库拜煤层气示范区潜力煤层宏-微裂隙特征认识

赵正威 ,秦大鹏 ,潘晓飞 ,廖正凯 ,来 鹏

(1.新疆维吾尔自治区煤田地质局 一六一煤田地质勘探队,乌鲁木齐830046;2.新疆维吾尔自治区地质环境监测院,乌鲁木齐830000;3.新疆维吾尔自治区煤田地质局 煤层气研发中心,乌鲁木齐830091)

0 引言

前人研究表明[1-6],同处于一个构造层的煤系地层节理裂隙与深部煤层节理裂隙之间存在很好的对应关系,相同的构造应力会在同一构造层的不同岩性岩层中产生相似的节理裂隙,进而影响煤层微观孔隙发育。外生节理、气胀节理、内生裂隙及微裂隙组成的裂隙系统正是煤层气产出的主要通道。煤层气开发案例报道认为,外生节理的高度、宽度、空间形态、裂缝宽度、充填物等特征,气胀节理与内生裂隙的高度、密度、裂缝宽度、充填物等特征,煤系围岩露头节理与煤层中节理的关系对比等,都是查明煤储层裂隙系统发育特征的主要研究方法[2,6-8]。煤层宏-微裂隙对于煤层气开采的重要性相当于人体的血管,决定着煤层气采出率。从煤岩、煤质、煤层埋深、煤层厚度以及煤矿瓦斯逸出情况等基本数据看,研究区蕴含丰富的煤层气资源量。但是,新疆区域煤层气勘探开发的理论与技术相对滞后,主要存在的问题有:基础数据的采集、分析、认识与勘探开发的实际需求契合度不够;煤层气勘探开发相关理论技术多是直接引进国内外成熟的经验,没有因地制宜地考虑研究区煤层气储层的特有差异。该文在研读国内最新研究成果的基础上,筛选适合研究区的研究方法,提取关键宏-微观数据,意在从源头探索煤层气裂隙特征,打开煤层气采出通道,为研究区煤层气有利区块的评价、优选以及开发方案的拟定工作提出合理的思路与建议。

1 研究区主采煤层发育特征

研究区含煤地层位于侏罗系下统塔里奇克组,该组地层于井田北部出露,分为上、下两段,主力煤层主要位于下段,其地层主要由厚层状的砾岩、粗砂岩、煤、薄层状的粉砂岩或泥岩组成,地层平均厚115.60 m,含煤3层,编号为A1～A3;煤层平均厚11.45 m,呈倾斜状产出。A1煤层位于最下部,煤层全区稳定分布,厚度0.77～4.87 m;A3煤层位于A2煤层之上,全区分布,煤层厚度3.61～7.95 m,呈现北西方向较东南向煤层厚,平均厚度6.10 m。研究区野外实测点图如图1所示。

图1 研究区野外实测点图Fig.1 Field survey points in the study area

2 节理表征及其密度的影响因素分析

通过野外数据采集和后期室内分析,厘清节理发育的方向、密度,在此基础上开展不同岩性中节理密度发育的特征,对于推断深部岩层节理发育趋势具有指导意义[7,9-11],是煤层气井选区、设计、压裂等工程技术的依据。

2.1 节理裂隙发育的倾向与走向

69个节理数据观测点的统计分析显示,节理倾向集中发育在70°～110°和251°～290°,密度在55～133条/m;节理发育的主要走向为N WW 和NNE向,其中287°～279°和32°为节理发育的显著方向,如图2、图3所示。前人研究显示[12],同一地区粉砂岩和细砂岩与煤层裂隙产状相差约10°;而中砂岩、粗砂岩和细砾岩中优势节理产状基本一致,但和煤层中的优势方向相差20°～30°。

图2 研究区节理倾向统计图Fig.2 Statistical diagram of joint tendency in the study area

图3 研究区节理走向统计图Fig.3 Statistical diagram of joint trend in the study area

2.2 围岩粒度对节理密度的影响

研究中基于围岩粒度,识别了粗砂岩、中砂岩、细砂岩和粉砂岩。测量点Y03号的岩性为中砂岩,岩层产状为151°∠34°;从节理等密度图中可以看出,优势方向比较明显,以NWW 为主要发育方向。测量点Y69号的岩性为中砂岩,岩层产状为138°∠48°;从节理等密度图中可以清晰地看出该点发育3个方向的节理(如图3所示),但是以NNE(14°～34°)走向为优势方向,节理平均密度4～6条/m,长度可达5 m 以上;NWW 走向方向节理次之,节理线密度4条/m。根据研究区节理线密度和围岩岩性的关系分析,总体趋势为:随着岩石粒度变细,节理线密度增加(如图4所示),这一点与前人的研究结论基本吻合[1,10-12]。

图4 研究区不同岩性构造节理裂隙平均发育线密度Fig.4 The average development linear density of joint fissures in different lithological structures in the study area

2.3 围岩层厚对线密度的影响

以研究区粉砂岩为例,选取了20余个观测点的岩层厚度及对应节理密度记录,建立粉砂岩岩层厚度和节理裂隙密度的关系并进行相关性分析,结果显示,粉砂岩的层厚与节理裂隙线密度呈对数函数递减的关系,相关性系数为0.873 2(如图5所示)。

图5 研究区粉砂岩厚构造节理密度关系图Fig.5 Relational map of joint density of siltstone thick structure in study area

即随着岩层厚度的增加,节理裂隙发育的线密度呈指数递减,这与国内其他区域的认识基本一致[11-12]。由于围岩节理产状与煤层裂隙产状关系较为密切,因此可以进一步认为,在以围岩裂隙产状特征为依据推断煤层裂隙产状时,宜选择粒度较小、厚度较薄的岩层。

2.4 煤层露头裂隙统计分析

煤层围岩裂隙发育特征受控于围岩的厚度和岩性,以围岩裂隙展布规律为基础,结合煤层露头处裂隙统计数据,建立两者之间的耦合性认识,不失为推断地下煤层裂隙方位的科学方法。

如图6 所示,煤层的顶底板多为粉砂岩、细砂岩、泥岩和炭质泥岩。如表1所示,煤层裂隙优势方位N WW 和NNE几乎涵盖了其围岩裂隙的优势方位,煤层裂隙的线密度远高于其围岩,约为10～50倍。首先可以认为,地质历史时期凡是在围岩上留下痕迹的构造运动可以推断为煤层中也受到同样的改造作用;煤层脆性普遍远低于围岩,同一构造运动对煤层的改造作用更加明显。其次,煤层中节理产状最大和最小分别为301°∠88°和2°∠67°,与其围岩产状接近度顺序依次为:粉砂岩(358°∠68°和4°∠56°)、泥岩(342°∠41°和21°∠48°)、中砂岩(268°∠50°和5°∠36°)、细砂岩(356°∠51°和131°∠14°)、炭质泥岩(358°∠68°和207°∠32°),总体趋势上表现为岩性越细,优势方位越与煤层相一致。

表1 裂隙产状统计表Table 1 Statistics of fissure occurrence

图6 研究区实测剖面示意图Fig.6 Schematic diagram of the measured profile in the study area

3 节理的发育过程及应力分析

在节理发育特征认识的基础上,根据节理的切割关系,确定其发展期次,并与区域地质构造演化相联系,建立两者的对应关系[4,13-14],进而厘清构造期次影响下的节理发育特征,这对于指导深部岩层节理发育的推断具有关键意义。

3.1 研究区节理分期与配套

地表露头节理统计分析归纳发现,研究区发育4组节理(Y18,Y60,Y52,Y17)观测点,从这4组节理间选取典型节理(如表2所示)进行解剖分析,根据这4组节理间的相互关系将它们分为2 套节理系,如图7所示Y18观测点。

图7 Y18节理照片与刻画对照分析图Fig.7 Y18 Joint photo and portrayal contrast analysis diagram

表2 典型节理解剖点一览表Table 2 List of typical section understanding points

图7a取自于Y18点,岩性为细砂岩,岩层产状为160°∠67°。可见4组节理,归纳为2套。第1组节理产状为299°∠32°,节理密度为3条/m;第2组节理产状为200°∠90°,节理密度为2条/m;第3组节理产状为356°∠53°,节理密度为4条/m;第4组节理产状为240°∠59°,节理密度为3条/m。4组节理构成了2套“X”共轭节理系,如图7b所示。A 和C两组节理相互切割和限制,故构成同一期次的节理;B 和D 两组节理呈互相切错的关系,故定为同一期次节理。图中节理相互限制关系表明B 和D形成的节理系为第2套节理,A 和C 构成了第1套节理。

3.2 构造应力场分析

地质历史时期中,每一阶段的应力方向、大小等要素的不同,都会在地层特征上留下记录,如地层抬升-下沉、褶皱、断层等构造现象,节理的表达与相互关系即是其中记录的之一。对各个期次的节理进行古构造应力分析,利用赤平投影计算最大主应力的方向。在野外构造节理填图过程中,选取了共轭剪切节理关系明显的4 个观测点进行应力分析。

根据野外实测和节理应力场方向统计分析,结合地质历史背景,研究区含煤地层形成之后经历了2次明显的构造应力场的作用:第一期次共轭节理形成于燕山期,其主应力方向为NW-SE(315°)。图8为Y03点,岩性为细砂岩,岩层产状为135°∠49°,岩层中发育2组节理,第1组节理产状为255°∠50°,节理密度为6条/m;第2组节理产状为22°∠60°,节理密度为4条/m。这2组节理为第一期次节理,从图中可以看出这2组节理间呈现相互切错的关系,其最大主应力方向为N W-SE(315°);第二期古构造应力方向为近SN 向,该古构造应力场主要作用于喜马拉雅运动期,目前未发现该期构造运动对节理影响的证据。

图8 Y03节理照片与刻画对照分析图Fig.8 Y03 joint photo and portrayal contrast analysis diagram

构造运动在成煤期后,可以确定构造应力对煤层及成煤期以早发育的地层具有塑造作用。此外,根据地层层序律,可进一步明确深部煤层节理裂隙发育的类似特征。

4 研究区煤储层孔隙特征

在围岩及煤层节理发育特征的基础上[3-5,8,15],通过低温氮等温吸附试验数据处理分析,探索煤层孔隙大小、结构、连通性以及微孔隙充填物性质,对于揭示煤层气储层的孔隙结构,预测煤层气的解析排采难易程度,具有实际的指导意义。1)实验仪器:Micromeritcs ASAP 2000自动等温吸附仪;2)实验方法:采用容量法;3)实验环境:在-195.75℃(77.4 K)以下,以纯度为99.99%低温氮为吸附介质,在实验压力P与实验温度下汞饱和蒸气压力Po之比为0.01～1.00时测定吸附等温线。对研究区A1,A2,A3三层煤层气潜力层的试验结果如图9所示。

图9 研究区煤层气潜力层液氮等温吸附和压汞试验Fig.9 Liquid nitrogen isothermal adsorption test and mercury intrusion test of coalbedmet hane potential layer in the study area

如图9 所示,A1煤储层BET 比表面积为5.268 7 m2/g,平均孔径为7.843 5 nm,属大、中孔发育,但多被无机矿物充填,导致孔隙连通性较差;镜下观察证实A1煤层被黏土矿物充填,其自身的微孔隙(3～4 nm)会提高煤储层的比表面积[16],推断为比表面积较其他两层煤高的直接原因,此种形态孔隙有利于煤层气的吸附保存,但宏观上会降低气体的储量。A2煤储层BET比表面积为4.395 9 m2/g,平均孔径为6.375 08 nm,比表面积和平均孔径都较A1煤层小;由BJH 曲线走势判断,A2煤层孔隙主要为“墨水瓶”型孔,导致孔径有极不均一的特点,不利于已解析的煤层气体的溢流扩散。A3煤储层曲线显示的比表面积和孔容区间较A1和A2稳定,计算的BET比表面积为0.055 1 m2/g,平均孔径为70.198 75 nm,无机矿物含量较低,大、中孔较不发育但较少被无机矿物充填,孔隙连通性较好,判断为煤层储存空间大,且解析后气体溢流顺畅;与A1和A2相比较而言,A3是最有利于煤层气体开发的煤层。

根据等温吸脱附曲线原理,将相对压力(P/Po)划分为低压0～0.1、中压0.3～0.8、高压0.9～1.0。其中,低压阶段A1,A2,A3三层煤的曲线走势都偏向X 轴,说明液氮与实验煤样的作用力强度较弱,相比之下A3煤层最弱,最有利于解析脱附和溢流采出。从孔径变化上看,A3中小于10 nm 的孔径基本不存在,孔径多为70～600 nm,以中、大孔径孔隙为主。量化证实了BET 曲线与吸脱附曲线的统一性。A1和A2煤层脱附曲线在中压段显示一个突然增大的特征,反应此两层煤孔径区间较大,从吸附量与孔径峰值看3～4 nm 的孔径对气体的储存贡献较大,孔径喉道对气体的脱附影响较大。

5 结语

1)研究区节理裂隙发育的优势方向以NWW或NNE为主;裂隙的密度受岩性及岩层厚度制约,量化岩层厚度与节理密度的相关性系数为R2=0.873 2。微观实验结果认为研究区三层煤层气潜力层的孔径差别较大,相比认为A3最具开发潜力。在地表围岩的节理裂隙发育特征及规律性认识的基础上,推断深部岩层及煤层的节理裂隙发育特征,进而指导目的煤层的开发方案。

2)由于地质构造运动对区域性地层的影响不同,其改造地层的效果也有很大差异。因此,煤层气勘探开发过程以“滚动式”模式形成逐步深入的区域性地质特征认识和影响煤层气产能的关键参数获取可以在很大程度上规避投入风险。该研究区位于新疆南部,煤层气勘探开发技术工作尚处于探索阶段,寻找科学的证据,确定勘探开发初期的优势煤层作为首期开发对象,成功的概率较大,对于探索区域性勘探开发技术,建立技术团队的信心,吸引国内外同领域的专家学者具有实质性意义。