二连盆地群低煤阶煤储层孔隙发育特征研究

刘建华，王生维，粟冬梅

（1.山西工程技术学院，山西 阳泉045000；2.中国地质大学 资源学院，湖北 武汉430074；

3.北京中公教育科技有限公司，四川 成都610000）

相较于煤层气开发比较成熟的沁水盆地煤储层 煤变质程度高、吸附量大、煤层压力低、煤层渗透率低和煤层气饱和度低的特点，二连盆地煤储层物性特征更类似于美国粉河盆地煤储层，具有煤变质程度低（多为褐煤）、吸附量较小、煤层渗透率较大、含气饱和度高的特点[1-2]。现阶段，对于低煤阶煤储层孔隙结构的研究主要针对地区有沁水盆地、陕北、鄂东、准东等。罗磊（2015）等结合煤岩学测试、核磁共振和低温氮吸附试验，探明了准东地区低阶煤的储层孔隙系统特征[3]。王镜惠（2019），基于火柴棍模型，推导了鄂东区新的中、低煤岩孔隙结构分形特征[4]。黄婷（2019）等，采用扫描电镜电子成像技术和低温液氮吸附试验分析方法，研究探讨了沁水盆地煤储层孔隙结构特征及其影响因素[5]。杨甫（2020）等利用压汞、液氮吸附和CO2吸附等测试手段表征陕北地区低阶煤储层的孔径分布、孔隙类型等参数，联合核磁共振测试定量分析低阶煤阶段孔径和多尺度孔径分布特征[6]。而对于以二连盆地群为代表的低煤阶煤储层孔隙研究缺乏。二连盆地群各煤层普遍发育，主要分布在白垩系下统的巴彦花组中，以低煤阶褐煤为主，煤层的气测异常普遍存在，煤层气资源丰富，是我国低煤阶煤层气勘探的有利选区[7-10]。位于二连盆地群最东端的霍林河盆地和白音华盆地是二连及海拉尔地区煤层气勘探前景最好的地区之一。二连盆地群中各盆地地质条件类似，研究霍林河盆地和白音华盆地煤储层孔隙结构特征对于二连盆地群低煤阶煤储层煤层气勘探开发也具有重要意义。基于此，以二连盆地群霍林河盆地和白音华盆地低煤阶煤储层为研究对象，通过精细分析研究区煤储层孔隙发育特征和对煤层气吸附解吸的影响，以期为后续煤层气工程开发提供参考。现阶段国内外煤孔隙的孔径结构分类方案较多，研究采用Χoдoт 十进制分类系统，即孔径大于1 000 nm 的为大孔，100～1 000 nm 为中孔，10～<100 nm 为小孔，小于10 nm 为微孔[5]。

1 煤储层特征及样品采集说明

霍林河盆地下含煤段为该盆地的主要含煤层段，共含煤23 层，经内蒙古472 地质队划分组合为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4 个煤组。研究主要涉及Ⅲ煤组和Ⅳ煤组。白音华盆地含煤地层为白垩系下统白音华组（对应巴彦花组）的第3 段（K1b3）。研究主要涉及3煤组3-1 煤层。

现场调研主要观测了霍林河盆地Ⅳ煤组储层（北露天一号矿坑）、Ⅲ煤组ⅢA 煤储层（扎哈淖尔矿坑）及白音华盆地3 煤组3-1 煤储层（白音华二号矿坑），共采集28 煤样（包括5 个构造附近煤样）。北露天一号矿坑共采集Ⅳ煤组储层8 个煤样（包括1个矿化煤样），以字母“BL”开头编号（BL01～BL08）；扎哈淖尔矿坑共采ⅢA 煤储层煤样11 个（包含5 个构造附近煤样），以字母“ZH”开头编号（ZH01～ZH11）；白音华二号矿坑共采3-1 煤储层煤样9 个，以字母“BYH”开头编号（BYH01～BYH09）。

1.1 霍林河盆地煤储层物性特征

北露天矿区主要观测到霍林河下含煤段Ⅳ组煤，煤岩多为褐黑色，沥青光泽或暗淡光泽，断口可见贝壳状及阶梯状断口，多为参差状断口，透镜状、条带状结构，层状构造。煤岩类型以木质煤与碎屑煤为主，矿化煤呈透镜状局部分布，未见丝炭煤。

煤境质组最大反射率Romax为0.277%～0.325%，平均0.301%，煤岩等级分类为褐煤。显微组分镜质组75.85%～91.01%，平均85.92%；惰性组0.74%～18.16%，平均5.84%；壳质组0～0.76%，平均0.22%。为低灰分产率、中等挥发分、高全水分煤，霍林河盆地Ⅳ组煤岩样品基础数据见表1。

表1 霍林河盆地Ⅳ组煤岩样品基础数据Table 1 Basic data of coal rock samples of group IV in Huolinhe Basin

扎哈淖尔矿区主要观测到ⅢA 煤层，煤岩多为褐黑色，丝绢光泽或暗淡光泽，断口可见贝壳状及阶梯状断口，多为参差状断口，透镜状、条带状结构，层状-均一状构造，煤岩类型以碎屑煤和丝炭煤为主，含少量木质煤。煤境质组最大反射率Romax为0.303%～0.398%，平均0.351%，煤岩等级分类为褐煤。显微组分镜质组41.01%～98.88%，平均72.17%；惰性组0.75%～57.06%，平均22.62%；壳质组0～0.77%，平均0.19%，为低灰分产率、中等挥发分、高全水分煤。霍林河盆地ⅢA 煤层煤岩样品基础数据见表2。

表2 霍林河盆地ⅢA 煤层煤岩样品基础数据Table 2 Basic data of coal rock samples of ⅢA coal seam in Huolinhe Basin

1.2 白音华盆地煤储层物性特征

白音华二号矿坑观测点可见3-1 煤层上部，煤岩多为褐黑色，暗淡的沥青光泽或暗淡光泽，断口可见贝壳状及阶梯状断口，多为参差状断口，透镜状、条带状结构，层状构造，煤岩类型以碎屑煤和木质煤为主，少量丝炭煤。煤境质组最大反射率Romax为0.263%～0.284%，平均0.274%，煤岩等级分类为褐煤。显微组分镜质组85.88%～96.78%，平均90.83%；惰性组1.72%～7.45%，平均3.89%；壳质组0 ～0.19%，平均0.05%。为低中灰分产率、中高挥发分、高全水分煤，白音华盆地3-1 煤层煤岩样品基础数据见表3。

表3 白音华盆地3-1 煤层煤岩样品基础数据Table 3 Basic data of coal rock samples of 3-1 coal seam in Baiyinhua Basin

2 煤储层孔隙发育特征

2.1 压汞曲线

根据实验结果，研究区压汞曲线可划分为A、B、C 3 种类型，研究区压汞曲线类型图如图1。

图1 研究区压汞曲线类型图Fig.1 Type chart of mercury injection curves in the study area

1）A 类以研究区BYH01、BYH06、BL08、ZH08样品压汞曲线为代表。A 类压汞曲线特点为：开始时在低压下进汞缓慢，压力10～1 000 psia 之间（1 psia=0.006 895 MPa），进汞量随压力的增大增加更为缓慢。压力达到1 000 psia 后，进汞量与压力呈线正向线性关系迅速增多，进汞饱和度平均在60%左右。退汞曲线明显分离于进汞曲线，退汞效率平均达到35%左右。A 类曲线类型反映的孔隙特点是：小微孔尤其发育，大孔次之，中孔较不发育，孔隙间的连通性一般，对煤层气的储集较为有利。

2）B 类 以 研 究 区BYH03、BYH09、ZH01、ZH07样品压汞曲线为代表。B 类压汞曲线特点为：开始时在低压下进汞缓慢，压力1～1 000 psia 之间，进汞量随压力的增大增加更为缓慢。压力达到1 000 psia后，进汞量与压力呈线正向线性关系迅速增多，但进汞速率比A 类略低，进汞饱和度平均在65%左右。退汞曲线明显分离于进汞曲线，退汞效率平均达到30%左右。B 类曲线类型反映的孔隙特点是：小微孔及大孔较发育，孔隙喉道较集中，孔隙连通性较好，对煤层气的储集和解吸渗流均较为有利。

3）C 类以研究区BL01、BL03、ZH03 样品压汞曲线为代表。C 类压汞曲线特点为：压力1～100 psia之间，进汞量随压力的增而缓慢增加。压力达到100 psia 后，进汞量与压力呈线正向线性关系迅速增多，进汞饱和度平均在58%左右。退汞曲线明显分离于进汞曲线，退汞效率平均达到25%左右。C 类曲线类型反映的孔隙特点是：小微孔、中孔及大孔均发育，细喉道分布较多，孔隙多以细颈瓶孔为主，孔隙连通性较差，不利于煤层气的储集和解吸。

霍林河盆地煤储层样品压汞曲线类型A、B、C 3类均有发育，总体上看，Ⅳ组煤C 类压汞曲线类型较多见，表明霍林河盆地Ⅳ组煤储层中孔及大孔较发育，小微孔较不发育，细喉道分布较多，孔隙连通性较差，不利于煤层气的储集。ⅢA 煤B 类压汞曲线类型较多见，表明ⅢA 组煤储层小微孔及大孔较发育且大孔半径较大，中孔较不发育，孔隙喉道较集中，孔隙连通性相对Ⅳ组煤较好，有利于煤层气的储集和解吸渗流。

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白音华盆地3-1 煤储层样品压汞曲线类型A、B 2 类均有发育，总体上小微孔及大孔较发育，中孔较不发育，孔隙间的连通性较好，对煤层气的储集和产出较为有利。

2.2 孔径分布特征

2.2.1 霍林河盆地孔径分布特征

霍林河盆地Ⅳ煤组储层孔隙发育特征表现为小微孔、中孔、大孔均匀发育：其中小微孔最为发育，占总孔隙百分比为25.04%～69.54%，平均占比40.95%；其次为大孔，占总孔隙百分比为18.24%～38.43%，平均占比31.13%；中孔占总孔隙百分比最低，为12.22%～38.24%，平均占比27.92%，三者占比相差不大。霍林河盆地Ⅳ煤组和ⅢA 煤储层孔隙类型分布图如图2。不同孔径段孔隙对孔容的贡献不同，Ⅳ组煤储层孔隙中孔径10～100 nm 的小孔和孔径100～1 000 nm 的中孔对孔容贡献最大，且二者相差不大，其次孔容主要由孔径大于1 000 nm 的大孔提供。BL01 孔径-孔容分布图如图3。

图2 霍林河盆地Ⅳ煤组储层和ⅢA 煤储层孔隙类型分布图Fig.2 Pore type distribution of coal seam Ⅳand ⅢA in Huolinhe Basin

图3 BL01 孔径-孔容分布图Fig.3 BL01 pore size - pore volume distribution

ⅢA 煤储层孔隙发育特征表现为小微孔、大孔发育，中孔较不发育。ⅢA 煤储层孔隙发育除了ZH03 小微孔异常不发育外，其他样品孔隙发育分布特征都具有微小孔最为发育且占比约60%，大孔较为发育且占比约30%左右，中孔较不发育且占比在10%左右的特征，结合野外采样情况，推测是由于ZH03 号样品取自断层附近的受构造影响较大的煤储层，结构破碎，微裂隙较发育。ⅢA 煤储层孔隙小微孔最为发育，占总孔隙百分比为14.91%～59.83%，平均占比46.36%；其次为大孔，占总孔隙百分比为30.51%～38.44%，平均为33.46%；中孔占总孔隙百分比最低，为8.89%～46.65%，平均占比20.19%。ZH07 孔径-孔容分布图如图4，ⅢA 煤储层孔隙中孔径小于100 nm 的小微孔对孔容贡献最大，其次孔容主要由孔径大1 000 nm 的大孔提供，孔径100～1 000 nm 的中孔对孔容贡献最小。

图4 ZH07 孔径-孔容分布图Fig.4 ZH07 pore size - pore volume distribution

2.2.2 白音华盆地孔径分布特征

白音华盆地3-1 煤储层孔隙发育特征表现为小微孔、大孔发育，中孔较不发育，白音华盆地3-1 煤储层孔隙类型分布图如图5。

其中小微孔最为发育，占总孔隙百分比为44.79%～69.64%，平均占比58.21%；其次为大孔，占总孔隙百分比为20.83%～35.67%，平均为26.78%；中孔占总孔隙百分比最低，为7.75～22.45%，平均占比15.02%。3-1 煤储层孔隙中孔径小于100 nm 的小微孔对孔容贡献最大，其次孔容主要由孔径大于1 000 nm 的大孔提供，孔径100～1 000 nm 的中孔对

图5 白音华盆地3-1 煤储层孔隙类型分布图Fig. 5 Pore type distribution in Baiyinhua Basin of 3-1 coal reservoir

图6 BYH01 孔径-孔容分布图Fig. 6 BYH01 pore size - pore volume distribution

2.3 孔隙结构类型

基于孔隙孔径分布比例及孔径对煤层气储集和渗流的作用，把煤储层孔隙结构分为4 种类型：

1）渗流型Ⅰ。大中孔比例大于50%，煤储层中大中孔为渗流孔，大中孔比例较大有利于煤储层运移和产出。

2）吸附型Ⅱ。微小孔比例大于50%，微孔是煤储层中的主要煤层气储集场所，小孔又称过渡孔，是煤层气解吸和扩散的主要区域，小微孔发育有利于煤储层中煤层气的储集和煤层气开发过程中煤层气的解吸。

3）开放型O。进汞饱和度高，退汞效率较高，各类孔隙均衡发育，孔隙间连通性较好，有利于煤储层运移和产出。

4）封闭型C。进汞饱和度较低，退汞效率较低，中孔、小孔比例较小，孔隙间连通性较差，不利于煤储层运移和产出。

经过基于上述标准的统计，将研究区孔隙结构类型划分为ⅡC 封闭吸附型、ⅡO 开放吸附型、ⅠC封闭渗流型、ⅠO 开放渗流型4 类。

2.3.1 霍林河盆地孔隙结构类型

霍林河盆地煤储层孔隙结构类型主要为ⅡO 开放吸附型和ⅠC 封闭渗流型。Ⅳ组煤孔隙结构类型ⅠC 封闭渗流型较多见，表明霍林河盆地Ⅳ组煤储层中孔及大孔较发育，小微孔较不发育，细喉道分布较多，连通性差，不利于煤层气的储集。ⅢA 煤孔隙结构类型多为ⅡO 开放吸附型，表明ⅢA 组煤储层小微孔较发育，孔隙喉道较集中，孔隙连通性较好，有利于煤层气的储集和产出，霍林河盆地Ⅳ煤组储层和ⅢA 煤储层孔隙结构类型见表4。

表4 霍林河盆地Ⅳ煤组储层和ⅢA 煤储层孔隙结构类型Table 4 Pore structure types of coal seam Ⅳand ⅢA in Huolinhe Basin

2.3.2 白音华盆地孔隙结构类型

白音华盆地3-1 煤储层孔隙结构类型主要为ⅡC 封闭吸附型和ⅠO 开放渗流型，总体上小微孔及大孔较发育，中孔较不发育，孔隙间的连通性一般。其中ⅡC 封闭吸附型有利于煤层气的储集，不利于煤层气的开发。ⅠO 开放渗流型不利于煤层气的储集，但有利于煤层气的开发，白音华盆地3-1 煤储层孔隙结构类型见表5。

表5 白音华盆地3-1 煤储层孔隙结构类型Table 5 Pore structure type of 3-1 coal reservoir in Baiyinhua Basin

3 结 论

1）霍林河盆地Ⅳ煤组储层中小微孔、中孔、大孔发育较均匀；小孔和中孔对孔容贡献最大；孔隙结构类型主要为封闭渗流型。ⅢA 煤储层中小微孔、大孔发育，中孔较不发育；小微孔对孔容贡献最大，其次为大孔；孔隙结构类型多为开放吸附型。

2）白音华盆地3-1 煤储层中小微孔、大孔发育，中孔较不发育；小微孔对孔容贡献最大；孔隙结构类型主要为封闭吸附型和开放渗流型。

3）综合来看二连盆地群低煤阶煤储层孔隙系统发育良好，孔隙度较大，孔隙度Ⅳ煤组<ⅢA 煤< 3-1煤；孔隙结构以小微孔、大孔为主，孔径小于100 nm的小微孔和孔径大于1 000 nm 的大孔对孔容贡献最大。基于孔隙孔径分布比例及孔径对煤层气储集和渗流的作用，把研究区孔隙结构类型划分为ⅡC封闭吸附型、ⅡO 开放吸附型、ⅠC 封闭渗流型、ⅠO开放渗流型4 类，其中ⅡO 开放吸附型最有利于煤层气的富集和产出。将霍林河盆地Ⅳ煤组、ⅢA 煤储层和白音华盆地3-1 煤储层相比较，ⅢA 煤孔隙结构最有利于煤层气储集和开发。