基于压汞及图像处理技术的高阶煤孔裂隙特征研究

2021-01-21魏江潘结南刘发义王凯翟迎铨王相龙

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年2期

魏江，潘结南，刘发义，王凯，翟迎铨，王相龙

(1.河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454000；2.山西沁水晋煤集团胡底煤业有限公司，山西晋城 048000)

0 引言

煤层气是赋存在煤层中的一种高效、清洁能源，开发煤层气对于国家的能源结构和煤矿安全生产具有重要意义[1-2]。煤储层不同于常规天然气储层，它是由孔隙、显微裂隙和宏观裂隙组成的三元孔裂隙系统[3]。其中孔隙是煤层气的主要储存场所，宏观裂隙是煤层气的主要渗流通道，而显微裂隙则是沟通孔隙与宏观裂隙的主要桥梁。煤层气高效开发的理想储层应是不同孔径段的孔隙合理分布，而且孔、裂隙连通性较好[4]。因此，对煤储层的孔裂隙特征进行深入研究，对于煤层气的高效开发具有重要意义。

学者们采用不同方法对煤中孔裂隙发育特征进行了研究。李月云等[5]采用压汞法对阜康矿区的孔隙形态和结构进行了研究，结果发现，阜康矿区煤层孔隙以微孔和小孔为主，孔容和比表面积较大，有利于煤层气的吸附和解吸；陶树等[6]基于核磁共振的方法对沁水盆地南部煤储层的孔隙进行了分析，结果表明，煤储层孔隙直径总体较小，大孔径孔隙比例较少，与常规测试方法结果一致。而对于煤中裂隙的研究方法主要有井下煤岩观测[7]、手标本观测、显微镜观测[8]和CT扫描法[9-10]等。王生维等[11]采用井下煤岩观测法,对成庄矿大裂隙系统的频率和方向进行了统计和分析；姚艳斌等[12]采用荧光显微镜对沁水盆地的煤储层微裂隙的发育程度和裂隙的形态进行了研究，结果表明，微裂隙非常发育，且多以宽度小于5 μm，长度小于300 μm的裂隙为主。

沁水盆地南部是我国煤层气商业开发最为成功的地区，与其他低渗储层相比，孔隙、割理系统普遍发育是其煤层气高产的重要原因，因此，对沁水盆地的储层特征进行深入研究具有重要意义。本文综合采用压汞试验、扫描电镜和手标本描述方法对沁水盆地南部的煤储层孔、裂隙发育特征进行研究，以期对该地区的煤层气勘探开发提供借鉴。

1 研究区地质概况

沁水盆地南部位于山西省的东南部，北部以沁县、东南西部以盆地边缘为界(图1)，总面积约为1 500 km2，区域构造主要发育NNE向的正断层，区内褶皱比较发育，主要为小型向斜及背斜，走向主要为近北东向和近南北向[13-14]。沁水盆地南部含有丰富的煤炭资源，主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组，山西组含煤地层厚45～86 m，包括砂岩、泥岩和煤，其中3号煤层为主要可采煤层，其单层厚度5.3～8.6 m。煤层气储量为19×1011m3,是我国煤层气开发最具有前景的地区之一。

图1 沁水盆地南部构造纲要图及矿区分布

2 样品的选择与试验

本文的研究区域在沁水盆地南部3号煤层，综合考虑煤层埋深、区块的分布等条件，分别在晋城矿区的成庄矿(CZ)、长平矿(CP)、赵庄矿(ZZ)和潞安矿区的高河矿(GH)采集煤样，采集矿区位置如图1所示。对煤样进行镜质组反射率Ro测试、显微组分分析、压汞孔隙测试、扫描电镜和手标本描述等试验，其中压汞试验采用AUTOPORE 9505压汞仪，其加压0～228.0 MPa，测试孔径5.5 nm～360 μm，压汞试验过程参照《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度》(GB/T 21650.1-2008)。扫描电镜试验利用FEI Quanta 250 场发射扫描电子显微镜，加速电压为0.02～30 kV，放大倍数(12～40)万倍，聚焦工作距离0.1～50 mm，分辨率0.8 nm @ 15 kV，1.6 nm @ 1 kV。镜质组反射率测试和煤岩显微组分分析采用Zeiss Axio 1 Imager MI光度显微计，测定步骤参照GB/T6948-2008即《煤的镜质组反射率显微镜测定方法》进行，其测定结果如表1所示。

表1 沁水盆地南部煤样基础信息

3 煤孔隙发育特征

如表1所示，本次所采集的煤样反射率Ro在1.91%～2.68%间，变质程度较高，且区间变化不大。煤岩显微组分以镜质组为主，仅含少量惰质组分，不含壳质组。所含矿物以黏土类和碳酸盐矿物为主，宏观煤岩类型为光亮煤。

许多学者根据成因或孔径对煤中孔隙的分类提出不同的划分方案，目前多采用霍多特[15]的划分方案：微孔(<10 nm)、小孔(≥10～100 nm)、中孔(≥100～1 000 nm)和大孔(≥1 000 nm)。综合前人的研究成果，把孔隙分为两类：孔径小于100 nm的称为吸附孔，孔径大于100 nm的称为渗流孔。气体在微、小孔中以毛细管凝结、物理吸附等方式存在，而在大孔中以层流和紊流形态进行渗透。吸附孔是煤层气的主要吸附和储存空间，主要影响煤层气的赋存和储存性能，而渗流孔是煤层气扩散和渗流的通道，其发育程度影响着煤储层的渗流能力。

3.1 孔容特征

沁水盆地南部不同孔径段的孔容分布特征见表2。从表2可知，沁水盆地南部煤层的孔容为0.021 9～0.028 4 cm3/g,平均0.024 3 cm3/g。另外还可以看出，微孔的孔容为0.006 5～0.008 7 cm3/g，平均0.007 6 cm3/g，小孔和中孔孔容分布于0.008 1～0.009 7 cm3/g和0.001 2～0.002 5 cm3/g，平均孔容分别为0.008 6 cm3/g和0.001 9 cm3/g，而大孔的孔容为0.004 4～0.007 8 cm3/g，平均0.005 9 cm3/g。图2为根据表2绘制的沁水盆地南部煤太孔隙类型和孔容分布。从图2可以看出，沁水盆地南部煤样微、小孔的孔容占总孔容的63%～75%，其次为大孔，占总孔容的19%～28%，中孔孔容最不发育，结果表明，沁水盆地南部的微小孔最为发育，中孔和大孔不发育，说明该地区的煤储层对甲烷有较好的吸附性能，而不利于煤层气在储层中的运移。

表2 不同孔径段孔容分布

图2 沁水盆地南部煤样孔隙类型和孔容分布

3.2 孔隙比表面积特征

假设煤中孔隙为圆柱形孔，从孔容分布可以导出比表面积分布，根据Rootare和prenzlow的研究，借助孔模型就可以从压力/体积曲线中计算出进汞的比表面积，表3为沁水盆地南部煤样的比表面积分布。

由表3可知，该地区不同煤矿的孔隙比表面积在5.159～6.265 m2/g间，平均为5.557 m2/g。微孔比表面积为3.517～4.469 m2/g，平均比表面积为3.876 m2/g，而小孔和中孔的比表面积为1.51～1.753 m2/g和0.022～0.037 m2/g，平均为1.646 m2/g和0.027 m2/g，大孔比表面积为0.003～0.016 m2/g，平均为0.007 3 m2/g。另外，从图3可以看出，沁水盆地南部煤样微孔和小孔的比表面积最为发育，而中孔和大孔不发育，其中，长平矿煤样的总孔比表面积最大，赵庄矿次之，高河矿和成庄矿最小。研究结果表明,沁水盆地南部煤层的吸附孔发育，渗流孔不发育，其孔隙类型导致研究区煤层吸附能力较强而渗流能力较弱。

表3 不同孔径段比表面积分布

图3 沁水盆地南部煤样的不同孔比表面积分布

3.3 孔隙的形貌特征

按照发育形态将煤的储存空间类型分为孔隙和裂隙，作为煤层气重要的储存空间和渗流通道，其复杂的结构类型和发育特征具有重要研究意义。本次研究中，利用FEI Quanta 250 场发射扫描电子显微镜分别对成庄矿、高河矿和赵庄矿20余件煤样表面孔隙、裂隙进行了定性观察和分析。结合前人研究成果，煤中孔隙可根据成因分为组织孔、气孔、矿物溶蚀孔、矿物铸模孔[16-17]。

如图4(a)和(e)所示，组织气孔主要是植物残余细胞结构中的孔隙，植物组织孔主要发育在镜质体和丝炭体中，图4中组织孔的直径接近于6 μm。观察到的气孔一般呈圆形或椭圆形等，连通性好，其孔径大小为6～7 μm。铸模孔多为黏土矿物充填后脱落形成的漏斗状孔。在方解石等碳酸盐矿物中发现大量溶蚀孔，孔径为纳米级至微米级。

图4 孔隙类型发育情况

4 煤储层裂隙发育特征

4.1 亚微观裂隙特征

裂隙是煤层气的主要运移通道，其发育程度对于煤储层渗透率有重要的影响。以往许多学者对于储层裂隙研究大多集中在宏观尺度和显微尺度，但对介于宏观尺度和显微尺度间的亚微观尺度却很少研究。本试验把采自沁水盆地南部的煤样根据GB/T 16773-2008，即《煤岩分析样品制备方法》制成约50 mm×50 mm的煤岩光片，并对煤岩光片进行水力抛光，随后使用立体显微镜对煤岩光片的裂隙进行观察和拍摄，可以观察到10 μm以上开度的裂隙，并对所获取的裂隙原始图片使用image-proplus软件对其进行二值化处理，图5为煤样裂隙的二值化图像。采用image-pro plus软件对裂隙的面密度、张开度等裂隙参数进行计算，裂隙的连通性对于煤层的渗透性具有重要的影响，本试验把裂隙的连通性定义为煤样裂隙交叉点的总数与煤样的横截面面积的比值，表4为煤样裂隙参数的统计结果。

表4 不同矿区煤样的裂隙参数统计

图5 不同煤样裂隙二值化图像

图6是根据表4绘制的内、外生裂隙分布直方图。从图6可以看出，4个矿区的煤样裂隙发育程度差异性很大。整体上，内生隙发育，而外生裂隙不甚发育，证明试验所用煤样受构造作用微小，可排除构造对本次研究煤样孔裂隙特征的影响。4个不同矿区的煤样内生裂隙面密度从小到大分别为成庄矿、高河矿、长平矿和赵庄矿。此外，裂隙的张开度对煤储层渗透率有重要的影响，煤储层渗透率与裂隙张开度的三次方成正比[18]，从表4可以看出，4个矿区的煤样裂隙张开度为87.90～154.54 μm，张开度最大的为赵庄矿，其次为长平矿和成庄矿，最小的为高河矿。从图1中矿区的位置分布可以看出，对于裂隙张开度，整体上沁水盆地南部煤样的裂隙张开度大于北部的裂隙张开度，这可能与沁水盆地从南到北煤层埋深逐渐加大有关，随着煤层埋深的加大，上覆岩层压力越来越大，裂隙在上覆岩层压力的作用下，裂隙逐渐被压实，直至闭合，导致裂隙的张开度越来越小。根据裂隙张开度与储层渗透率的关系，4个矿区煤样的储层渗透率从小到大依次为高河矿、成庄矿、长平矿和赵庄矿。

图6 不同煤样内外生裂隙分布直方图Fig.6 Histogram of endogenous or exogenous fracture distribution in different coal samples

4.2 显微裂隙特征

孔隙是煤层气主要储存空间，宏观裂隙是煤层气主要渗流通道，而显微裂隙则是沟通孔隙与宏观裂隙的主要桥梁，显微裂隙的发育程度对煤层气的勘探开发具有重要意义。因此，本试验利用扫描电镜对4个矿区煤样的新鲜断面进行拍摄，对显微裂隙的形态和发育程度等进行研究。图7(a)为高河矿的裂隙扫描电镜图像，从图7可以看出，其主要发育树枝状的张裂隙，裂隙张开度约为1.27 μm，裂隙局部被硅酸盐矿物所充填，且两条裂隙的交叉处充填有碎屑。从图7(b)可以看出，赵庄矿发育单条张裂隙，裂隙张开度约为5.2 μm，其开度显著大于高河矿的微裂隙，且裂隙基本没有被矿物所充填，表明其储层渗透性较好，这与上述亚微观尺度研究所得的结论一致，另外，从图7(c)可以看出，长平矿发育一组呈X状的共轭剪裂隙，且其裂隙面比较粗糙，可能是在构造运动下外力作用形成的，其裂隙张开度约为0.9 μm，其张开度明显小于赵庄矿和高河矿的，导致其渗透率较低。图7(d)为成庄矿的裂隙扫描电镜图像，成庄矿主要发育单条张裂隙，裂隙张开度约为3.63 μm，与高河矿和成庄矿的显微裂隙相比，其张开度较大，但由于裂隙大部分被黏土矿物所充填，可能会导致其渗透率显著下降。