雨汪井田超压含煤地层孔隙特征及孔隙体积模量演变规律

车玉燕邹冠贵殷裁云曾葫佘佳生

1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083;3.华能煤炭技术研究有限公司,北京 100070

煤是一种结构复杂的多孔物质,其孔隙特征与所含煤层气的扩散、吸附和解吸等作用过程直接相关。因此,煤的孔隙特征是研究煤层储集层的最佳表征[1]。超压是指地层中孔隙流体的压力明显高于同一深度的静水压力。从超压地层中采集到的煤样就是超压煤样。异常压力的研究对了解煤矿中的能量特征,评价煤矿形成的条件及安全开采、保护煤层气等方面,具有极为重要的意义。超压含煤地层的孔隙研究是含煤地层分析与研究中不可或缺的一部分,在煤田及煤层气资源勘探与开发中发挥着重要作用。

自20世纪中叶以来,异常地层压力的研究一直是煤及煤层气勘探开发的重点和难点。前人在超压成因和预测等方面开展了一系列的研究[2-7]。

异常高压会引起多种工程问题,包括井喷、井壁失稳和钻井液循环漏失等,进行超压预测对钻井工程的安全及其效益十分重要。目前,国内外对地层压力进行预测的方法种类繁多。王鸿升[8]概括了3 类具体方法,其本质都是先构建有效应力与地震波速度之间的相互关系,然后利用有效应力原理来估算实测地层压力。刘宇坤等[9]根据预测压力所需资料也将预测方法划分为3 类:第一类是直接利用等效泥浆密度、钻杆测试(DST)、电缆测试(RFT)以及反映岩石可钻性的dc 指数等数据来检测孔隙地层压力,但这些方法很难获得纵向和较大的平面面积的压力数据[10];第二类主要基于测井获得的地震波纵向速度和电阻率等数据以及与超压直接相关的测井曲线来计算孔隙流体的压力[11];第三类主要是使用地震数据,基于测井对异常高压的响应,利用地震速度谱和波阻抗等对超压具有明确响应的物性参数来预测异常的孔隙流体压力[12]。近年来,研究煤的孔隙特征已成为煤层气储层评价开发的基础性工作。孟召平等[13]根据煤的全应力-应变-渗透性-声发射特征,将煤的变形破坏过程分为3 个阶段,即孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段。结果发现,煤的轴向破坏荷载、有效弹性模量和残余强度均随围压的增高而增大,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率均随着围压的增加而降低。李贤庆等[14]综合运用多种实验方法研究了黔北地区下古生界储层孔隙特征,结果发现,微孔(孔径小于2 nm)和介孔(孔径2～50 nm)为黔北地区下古生界页岩气储集的主要载体,孔隙形状为平行壁的狭缝状孔、两端开口的管状孔和墨水瓶状孔。宋金星[15]通过压汞实验分析了构造变形对孔容、孔比表面积和孔隙结构的影响,认为微孔孔容和比表面积的变化阶段与煤化跃变具有相似的演化规律。王博[16]通过压汞实验发现,雨汪区块煤层孔隙以小孔和微孔为主,孔隙连通性好、吸附性强、储气能力好、渗透性差。刘树根等[17]系统分析了储层孔隙的非均质性和连通性,发现典型超压储层孔隙具有多重分形特征。

根据国际纯粹与应用化学联合会的定义,将孔径小于2 nm 的孔隙定义为微孔,将孔径大于50 nm 的孔隙定义为大孔,介于2 nm 和50 nm之间的孔隙定义为介孔。

雨汪煤矿地处云南的山区,地形高差大,地层倾角陡,煤层薄,地质情况复杂。研究区含煤地层属于微透水和弱富水层,在垂向上中浅部含煤地层具有较弱的封闭性以及相对活跃的水动力条件,深部则具有较强的封闭性以及相对较弱的水动力条件,形成超压地层。本文使用CT 扫描技术与低温液氮吸附实验获取雨汪超压煤样的部分孔隙特征参数,分析超压煤层孔隙特征;以干燥岩石的等效可压缩性为理论基础,通过改变围压测纵横波速度,研究煤样孔隙体积模量的变化规律。

1 异常地层压力

存在于静水压力与围压之间的偏差压力即为异常高压,如图1所示[18]。

图1 压力与埋藏深度关系示意图Fig.1 Schematic diagram of the relationship between pressure and burial depth

本次研究的煤样采集于地下500 m 深处,地层水密度取1.04 g/cm3,上覆沉积物平均密度取2.5 g/cm3。由静水压力定义可得ph=5.2 MPa,而实际的孔隙压力在6～8 MPa 之间。据鞠玮等[19]对滇东雨汪区块现今地应力进行研究获得的剖面图可知,有效应力为6～7 MPa。由围压的定义可得pr=13 MPa。

1.1 地层压力的分类

孔隙压力的大小通常有两种表达方式,即压力梯度和压力系数。国内通常用压力系数表示。压力系数是指该点实测地层压力与同一深度静水压力的比值。压力系数消除了对压力测试存在影响的因素——深度,因此它是用来划分压力场类型的最佳参数。

不同国家和地区对异常压力的划分标准并不相同。国外将地层压力分为4 类:压力系数小于0.96为低压异常,压力系数介于0.96～1.06 之间为常压,压力系数介于1.06～1.2 之间为高压异常,而压力系数大于1.2 时称为超高压异常。国内学者杜栩等[20]也将其分为了4 类,其中低压异常与常压的划分标准相同,而将压力系数介于1.06～1.38 之间称为高压异常,将压力系数大于1.38 时称为异常高压。根据中国中西部前陆盆地超压的分布特点,大家普遍接受将地层压力分为负压、常压、超压和强超压4 类(表1)。

表1 地层压力分类标准Table 1 Formation pressure classification standard

雨汪区块整体地应力较高,属于高地应力发育区。同时,该区块发育多煤层叠置含气系统,地层内部发育多层渗透性较低的泥岩作为分界,造成地层内部压力系数随着深度的增加呈现波动现象,超压与欠压地层均有发育[21]。研究区中含煤地层的储层压力系数平均值为1.305,地层压力梯度较大,为8.8～15.5 kPa/m,总体为超压储层。深部储层压力高于浅部。在大约500 m 深处出现转折,当深度大于500 m 时,储层压力激增,超过8 MPa。这是由于地层深部发育泥岩地层作为分隔层形成封闭系统,造成储层压力突然性增大。

1.2 超压形成机理

通过分析雨汪煤矿现今煤储层压力分布特征,对煤层异常高压影响因素进行综合分析发现,构造作用是本区异常高压形成的最主要因素,其次是烃类的生成作用和欠压实作用。

1.2.1 构造作用

雨汪井田位于扬子淮地台西南边缘,滇黔凹陷褶皱束,云南山字型构造第二道弧(石屏建水弧)滇东台褶带与黄泥河反射弧交汇处内侧。区域构造处于压扭性弧岛状构造带上,富源—弥勒断裂带和阿岗—弥勒断裂带及南盘江断裂之间;褶皱及断裂发育,并具有西南收敛、北东旋扭散开的特点。如图2所示,工作区共发现断层9 条,F426断层由井田西南角向东北及东部呈弧形伸展,构成了井田的西部和东南部的边界,断层断距随断层延伸方向变小,并在井田的东部尖灭。井田内断层以北东走向为主,有北西向的横断层和由北东转北西的弧形断层,主要分布在井田边缘。

图2 研究区断层分布Fig.2 Fault distribution in the study area

断裂、褶皱等构造运动产生的围压导致地层发生形变,使地层的孔隙体积减小。孔隙中流体数量不变,体积减小必然导致孔隙内部压力增加,从而形成异常高压。

1.2.2 欠压实作用

研究区煤层顶板主要是泥质岩层,厚度大,一般超过40 m,且内部断裂较少,具有良好的圈闭条件,储层流体富集。欠压实作用使内部流体额外承受上覆地层的压力而出现孔隙流体压力高于对应静水压力的现象,也就是异常高压现象[22]。

1.2.3 有机质的生烃作用

井田位于老厂矿区四勘区南西部,煤类属无烟煤,镜质组反射率在3% 左右。在沉积作用进行时,高变质程度的煤使得煤层中有大量的甲烷生成,孔隙内流体体积增加,但是整个矿区的渗透率普遍较低,生成的烃类气体造成储层内部流体孔隙体积膨胀,形成了异常高压地层。

2 超压煤岩孔隙特征分析

为了探究煤微观孔径分布特征和孔隙结构,采用CT 扫描技术和低温液氮吸附实验对雨汪超压煤样进行研究。建立并证实孔隙结构特征与岩石宏观表征之间的联系,在解决煤层气开采、煤矿开发等地质工程问题中具有不可替代的地位[23]。

2.1 样品制备

雨汪井田隶属于云南滇东雨汪能源有限公司,位于富源县老厂煤矿区四勘区西南部,属富源县十八连山乡及老厂乡管辖。本实验所用的煤岩样品均取自云南雨汪煤矿C3煤,该煤层位于上二叠统龙潭组(P2l),为单一结构,厚度稳定,以薄至中厚煤层为主,煤质好,以亮煤为主,基本全区可采。

实验样品加工制备按照测试仪器的实验要求进行,将采集的煤岩样品制作成标准的圆柱体。

2.2 CT 扫描

以云南雨汪矿区超压煤岩为研究对象,将CT扫描技术与Avizo 软件相结合,重建三维数字岩芯模型,用来表征超压煤层煤岩的孔隙特征。

2.2.1 CT 图像预处理

使用Avizo 软件打开数据体,对其进行裁剪以方便运算和针对性研究,对裁剪后数据体先进行中值滤波再进行阈值分割获取孔隙体积范围;最后对分割后的数据体进行孔隙网络构建,用以分析煤样孔隙特征。

2.2.2 孔隙尺寸分布

超压煤样中的大部分孔隙是连通的,为了分析孔隙特征,应当将连通的孔隙进行分割。在Avizo软件中通过Generate Pore Network Model 模块将相连接的孔隙分割为单独的对象,分割结果如图3所示。再通过Label Analysis 模块对分离后的每一个孔隙的半径进行统计,样品的孔径累计分布频率如图4所示。通过观察,发现煤样微孔与介孔都较发育,其中介孔对孔隙率的贡献最大。

图3 孔隙空间分割结果Fig.3 Pore space segmentation results

图4 孔容分布曲线Fig.4 Pore volume distribution curve

2.3 液氮吸附实验

研究煤岩孔隙结构特征的方法有多种:光学显微镜可以直接观测到一些较大的孔隙,借助图像分析技术还可以测量孔径,操作十分简单,但是其放大倍数有限,获得的有效信息较少;扫描电子显微镜和透射电子显微镜更适合用来直接观测介孔;低温液氮吸附法最小可以测量孔径为0.35 nm 的孔隙[24]。

2.3.1 方法原理

利用氮气的等温吸附特性,通过低温液氮吸附实验来测量煤孔隙的孔容-孔径微分分布。让氮气呈液态,缓慢进入煤样,使其达到饱和吸附状态。煤样对氮分子吸附量仅取决于相对压力p/p0,测定不同压力条件下的吸附量或脱附量获得等温吸脱附曲线,就可以根据BET 和BJH 理论模型计算得出煤样的孔容-孔径微分分布曲线[25]。

国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)提出的物理吸附等温线划分类型如图5所示[26]。其中,H1型通常形成于细小的、分布较为均匀的球形和圆柱形孔隙中;H2 型滞后环的形成是由于孔道连通效应,即孔道存在狭窄的孔口(墨水瓶形);H3 型滞后环则通常形成于狭缝型孔隙,在相对高压力区不表现出任何限制吸附的现象;H4 型等温吸附曲线中的吸附滞后环趋势呈水平形态,并且等温吸附曲线中滞后环呈扁平形态,存在于高压区[27]。

图5 标准等温线类型(IUPAC)Fig.5 Standard isotherm type (IUPAC)

本次实验采用JW-122F 型静态氮吸附仪获取等温吸脱附曲线及孔容-孔径微分分布曲线。

2.3.2 实验数据分析

对超压煤样进行液氮吸附实验测试,得到等温吸脱附曲线如图6所示。由图6可见,2 个超压煤样的吸附曲线在饱和蒸气压附近均很陡。与IUPAC 物理吸附等温线类型对比,测试所得的吸脱附曲线S3-1 回线特征与H1 型较为相近,而S1-3 回线特征与H3 型较为相近。有明显的迟滞回线,说明有两端连通的孔,很小的迟滞回线则说明孔隙类型为半开孔。

图6 超压煤样等温吸脱附曲线Fig.6 Isothermal adsorption and desorption curves of overpressured coal samples

煤岩的孔隙一般都呈现不规则的形状,孔隙的体积大小也是各不相同的。通常用不同孔径范围内的孔体积分布参数对其进行表征[28]。根据等温吸附实验获取的煤岩孔径分布如图7所示,可以看出,超压煤岩孔隙体积中以介孔(2～50 nm)为主,兼有大孔。

图7 孔容-孔径微分分布曲线Fig.7 Differential distribution curve of pore volume-pore diameter

3 超压煤岩孔隙体积模量

假设存在一个均匀线性弹性介质,其内部包含任意形状和数量的孔隙。这种多孔介质的干燥等效可压缩性(干燥体积模量的倒数)可以写成:

式中,Kdry为干岩石体积模量,GPa;K0为固体矿物介质的体积模量,GPa;φ为孔隙率,%;VP为孔隙总体积,cm3;为孔隙体积对外加静水应力的导数。

在完全弹性的理想条件下,式(1)是严格成立的,对其稍作变形,可以写成:

式中,Kφ为干燥孔隙空间的刚度或干燥孔隙体积模量。

同样,饱和岩石的可压缩性Ksat可以写成:

式中,为饱和岩石孔隙体积模量;Kfl为孔隙流体体积模量[29]。

3.1 孔隙率测量

本实验采用波义尔双室定律法对煤样孔隙率进行测试,测试的适用气体为氦气,测试的实验设备为实验室自制的孔隙度仪(图8)。

图8 孔隙度仪Fig.8 Porosimeter

煤的孔隙率定义为煤中孔隙所占的空间与煤总体积之比。利用波义尔双室定律求取孔隙率的原理为:一定物质的量的理想气体,气体的体积与其所处的温度成正比,和其绝对压力成正比,即

式中,p0为初始绝对压力,Pa;p1为平衡后的绝对压力,Pa;V0为初始气体体积,cm3;V1为平衡后气体体积,cm3;T0为初始温度,K;T1为平衡后的温度,K。

参数标定实验可获得参考室体积V1、样品室体积V2、铝块体积V铝,根据测量数据得到煤样的表观体积Vb:

式中,D为煤样直径,mm;L为煤样高度,mm。

由波义尔定律可得:

根据公式(6)可以得到煤样的骨架体积Vg:

从而得到煤样孔隙率φ:

根据以上基本原理和计算方法,测试所得煤样孔隙率见表2。

表2 超压煤岩孔隙率测试结果Table 2 Overpressure coal rock porosity test result data

3.2 固体矿物介质体积模量

用理论方法准确预测煤样固体矿物介质的等效弹性模量时,一般需要的信息有:各成分的体积分数、弹性模量和相互组合的几何细节[31]。如果只知道前两者,只能预测等效体积模量上下限,而不能获取准确数值。估算模量时,Voigt-Reuss-Hill 平均最为有用。

3.2.1 矿物成分分析

X 射线衍射分析法就是把不同材料的衍射线记录下来,获取不同的X 射线衍射图谱,通过对比分析样品的衍射图谱,解读样品的不同属性特征。比如煤样的元素组成、元素的电子结构、晶体结构、构造、晶粒大小、结晶程度等[32]。实验获取超压煤岩的矿物成分见表3。

表3 组成超压煤岩矿物质量分数Table 3 Composition of overpressure coal and rock mineral mass fraction %

组成煤样的各矿物成分的密度和体积模量,本实验直接引用岩石物理手册中的数值(表4)。

表4 超压煤岩中的矿物密度和体积模量Table 4 Density and bulk modulus of minerals in overpressure coal and rock

根据表3的各矿物的质量分数可计算出组成煤岩的各矿物的体积分数(表5)。

表5 组成超压煤岩矿物体积分数Table 5 The volume fraction of minerals that make up the overpressure coal rock

根据Voigt-Reuss-Hill 理论,求得煤样中灰分的体积模量为13.612 GPa。

3.2.2 工业成分分析

煤样工业成分分析结果见表6。

表6 煤样工业成分分析结果Table 6 Industrial composition analysis results of coal samples %

有机质体积模量取5 GPa[33]。根据工业成分分析结果,可以进一步求取煤岩的平均体积模量为K0=6.13 GPa。

3.3 等效孔隙体积模量

上覆地层压力和地层中流体所形成的压力是地层中始终存在的,二者均对地层的速度产生影响。煤层演变时间漫长,总体来说随着时间的推移,煤层所受压力呈逐渐上升趋势,故本实验以煤层所受压力为因变量,研究超压煤岩的纵横波速度及孔隙体积模量演变规律,实验结果如图9所示。

图9 不同围压下煤样的纵横波速度曲线Fig.9 P-wave and S-wave velocity curves of coal samples under different confining pressures

由图9可以看出,所有煤样传播的纵横波速度均随围压的增大而增大,压力相对低的增加速率明显高于压力相对高的,不是呈线性关系。

介质的弹性决定了地震波在介质中的传播速度。根据弹性力学理论,干岩石体积模量与纵横波速度存在如下关系:

式中,Kdry为干岩石体积模量;vPdry为干岩石纵波速度;vSdry为干岩石横波速度。

对4 块实验样品分别进行测量,获取平均密度ρ=1.438 g/cm3。将其与实验所得的数值代入公式(8)中,可得煤样在不同压力下的干岩石体积模量Kdry值(表7)。

表7 不同围压条件下Kdry 值Table 7 Kdry value under different confining pressure conditions GPa

根据式(2)可以得到干岩石孔隙体积模量Kφ的表达式:

已知平均孔隙率φ=10.57%,固体矿物介质平均体积模量K0=6.13 GPa。将不同围压条件下的Kdry值代入公式(9)中,可得不同围压条件下孔隙体积模量Kφ的变化情况,结果如表8、图10所示。

图10 干岩石孔隙体积模量随围压变化曲线Fig.10 Variation curve of dry rock pore bulk modulus with confining pressure

表8 不同围压条件下的干岩石孔隙体积模量Kφ 值Table 8 Dry rock pore bulk modulus Kφ value under different confining pressure conditions GPa

可见,在围压值处于负压及常压阶段(≤15 MPa),随着围压的增大,孔隙体积模量增加较为明显;在达到超压及强超压阶段(＞15 MPa),由于孔隙闭合,煤样孔隙体积模量随围压的增大,变化速率减小。

对于饱和岩石有效孔隙体积模量,低频Gassmann-Biot 理论提出了如下公式:

假定煤孔隙中充填理想的水和瓦斯,其中水的体积模量取2.38 GPa,瓦斯的体积模量取0.02 GPa[34],可以根据表9数据和式(10)得到饱和岩石有效体积模量Ksat(表9)。研究发现,对任一围压条件下的煤样,饱和体积模量均先随着含水饱和度的增加而小幅度增加,而当水饱和度大于90%时迅速增加。

表9 样品Ksat 随含水饱和度的变化Table 9 Change of Ksat of sample with water saturation GPa

将已知参数平均孔隙率φ=10.57%、固体矿物介质平均体积模量K0=6.13 GPa 以及不同围压条件下不同煤样的Kdry值,代入式(11)可得不同围压条件下饱和煤岩的孔隙体积模量随含水饱和度产生的变化关系,如图11所示。

由图11可以看出,对于任一围压条件下的双相流体饱和(水、瓦斯)煤岩,其孔隙体积模量在含水饱和度小于90% 时,基本上与含水饱和度无关;但当含水饱和度达到90% 之后,孔隙体积模量随含水饱和度的增加而迅速增加。含水饱和度相同时,煤岩的饱和孔隙体积模量随围压的增加而变大。

图11 煤样饱和孔隙体积模量Fig.11 Saturated pore bulk modulus of coal samples

4 结 论

本文选取云南雨汪矿区超压煤样,结合CT 扫描技术和液氮吸附实验研究方法,分析了雨汪超压煤样的孔隙特征。基于Gassmann 模型的机理,推导了不同围压条件下的超压煤样孔隙体积模量。主要研究结果如下:

(1) 煤样不同孔径段孔隙占比不同,其中介孔占比最高,孔形主要以圆柱体孔为主。

(2) 地震波在煤样中传播的速度随着围压的增大而加快,但其和围压的关系是呈非线性的。在压力值低于10 MPa 时,由于孔隙闭合效应,速度对围压敏感,所以煤样的波速随压力的增加较快,明显呈非线性变化;而在压力超过10 MPa 时,煤样的孔隙基本闭合,煤样波速随围压的变化呈线性、平缓变化,趋于稳定。同时,煤样的孔隙体积模量也随着围压的增大而呈非线性增加,在超压段增加速度明显慢于欠压和常压段。

(3) 含水饱和度相同时,煤岩的饱和孔隙体积模量随围压的增加而变大。在围压相同条件下,双相流体饱和煤岩的孔隙体积模量在含水饱和度小于90% 时,受其影响较小;而当水饱和度大于90%时,其影响作用迅速增加。