郑庄井田3号煤微孔裂隙特征研究

刘浩博

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048024)

1 研究区概况

郑庄井田地处沁水复式向斜的轴部南端，晋—获褶断带西部，沁水盆地南缘东西—北东向断裂带的北部，位于沁水县郑庄镇、王必镇一带，隶属郑庄镇、王必镇所辖。地理坐标为北纬35°41′15″～35°47′00″，东经112°17′45″～112°24′00″，井田面积约49.1 km2。井田内断层稀少，以宽缓的次级向、背斜发育为主，无岩浆活动，地质构造复杂程度属于简单类型。

井田煤系发育，上石炭统太原组(C3t)和下二叠统山西组(P1s)为井田主要含煤地层，两套含煤地层含煤多达16层(自上而下煤层依次编号为：1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号、9号、10号、11号、12号、13号、14号、15号、16号煤层)，其中，3号煤层为全井田稳定可采煤层，15号煤层为全井田可采较稳定发育煤层，其余为不稳定局部可采和不可采煤层。本文研究的3号煤层位于上石炭统太原组下部，含煤性好，煤层厚度一般为3.43～7.16 m，平均5.43 m。煤层含气性好，煤层气含量高，一般为6.80～33.46 m3/t，平均为16.87 m3/t。煤层结构简单，煤中含一般泥岩、炭质泥岩夹矸0～2层。

目前，在郑庄井田3号煤的宏观裂隙发育预测[1]、裂隙的测井响应特征[2-3]方面开展了部分研究工作，微观裂隙作为裂隙的重要类型之一和影响煤层气开发的重要指标，尚未开展研究工作。为此，笔者采用EVO 15型扫描电子显微镜对研究区3号煤微孔裂隙进行观测和特征精细表征研究。研究成果对研究区及煤层气地质条件、储层物性及特征类似紧邻井田煤层气开发具有重要理论和指导意义。

2 样品采集及描述

2.1 样品采集

本文研究所用样品均来自地面煤层气钻井绳索取芯3号煤层样品，煤样采集遵循规范及标准《煤层气钻井作业规范》(DZ/T 0250-2017)和《岩样品采取方法》(GB-T19222-2003)中相关规定。样品要取全取准，尽量对整个煤层段进行取芯。对钻取的煤芯表面泥浆等附着物要清洁处理，然后及时蜡封，防止煤芯风、氧化，影响实验结果。

2.2 样品描述

郑庄井田3号煤层变质程度相对较高(最大镜质组反射率Ro,max=3.10%～3.56%，平均3.23%)，煤类为无烟煤。煤新鲜面为黑色，似金属光泽，条痕为褐黑色，阶梯状-贝壳状断口，内生裂隙较发育，质地较硬。煤体破坏一般，煤体结构以碎裂煤为主，次为碎粒煤，未见糜棱煤。中-宽条带状结构，层状构造。以亮煤为主、暗煤次之，夹镜煤条带。属半亮-光亮型煤。

3号煤层中有机显微组分以镜质组为主(77.40%～82.90%，平均80.60%)，惰质组次之(3.70%～22.60%，平均19.40%)，因煤的变质程度较高，壳质组已无法辨识。煤的显微组分镜质组以基质镜质体为主，均质镜质体次之，惰质组半丝质体多于丝质体，氧化丝质体多于火焚丝质体。有少量的碎屑体呈条带状、透镜状和不规则状。无机显微组分以粘土类为主，氧化硅类及碳酸盐类次之，硫酸铁类微量。

3 扫描电镜下煤微孔裂隙特征

3.1 实验方法及实验原理

煤孔裂隙研究已有百余年历史，在煤田勘查、煤炭开采和煤层气开发领域均有研究，特别是煤层气勘探开发领域煤孔裂隙研究尤为广泛、深入和系统[4]。随着煤层气产业的兴起和发展，学者们在煤孔裂隙研究方面已开展了多年、大量研究工作，取得了丰硕成果，极大丰富了煤层气地质理论，对生产实践亦起到积极指导作用[5-8]。扫描电子显微镜是图像法观测煤岩微孔裂隙重要研究技术手段之一，具有实验流程简单、实验时间短、实验费用低、操作简单、极高分辨率、极高镜下放大倍数、视野大、成像立体感强等特点，被广泛应用于非金属材料、金属材料、石油和煤田地质等领域材料的微观形态、成因、组织及成分分析和研究[9-10]。为此，笔者采用德国蔡司公司制造生产的EVO 15型扫描电子显微镜对郑庄井田3号煤微孔裂隙特征进行观测研究。

扫描电子显微镜的工作原理是主要利用二次电子成像。样品观测时，从电子枪灯丝发出电子束，电子束受到阳极高压的加速射向镜筒，并收到第一、二聚光镜和物镜的汇聚作用，缩小成直径仅为几十埃的狭窄电子束射到样品上。与此同时，偏转线圈使电子束在样品上作光栅状扫描，电子束和观测样品间相互作用便产生多种信号，尤其是二次电子，对二次电子信号进行接收、放大和成像，从而实现样品的观测。

3.2 实验仪器及技术参数

本文采用德国蔡司公司制造生产的EVO 15型扫描电子显微镜(图1)对郑庄井田3号煤微孔裂隙特征进行观测研究，该仪器主要由真空系统、电子束系统、成像系统及观测平台四大部分组成，具有可变压力下操作、X射线和EBSD分析、快速抽真空及可移动大平台、5轴优中心自动样品台等特点。分辨率高，在30 kV(SE and W)、30 kV(VP with BSD)条件下分辨率分别可达3 nm、4 nm；镜下物像放大倍数高、范围广，镜下观测样品可实现放大5～106倍；观测压力范围广，真空负压下观测，压力一般为10～400 Pa；探针电流值极小，一般为0.5 PA～5 μA；工作室直径和高度分别为365 mm、275 mm；观测样品试件的最大直径和高度分别不得超过250 mm、145 mm。

图1 EVO15扫描电子显微镜

3.3 实验样品制作

在已钻取的煤芯样上沿着垂直层理方向切割指甲盖大小的规则块状煤样，然后对切割的块状样品平行于层理的一面用细纱纸轻轻打磨至平整光滑，然后用吹哨锥把样品表面附着物吹扫干净。完成吹扫作用后，用导电胶把样品托贴于样品平整光滑面，最后把样品放入真空环境下镀金属导电膜，导电处理后制样过程完毕。

3.4 扫描电子显微镜下煤微孔裂隙特征

3.4.1 煤微孔隙特征

煤孔隙对煤层气赋存和运移具有重要控制作用，煤层气在大孔中运移以紊流和层流方式，中孔中煤层气以缓慢层流渗透运移，过渡孔中煤层气发生毛细管凝聚、物理吸附和扩散，微孔则是煤层气吸附主要场所或空间[11]。

通过扫描电子显微镜煤孔隙观测，发现郑庄井田3号煤微孔隙发育具有成因类型多、形态复杂、孔隙大小不等、孔隙连通性差等特征。煤中可见气孔、铸模孔、溶蚀孔和角砾孔等四种不同成因类型孔隙发育，不同成因类型孔隙在形态、孔隙大小和连通性等方面有所不同。煤形成过程中，煤发生变质作用而促使煤中有机物质生烃，烃类气体大量聚集在煤层中致使气孔形成，见图2(a)～(d)[12]。气孔多疏松发育，而在壳质组中多成群发育见2(a)。气孔的形态多样，似圆形、椭圆形、长条形和不规则形孔隙均可见，部分孔隙受定向应力作用具有拉扁定向发育特征，见图2(a)。孔隙大小不一，孔径几十纳米至几十微米的孔隙均有发育，小于5 μm的孔径居多。孔隙多孤立产出，孔隙间基本不连通，孔隙基本为“死孔”；成煤过程中煤中矿物因硬度差异而在煤中铸成一些印坑，谓之“铸模孔”，见图2(d)[12]。铸模孔的形态相对单一，基本为似圆形和椭圆形。孔隙大小不一，孔径一般为几千纳米至几微米。孔隙稀疏、孤立产出，孔隙间不连通，孔隙均为“死孔”；溶蚀孔是煤中可溶性矿物在漫长地质历史时期长期受地下流体(气、水)作用溶蚀而成，见图2(e)[12]。溶蚀孔的形态单一，基本为椭圆形。孔隙大小不一，孔径一般为十几微米至几十微米。孔隙稀疏、孤立产出，孔隙间不连通，孔隙均为“死孔”；成煤期后，煤体受构造应力作用而发生破坏并形成一些角砾状煤体，角砾之间的孔隙即为“角砾孔”，见图2(f)[12]。角砾孔的形态极不规则，孔隙大小不一，孔径一般为几千纳米至几微米。孔隙集中发育，孔隙间连通性好，这类孔隙的渗透性往往较好，但在高强度排采条件下角砾容易发生运移，堵塞裂隙通道或造成卡泵、埋泵事故发生[13]。

3.4.2 煤微裂隙特征

煤裂隙是指煤受各种地质应力作用产生的破裂形迹。不同裂隙类型、裂隙规模、裂隙发育密度、裂隙尺度及连通性等对煤层气赋存、运移、煤层渗透率、煤层气井产量等具有重要影响[14-17]，是煤层气有利区评价及优选、可采性评价及产能预测等的关键煤储层物性特征参数之一[18-20]。目前，裂隙类型主要从裂隙成因和受力性质进行划分，从裂隙成因角度可将煤裂隙划分为内生裂隙和外生裂隙，而从裂隙的受力性质，则可将煤裂隙划分为张裂隙和剪裂隙。相比之下，裂隙受力性质判识裂隙类型更容易在扫描电子显微镜下实现，为此，本文煤微裂隙特征研究主要从裂隙的受力性质划分煤裂隙类型。

图2 扫描电子显微镜下郑庄井田3号煤微孔隙特征

由扫描电子显微镜下郑庄井田3号煤微裂隙观测结果可知，煤中发育有张裂隙(图3(a)～(c))和剪裂隙(图3(d)～(f))两种裂隙类型。张裂隙是成煤后期受张应力作用形成，裂隙面粗糙、凹凸不平，裂隙延伸较短，裂隙长度不一，几微米至几百微米均有发育；裂缝延伸无规律，产状不稳定；裂隙产出形式多样，可见单独产出、张裂隙与张裂隙相交、张裂隙与剪裂隙相交产出；裂隙形态多样，基本为弯曲状裂隙，少量张、剪裂隙近似垂交；裂口多呈张开状，裂口宽度一般为几千纳米至十几微米，裂口中常见碎屑物质充填，见图3(a)～(c)，部分裂口被方解石脉充填，见图3(c)。

剪裂隙为成煤期后受剪切应力作用形成，裂隙面平整光滑，裂隙延伸相对较远，裂缝向“刀切”一样有规律延伸，产状稳定。裂隙长度不一，几十微米至几千微米均有发育。裂隙产出形式多样，可见单独产出、多为同类裂隙大角度相交。裂隙形态多样，基本为直线型，见图3(f)；“V” 字型，见图3(e)；“树枝型”，见图3(d)。裂口多呈张开状，部分紧闭，裂口宽度一般小于10 μm，裂口中可见少部分碎屑物质充填，但方解石脉充填裂口现象严重，见图3(d)～(f)，极大影响裂隙的渗透性能。

图3 扫描电子显微镜下郑庄井田3号煤微裂隙特征

3.5 煤微裂隙特征对煤层气生产影响

由郑庄井田3号煤的微孔裂隙观测结果可知(图2、图3)，3号微孔多稀疏发育，孔隙的连通性普遍较差，有效孔隙少，致使煤的孔隙度较低，孔隙度值介于0.64%～12.82%之间，平均为4.52%[21]。煤层气主要吸附于煤微孔隙内表面，微孔隙越发育，孔比表面积越大，吸附煤层气能力越强，储集气空间或场所越广、储集的煤层气量也越大，煤层含气量往往较高且利于煤层气富集成藏[22]，反之亦然。研究区3号煤微孔隙的孔径一般为几十纳米至几十微米，孔隙大小为过渡孔—大孔，并以大孔发育为主[23]，吸附煤层气能力和储集煤层气能力相对较弱，不利于煤层气的高富集。

煤微孔裂隙的被碎屑物和方解石脉充填现象，裂隙间基本不连通，大大影响了煤层的渗透性。据井田3号煤层渗透率测定结果显示，煤层渗透率整体较低，一般为0.047 6～0.389 6 md，平均为0.136 9 md[21]。低渗煤层不利于煤层气的高效渗流产出和煤层气井高产、稳产和采收率的提高[24]。煤裂隙被碎屑物质充填现象常见，这些碎屑物在渗流过程中有堵塞裂隙通道和造成卡泵事故危险，特别是煤层气井在高强度排采和排采管控不科学的情况下，碎屑物堵塞裂隙通道和造成井下卡泵事故概率大大增加，煤层渗透率急剧下降，煤层气井产气量随之陡降。

4 结 语

1) 煤微孔裂隙是煤裂隙的重要类型，其特征对煤层气赋存和运移具有重要控制作用，是煤层气地质理论和生产实践重要研究内容。

2) 郑庄井田3号煤微孔隙发育具有成因类型多、形态复杂、孔隙大小不等、孔隙连通性差等特征。煤中发育气孔、铸模孔、溶蚀孔和角砾孔等四种不同成因类型孔隙，孔隙大小一般为几十纳米至几十微米，孔隙形态多样，孔隙被充填现象严重，透气性总体较差。

3) 煤中微裂隙为张裂隙和剪裂隙。张裂隙延伸较短(几微米至几百微米)、产状不稳定、裂隙面多粗壮或凹凸不平，裂口多呈张开状态，裂口宽度几千纳米至十几微米，裂口中常见碎屑物质充填，部分裂口被方解石脉充填；剪裂隙延伸较长(几十微米至几千微米)、产状稳定、裂隙面多光滑，裂口多呈张开状态，裂口宽度小于10 μm，裂口中常见碎屑物质充填，裂口被方解石脉充填严重。