鄂尔多斯盆地D 区块上古生界煤岩CT 三维空间结构及非均质性表征

詹卓琛 雷中英 李 潇 郭小璇 张文文代思佳 牛晓宇 辛炳夏 王 乐

（1. 密苏里科技大学， 密苏 里州美国 65401； 2. 长江大学地球科学学院， 湖北 武汉 430100；3. 中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院， 江苏 南京 211103）

0 引 言

20 世纪70 年代CT 扫描技术的兴起极大地促进了医疗和材料等研究领域的发展。 21 世纪初，CT 扫描技术被引入地质学研究中， 主要用于观察岩石内部结构、 微细层理， 提取孔隙、 裂缝的几何参数， 分析基质颗粒组合特征、 粒度和密度等［1-6］。目前三维CT 扫描技术主要基于非全直径岩心对微米—纳米尺度的致密砂岩、 泥页岩、 碳酸盐岩储层特征的物理实验法刻画［7-9］或对储层特征进行数值重构法表征［10-13］。 不同于压汞法和低温氮气吸附法等常规实验方法研究煤岩的孔隙连通结构和孔径分布情况， 三维CT 扫描技术具有无损、 定量、 精细、 可视化的优势［14］。

目前对于煤层气储层中的煤岩三维CT 扫描的研究多涉及非全直径岩心［15-16］， 且主要聚焦于煤岩损伤［17-18］。 由于非全直径岩心样品的观察范围小， 三维成像结果代表性差， 且微—纳米级孔（缝） 隙对于整体储集空间的体积贡献相对较小，因此， 有必要引入更大视域的全直径岩心CT 表征手段。

鄂尔多斯盆地煤层发育， 石炭系本溪组和太原组、 二叠系山西组、 侏罗系的煤炭资源量丰富， 煤层气资源量充足。 目前鄂尔多斯盆地开发的古生界、 中生界煤层气都是来自这些煤层组［19］， 前人对煤系地层的沉积、 煤层气的成因演化［20］及运移、聚集、 成藏［21］等方面开展了大量的研究， 但对煤岩的空间结构及储层特征缺乏认识。

本文以D 区块为例， 利用CT 扫描技术对全直径煤岩岩心的空间结构和储层特征进行了表征， 通过重建煤岩的三维图像、 定量表征煤岩三维空间结构和储层非均质性特征， 刻画了煤岩孔隙、 裂缝发育、 孔隙及喉道结构、 矿物充填状况及其纵向演变规律， 为研究区煤层气、 煤层气化开采提供重要的地质依据。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地是一个多沉积旋回的克拉通复合型盆地。 本文研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的东北部（图1）， 为西倾的平缓单斜构造， 由南至北构造掀斜程度逐渐加大， 构造幅度也加大， 裂缝发育［22-23］。

上古生界太原组和山西组各发育多套煤层（图2）［22］， 山一段和太一段为目的层， 其中山一段的5 （4+5） 号煤层和太一段的9 （8+9） 号煤层为主要含煤和含煤层气的层系［23-25］。 太原组沉积环境为海陆过渡相沉积， 山西组属于陆相河流—三角洲—湖泊相沉积体系， 下石盒子组为河流相的沉积环境［25］。

2 层理构造

对研究区太原组和山西组煤岩岩心观察后， 选取太一段9 号煤层（2 858.13～2 859.91 m）、 典型煤岩T1 （2 845.04～2 845.11 m） 和山一段5 号煤层（2 815.74 ～2 817.61 m）、 典型煤岩 S1（2 812.73～2 812.82 m） 的煤岩岩心开展三维CT扫描。

2.1 太一段

通过岩心观察可知太一段层理结构清晰， 底部发育水平层理， 顶部发育斜层理， 非均质性强（图3 （a） ）。

典型煤岩T1 （2 845.04～2 845.11 m） 号样品CT 图像可见高角度、 顺层天然裂缝不发育， 塑性较强（图3 （b） ）。 深度为2 858.13 ～2 859.91 m的煤岩CT 结果表明（图4）， 煤岩层理构造、 结构沿纵向存在较明显的互层变化， 高角度天然裂缝几乎不发育， 深灰色纹层发育顺层天然裂缝， 且部分裂缝未被充填， 灰色纹层裂缝几乎不发育。 因此灰色纹层的塑性相对较强， 深灰色纹层的脆性较强。可见太一段煤岩无论是裂缝发育及矿物充填程度，还是煤质均存在不同程度的差异， 表现出较强的非均质结构。

2.2 山一段

岩心观察可见山一段煤岩多为灰色、 黑色， 炭质含量相对较高（图3 （c） ）。

典型煤岩S1 （2 812.73 ～2 812.82 m） 号样品CT 图像呈现深灰、 灰色交替变化， 反映煤岩层理构造交替变化， 主体为块状结构、 构造 （图3（d） ）。 天然高角度裂缝相对发育， 且高角度裂缝发育受限于煤岩非均质结构层分布， 绝大部发育在深灰色纹层内。 深度为2 815.74 ～2 817.61 m 的煤岩CT 结果表明（图5）， 煤岩层理构造、 结构沿纵向存在较明显的变化， 代表着煤岩物质组成的非均质性， 并控制孔洞缝发育的非均质性， 裂缝发育在深灰色脆性层内， 不穿层， 灰色塑性纹层裂缝相对不发育。

3 煤岩孔（缝） 隙结构及特征

3.1 孔（缝） 隙及充填矿物三维空间展布

3.1.1 太一段

代表性样品T1 号煤岩主要发育顺层天然裂缝，部分顺层裂缝被方解石等矿物充填， 充填率为3.59%， 部分裂缝未被充填， 有效孔（缝） 隙度为1.53%。 太一段煤岩的高角度天然裂缝不甚发育（图6），反映出煤岩纯度较低、 脆性较弱、 塑性较强， 推测煤岩塑性蠕动导致天然顺层裂缝较发育。大部分顺层天然缝孤立存在， 没有构成有效的裂缝空间网络。 太一段2 858.13～2 859.91 m 深度从顶至底， 煤岩纹层结构及裂缝出现一定程度的变化：中上部天然裂缝不甚发育， 呈块状； 中下部天然裂缝较发育， 纹层结构明显； 底部天然裂缝不发育，呈块状。 储存在裂缝中的煤层气以游离态状态赋存为主。

3.1.2 山一段

S1 号煤岩CT 扫描三维图像结果显示， 底部天然裂缝非常发育， 高角度垂直裂缝为主， 天然顺层缝几乎不发育（图7）。 高角度裂缝分布顶部在灰黑色煤岩纹层中， 构成裂缝网络， 底部灰色煤岩中几乎不见， 偶见顺层缝（图7）。 大部分高角度天然裂缝被方解石等矿物充填， 构成裂缝方解石充填网络， 其充填率为9.05%， 还有1.60%裂缝没有被充填， 这些孔（缝） 是煤层气主要的储集空间，储存在这部分空间的煤层气以游离态为主。 图像显示钻井过程诱发的人工裂缝也较明显， 与天然裂缝的本质差别在于人工缝没有任何充填物， 而天然缝则不同程度地被矿物充填（图7）。

3.1.3 孔隙及充填矿物空间展布

上古生界煤岩的孔（缝） 较发育， 由于煤岩孔、 缝、 洞发育， 大部分微孔（缝） 被方解石等矿物充填， 导致有效孔（缝） 不甚发育， 而且太一段、 山一段的煤岩孔、 缝及矿物充填程度也存在明显的差异。 山一段矿物充填率均值是5.5%， 太一段矿物充填率均值是2.3%。 无论太一段、 还是山一段， 煤岩结构复杂， 纵向非均质结构交替变化。 煤层非均质结构控制孔、 缝、 洞的发育的非均质， 大部分微孔缝限定在脆性较强的纹层中。 太一段煤岩高角度天然裂缝不发育， 而顺层天然裂缝则较发育， 可能反映煤岩脆性较弱塑性较强， 因塑性蠕动导致天然顺层裂缝较发育。 山一段煤岩高角度天然裂缝非常发育， 天然顺层缝几乎不发育， 可能与区域挤压构造应力作用相关。 （孔） 缝不同程度地被方解石等充填， 太一段孔（缝） 部分被充填，山一段则大部分被充填。 太一段煤岩与山一段煤岩在颜色、 层理构造及孔（缝） 发育、 矿物充填等存在一定的差别。 与山一段相比， 太一段煤岩整体塑性强于山一段煤岩。

3.2 煤岩储层孔（缝） 隙、 喉道及充填矿物结构参数特征

3.2.1 太一段

应用三维图像处理软件对全直径煤岩进行孔（缝） 隙、 喉道及充填矿物的几何特征进行识别与解释。

以T1 号样品全直径煤岩CT 结果为例， 该样品的孔（缝） 隙为1.53%； 孔（缝） 隙主要为等效直径在200 μm 以下的孔（缝） 隙， 其次是等效直径为200 ～800 μm 的孔（缝） 隙， 其余是等效直径在800 μm 以上的孔（缝） 隙（图8 （a） ）。不同尺度的孔（缝） 隙对总孔（缝） 隙空间的贡献率不同， 等效直径大于1 000 μm 的孔（缝） 隙的贡献率在一半以上， 达到59.39%； 其次是等效直径为400 ～800 μm 的孔 （缝） 隙， 贡献率为18.70%； 再次为等效直径为800 ～1 000 μm 的孔（缝） 隙， 贡献率为9.61%； 尽管等效直径小于400 μm 的孔（缝） 隙数量很多， 但它们的贡献率仅为12.34% （图8 （a） ）。

T1号样品的矿物充填规律与孔（缝）隙分布规律相似， 以等效直径小于400 μm 的矿物充填为主， 但较大的矿物均聚集在等效直径为400 ～800 μm和等效直径大于1 000 μm 的空间中， 二者所占的体积占总体充填矿物体积的73.06%（图8 （b） ）。

太一段T1 号煤岩样品最大孔隙半径为1 079.410 μm， 平均孔隙半径为137.220 μm， 最大喉道半径为952.709 μm， 平均喉道半径为76.598 μm， 最大喉道长度为4 328.840 μm， 平均喉道长度为323.794 μm。 最大孔隙体积为9.54×108μm3， 平均孔隙体积为2.78×108μm3， 最大喉道体积为1.167×108μm3， 平均喉道体积为4.27×107μm3； 最大孔喉比为39.336， 平均孔喉比为1.708， 平均配位数为1 （图9）。

3.2.2 山一段

以S1 号样品全直径煤岩CT 结果为例， 该样品的孔（缝） 隙为1.60%； 孔（缝） 隙主要为等效直径在400 μm 以下的孔（缝） 隙， 其次是等效直径为400 ～800 μm 的孔（缝） 隙， 其余是等效直径在800 μm 以上的孔（缝） 隙（图10 （a） ）。不同尺度的孔（缝） 隙对总孔（缝） 隙空间的贡献率不同， 等效直径大于1 000 μm 的孔（缝） 隙的贡献率达到40.33%； 其次是等效直径为400 ～800 μm的孔（缝） 隙， 贡献率为22.56%； 等效直径为800 ～1 000 μm 的孔 （缝） 隙， 贡献率为9.26%； 尽管等效直径小于400 μm 的孔（缝） 隙数量很多， 但它们的贡献率仅为27.84% （图10（a） ）。 S1 号样品以等效直径小于800 μm 的矿物充填为主， 占主体充填空间的69.25%， 其次为等效直径大于1 000 μm 的矿物充填， 占主体充填空间的23.11% （图10 （b） ）。

山一段S1 号煤岩样品最大孔隙半径为853.600 μm， 平均孔隙半径为123.038 μm， 最大喉道半径为 721.273 μm， 平均喉道半径为71.535 μm， 最大喉道长度为3 103.110 μm， 平均喉道长度为292.742 μm。 最大孔隙体积为4.56×108μm3， 平均孔隙体积为2.89×108μm3， 最大喉道体积为6.68×108μm3， 平均喉道体积为2.55×107μm3， 平均孔喉比为2.338， 平均配位数为4（图11）。

3.2.3 储层结构参数差异

山一段、 太一段的孔（缝） 结构存在一定的差异。

山一段孔隙度大于太一段， 山一段孔隙度均值为1.5%， 太一段的是0.99%。 但是山一段孔（缝） 的孔隙形状因子中值0.02， 小于太一段的0.03， 说明太一段孔（缝） 的形态较规则。 反映煤岩孔缝连通性的配位数存在一定的不同。

山一段的配位数大于太一段， 表明山一段煤岩连通程度高于太一段， 连通程度的高低直接反映了煤岩储层流体渗流程度的高低， 可见山一段煤岩储层渗透率高于太一段煤岩。

总之， 山一段煤岩储层结构、 连通性优于太一段煤岩储层。

4 煤储层结构及非均质性对煤层气分布的影响

太一段煤层录井气测总烃、 甲烷等质量分数均值在20%之下， 山一段煤层录井气测总烃、 甲烷等质量分数均值在30%以上， 表明山一段煤层气质量明显优于太一段煤层气质量。 煤储层结构、 非均质、 孔（缝） 隙度与录井全烃、 甲烷气测的关系表明（图4、 图5）， 煤层气气测数量高低与煤储层结构及其非均质性具有很好的一致性。 煤岩微细纹层发育处孔隙度高， 气测全烃、 甲烷等含量较高， 反之就低， 无论山一段煤层， 还是太一段煤层， 均呈现出同样的特征与规律。 煤层纹层结构类型、 煤质类型制约着煤储层非均质程度、 孔隙度高低， 煤储层非均质程度、 孔隙高低控制着煤储层气含量的高低。 因此， 煤层气含量的高低明显受控制于煤层微细纹层结构等因素。

太一段与山一段相比， 山一段煤岩煤质类型、储层类型、 煤层气气测量等优于太一段。 煤层气气测总烃高的纹层对应于煤质好、 脆性高的纹层， 此类纹层不仅含碳量高， 而且易于压裂， 因此， 山一段煤层气、 煤化气应优先开发。 山一段煤层气是研究区内优质资源， 而且是研究区内目前最重要的接替资源， 需加快勘探开发投入与开采的步伐。

5 结 论

（1） 全直径煤岩岩心CT 扫描结果显示太一段煤岩高角度天然裂缝不发育、 顺层天然裂缝较发育， 山一段煤岩高角度天然裂缝非常发育， 天然顺层裂缝几乎不发育。 煤岩结构复杂， 纵向非均质结构交替变化， 大部分微裂缝、 洞限定在脆性较强的纹层中。

（2） 太一段、 山一段煤岩相对比， 太一段煤岩天然裂缝不甚发育， 塑性程度高， 不利于压裂改造， 山一段煤岩天然裂缝发育， 脆性程度高， 易于压裂改造。

（3） 在煤层气生成量一定的条件下， 孔、 缝为煤层气提供了有利的储集空间， 且利于其富集。煤岩储层CT 扫描综合结果表明山一段煤层气具备了优先开发的基本条件。