贵州土城矿区煤储层孔隙特征及影响因素

2021-07-24唐代学邵林杰

煤矿安全 2021年7期

唐代学，刘文，娄毅，邵林杰，公斌

（1.贵州省地质矿产勘查开发局 117地质大队，贵州贵阳 550018；2.贵州盘江煤层气开发利用有限责任公司，贵州贵阳 550081）

煤具有复杂的孔隙结构，复杂的孔隙结构不仅影响煤层气的赋存状态，更对煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流有重要的影响[1-3]。煤岩孔隙特征受构造变形、变质程度、显微组分、矿物质等因素影响[4-5]。土城矿区位于贵州盘县北部，属高瓦斯地区，煤层气资源丰富，区内开展的煤层气勘探工作初步取得较好的成果，最高单井产气量超过2 700 m3/d，开发潜力大。土城矿区煤储层孔隙特征方面较为缺乏，因此借助在矿区西部施工的煤层气参数井，运用扫描电镜、压汞法等,对土城矿区主要煤储层孔隙特征及其影响因素进行分析研究，为该区煤储层孔隙结构及开发提供理论数据及参考价值。

1 矿区概况及样品采集

土城矿区位于贵州省盘县北部，土城向斜北翼西段，总面积超过67 km2。含煤地层为上二叠统龙潭组，平均含煤地层厚341 m，一般含煤50余层，可采煤层达17～25层，可采煤层平均总厚23.51 m，主采煤层集中于煤系地层中上部。含煤地层岩性一般为灰色-深灰色、黑色泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩及煤层等，与上覆地层下三叠统飞仙关组整合接触，与下伏上二叠统地层峨眉山玄武岩组假整合接触。

将采自矿区西部煤层气参数井SV-3井3#、9#、12#、15#、17#、291#及292#共7层煤的8件新鲜煤心样送四川省科源工程技术测试中心加工测试，其中3#煤层采样2件。采样煤层均为该区主要煤层。

压汞试验采用美国麦克公司AuotoPore IV 9500全自动压汞仪，进汞压力最大228 MPa，能探测到孔径5 nm以上的孔隙。运用德国蔡司公司ZEISS SUPRA 55 SAPPHIRE扫描电子显微镜观测煤中的孔隙和裂隙发育特征。煤的孔径划分采用常见的霍多特[6]的十进制分类方法，煤的孔隙类型划分为微孔（孔径<10 nm），小孔（孔径10～<100 nm），中孔（孔径100～1 000 nm），大孔（>1 000 nm）。基础测试按照GB/T 212G—2008《煤的工业分析方法》及GB/T 15589—2013《显微煤岩类型分类》测定，主要煤层煤样基础测试结果见表1。

表1 主要煤层煤样基础测试结果Table 1 Basic test results of main coal samples

2 扫描电镜

通过扫描电镜观察，土城矿区煤储层孔隙类型较多，且大小分布不一。区内煤中孔隙发育有原生孔、气孔、矿物溶蚀孔、矿物铸模孔、粒间孔、微裂隙等6类。扫描电镜煤样孔隙照片如图1。

原生孔主要是成煤植物本身所具有的细胞结构孔，镜质体中为常见（图1（a）），丝质体横断面也见保留完整的胞腔孔，孔径大小主要在1～10μm左右，原生孔轮廓清晰，边缘大多较圆滑，呈带、群分布，孔隙间很少连通，也没有矿物质充填；随上覆压力的增加及煤化作用的推进，部分原生孔隙被高岭石、硅质、石英微晶体等矿物质被充填（图1（b））。气孔是煤化作用阶段由生气和聚气作用形成的，气孔分布与气体活动强度有关[7-8]，有机质中可孤立出现或密集出现（图1（c）），气孔之间很少连通，孔径大小多为0.1～2μm。

图1 扫描电镜煤样孔隙照片Fig.1 Pore photos of coal samples under scanning electron microscope

矿物溶蚀孔是煤中可溶性矿物质（碳酸盐岩类、长石、和方解石）在长期气、水作用下被溶蚀而形成的孔[9]；石英微晶在酸性条件下发生溶蚀，棱角分明，晶体颗粒边缘清晰可见（图1（d）），溶蚀孔孔径变化较大，从不足1μm以下到几十微米。矿物铸模孔是煤中原生矿物在有机质中因硬度差异而铸成印坑[9]，如方解石、黄铁矿等，其孔径大小受矿物颗粒的影响；由图1（e）可见，晶形较好的粒状黄铁矿颗粒在有机质上形成的铸模孔，孔隙边缘见清晰的黄铁矿颗粒印迹。矿物溶蚀孔及矿物铸模孔较少出现，也很少互相连通。粒间孔是历经成岩作用后各种成煤物质颗粒之间保存下来的孔隙，其形态变化大，孔径大小不一；碎块状有机组分与黏土矿物、石英微晶、黄铁矿集合体相间分布，可见矿物颗粒或集合体之间孔隙和裂隙发育，黏土矿物碎屑杂乱堆积于有机质表面形成屑间孔（图1（b）～图1（e））；煤表面存在的晶体物质在一定程度上影响突出煤对气体的吸附性，煤样的表面孔隙、微孔的增加突出了煤的比表面积及孔容，为瓦斯吸附提供的条件。

煤岩中的裂隙既是储集空间，又是运移通道；土城向斜煤岩多发育内生裂隙，在镜质体中最为发育，多为张性裂隙，裂隙多呈直线状、弯曲状、多组裂隙交叉状或网状。图1（f）以1条近直线裂隙为主，两侧伴有多组交叉裂隙，裂隙连通部分孔隙；煤岩中裂隙与孔隙连通形成主要渗流通道，对煤储层的物性改善有重要作用。

3 压汞试验

压汞法通过进汞压力与孔径半径的关系获取孔隙大小、孔径分布、孔隙类型等参数，测试结果为有效孔隙的孔容，主要煤层煤样压汞测试数据见表2。

表2 主要煤层煤样压汞测试数据Table 2 Mercury intrusion experimental data of main coal samples

3.1 压汞曲线

不同煤样的进汞-退汞曲线孔隙滞后环宽度、进汞、退汞体积差不同，分析煤样孔隙的连通性及基本形态。根据压汞测试结果，压汞曲线有3种：

1）Ⅰ型代表煤样为3#-2煤样。进汞曲线在相对压力接近1时快速上升，最大吸附量由中等至大，其进汞、退汞体积差大，孔隙滞后环宽，退汞曲线呈上凸或先下凹后上凸状，煤样孔径多为开放孔，含有一定数量的半封闭孔隙，退汞效率低，连通性好，有利于煤层气的运移、扩散。

2）Ⅱ型代表煤样为3#-1、9#、12#、15#、17#煤样。煤样进汞曲线在相对压力在1～10之间时快速上升，最大吸附量中等，具有一定进汞、退汞体积差，孔隙滞后环较宽，退汞曲线主要呈下凹状，这说明煤样孔径多为微小孔，含有一定数量的开放孔隙，退汞效率中等，而且连通性较好，对煤层气的运移、扩散较为有利。

3）Ⅲ型代表煤样为291#、292#煤样。进汞曲线在相对压力在10～100之间快速上升，最大吸附量较低，进汞、退汞体积差小，孔隙滞后环窄小，退汞曲线主要呈下凹状，说明煤样孔径主要为的微小孔，孔隙形态为圆柱或“V”形[3]，有利于汞的退出，退汞效率高，连通性较差，对煤层气的运移、扩散不利。压汞曲线类型如图2。

图2 压汞曲线类型Fig.2 Types of mercury intrusion curves

3.2 孔容和比表面积

矿区煤样总孔容介于0.014 6～0.062 1 cm3/g，平均0.025 3 cm3/g，压汞孔隙度介于2.31%～9.35%，平均4.02%，其中3#-2煤样压汞孔隙度最高达9.35%。对比山西沁水煤样总孔容及孔隙度[9]，土城矿区平均总孔容及孔隙度较低。

矿区孔隙结构以微、小孔为主，其中微孔优势相对较大。大孔和微孔所占比介于51.01%～85.69%，平均为73.43%，说明孔隙主要集中于微孔和小孔中，较多的微孔和小孔有利于煤层气的吸附聚集。中孔占比约为5.6%～42.22%，平均为19.00%；3#-2煤样中孔占比达到42.22%，说明3#煤层存在较多的开放孔，有利于渗流，而且连通能力较好，有利煤层气的运移、渗流。大孔的孔容占比较小，平均仅为7.57%。说明煤样中微孔、小孔数量对总孔容起控制作用，当存在较多的中孔时，进一步增大煤储层的总孔容。

各煤样比表面积在2.27～8.10 m2/g之间，平均为4.55 m2/g。其中3#-2煤样比表面积最大，达到了8.10 m2/g，比表面越大，越有利于煤层气的吸附；其余煤样比表面积均以微孔为主，平均占比大于77%；其次为小孔，平均占比大于15%；孔容中值半径分布在4.3～94.49 nm之间，3#-2煤样中值半径最大达到94.9 nm，开放孔的贡献较大；其余煤样平均孔容中值半径为9.14 nm，煤样中微孔、小孔对孔容的贡献较大。

4 孔隙发育影响因素

4.1 变质程度

煤的孔隙性受变质程度影响较大，表现在对煤的孔隙度、孔容和比表面积的控制[10-11]。根据矿区煤岩的相关实验参数结果，矿区主要煤层镜质体反射率为1.09%～1.60%，平均为1.30%，分布较窄，为肥煤-焦煤。随埋深增加，镜质体反射率有逐渐增加趋势。变质程度与孔隙特征影响关系如图3。

图3 变质程度与孔隙特征影响关系Fig.3 Relationship between metamorphic degree and pore characteristics

从图3可以看出，随变质程度的增加，煤的孔容、比表面积、孔隙度、中值半径等是逐渐减小的。因镜质体反射率Ro较小，煤层压实作用小，煤岩结构疏松，大中孔比较发育，煤的孔隙度高；随Ro的增加，压实作用增强，煤岩在温度、压力等作用下发生系列变化，煤岩不断被压实、水分被排除，煤岩变得更致密，部分原生孔隙被破坏或充填，孔隙结构以小孔、微孔为主，孔隙度、平均孔径不断变小，导致煤中孔隙孔容和比表面积也不断降低。

4.2 显微组分

煤岩显微组分包括有机组分和无机组分2部分，对煤岩孔隙的发育影响较大。矿区煤岩显微组分测试结果表明，显微组分以镜质组为主，为40%～66.2%，平均57.33%，随埋深增加，镜质组含量有减少的趋势；镜质组中多见原生孔及气孔，镜质组含量高，为生烃提供丰富的来源，使得孔隙度与镜质组呈正相关性，压汞孔容、比表面积也随镜质组含量的升高逐渐升高。惰质组平均含量19.18%，壳质组很少，基本检测不出。显微组分与孔隙特征影响因素关系如图4。

图4 显微组分与孔隙特征影响因素关系Fig.4 Relationship between metamorphic degree and pore characteristics

无机组分为12.2%～42.4%，平均23.5%，随埋深增加，无机组分含量有增加的趋势。由图4可知，矿区煤的压汞孔隙度、孔容和比表面积随无机组分组的增加呈较弱的负相关性（图4）。由于无机矿物会充填在部分中、大孔隙中，使得孔容和比表面积减小。而矿物质充填作用对小微孔的负面影响较小，且小于矿物质本身存在的孔隙正影响，使得小微孔的孔容和比表面积增加[2]。

水分和灰分与孔隙特征关系如图5。图5（a）可知，煤岩中水充填孔隙和堵塞通道，随煤岩中水分含量的增加，孔容和比表面积随之下降。图5（b）可知，煤岩压汞孔容与干燥基灰分含量呈负相关，因矿物质充填作用，孔容减小；而比表面积与干燥基灰分含量呈较弱负相关，是由于灰分中黏土成分较高，黏土矿物自身的孔隙对比表面积的贡献大[7]。