b)。鸡西盆地煤岩演化程度介于0.5%～1.3%之间时，处于中成岩作用A期，此时蒙脱石向伊利石转化过程中会有大量水排出，自身孔隙被压缩，平均孔径减小。而随着成熟度增加，到达成岩作用B期时，蒙脱石转化率进一步增加，自身孔隙率进一步降低[32]。

图8 黏土矿物孔隙与主控因素关系Fig.8 Correlation between clay mineral pores and controlling factors

4 结论

运用扫描电镜、氩离子抛光与核磁共振技术，引入Image J软件，最大限度地挖掘平面孔隙图像提供的信息，对鸡西盆地孔隙和裂隙特征进行分析，从而探讨煤岩孔隙主控因素。

(1)鸡西盆地煤岩孔隙类型分为有机质孔隙和矿物质孔隙。有机质孔隙主要为气孔，呈群、带状分布。张性裂隙形态从单条向网状过渡。矿物质孔以黏土矿物晶间孔为主，偶见溶蚀孔。

(2)低温氮吸附曲线和核磁共振图谱特征均显示鸡西盆地煤岩区分为2种类型。煤岩孔隙形态包括两端开口的圆筒孔、四边都开口的平行板状孔以及瓶型孔。墨水瓶孔的发育程度是等温吸附曲线产生拐点的主要诱因，同时说明煤岩吸附能力较强。T2谱双峰说明吸附孔较为发育；图谱三峰显示裂隙发育，对改善煤储层的孔渗条件作用较大。

(3)不同类型孔隙的控制因素有所不同。有机质孔主要受成熟度和煤岩组分控制。成熟度和镜质组含量具有促进有机质孔发育的作用。高岭石含量决定黏土矿物孔隙发育程度，伊蒙混层对黏土矿物孔隙平均直径具有抑制作用。