二连盆地群低煤阶煤储层裂隙地质建模与精细描述

刘建华，王生维，粟冬梅

(1.山西工程技术学院，山西 阳泉 045000；2.中国地质大学(武汉) 资源学院，湖北 武汉 430074；3.北京中公教育科技有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

二连盆地群霍林河盆地含煤层系是下白垩统霍林河组，探明煤炭储量131亿t，主要为褐煤，煤层埋藏深度一般在1 000 m以浅。该区煤层较厚、含气量较高，但是勘探程度较低，煤储层物性特征认识的不足极大制约了该地区煤层气的开发。煤储层中裂隙系统的发育情况直接影响煤层气的储集和渗流，关系到煤层气的生产，因此在煤层气勘探开发过程中，必须深入研究煤储层的裂隙结构特征。正确认识煤储层裂隙系统及空间结构，是指导煤层气钻井[1-3]、压裂及排采[4]，最终提高煤层气开采效率的基础[5]。

前人研究主要针对高煤阶煤储层空间裂隙发育情况，王登科等[6]利用工业CT扫描实验系统对河南安阳主焦矿和山西汾西中兴矿煤样进行了无损扫描，获取了煤样内部裂隙结构的发育程度与分布特征，结合渗流理论，建立了煤的分形渗流模型，预测煤的渗透性。尚建华等[7]以沁水盆地南部3号煤储层为研究对象分析了孔裂隙发育与高阶煤储层渗透率的耦合关系。吕帅峰等[8]通过对沁水盆地地面煤层气井的井下精细解剖，描述并统计了天然裂隙系统和压裂裂缝形态及类型，并阐明了二者之间的作用关系。张驰等[9]分析了保德煤矿8号煤层裂隙发育主方向及其与构造应力的关系,测试获得了沿主裂隙不同角度时煤样渗透率的变化规律。

基于此，以二连盆地群霍林河盆地低煤阶煤储层为研究对象，通过在露天煤矿选取典型剖面进行实例解剖，辅以光学显微镜、CT扫描等室内测试分析的研究方法，精细描述研究区煤储层裂隙系统发育特征，构建目标煤储层垂向上空间裂隙发育模型，为后续工程开发提供参考。现场解剖及试验样品采集在北露天一号矿坑(霍林河盆地Ⅳ煤组储层)和扎哈淖尔矿坑(Ⅲ煤组ⅢA煤储层)完成。据《煤岩术语》(GB/T 12937—2008)，褐煤宏观煤岩类型分为木质煤(含有10%以上木质煤)、碎屑煤(木质体、丝炭含量均小于10%)、丝炭煤(丝炭含量大于10%以上)、矿化煤(矿物质含量高)四类。

1 煤储层特征及样品采集

霍林河盆地下含煤段为该盆地的主要含煤层段，共含煤23层，经内蒙古472地质队划分组合为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个煤组(图1)，下含煤段地层厚度为300～600 m，煤层最大总厚超过90 m，含煤率为15%。研究主要涉及Ⅲ煤组和Ⅳ煤组。

图1 霍林河盆地10号勘探线沉积断面Fig.1 Sedimentary section of exploration line 10 in Huolinhe Basin

Ⅲ煤组为下含煤段中分布最为稳定的煤组，全区发育，共分为ⅢA、ⅢB、ⅢC三个分层，ⅢA、ⅢB在A15与16之间合并成为Ⅲ煤层，向西南ⅢA再次分叉为ⅢA1、ⅢA2、ⅢA3，ⅢB分层开始变薄尖灭。ⅢA煤层全区发育，在大部分地区可采，煤层稳定，结构简单或较简单，煤层厚度1～16.6 m，平均6.9 m，上距ⅡC煤层20～80 m，平均50 m。总体上，Ⅲ煤组单层厚度较大，煤层结构简单、全区发育稳定，煤层分布范围最广，在盆地北部、中部、西南部各有一个富煤中心，富煤中心处煤层厚度在20 m以上。

Ⅳ煤组为霍林河盆地煤层数最多的煤组，煤层结构非常复杂，在盆地中部为合并层Ⅳ，向浅部分为ⅣAB、ⅣC两个分层，向盆地深部又是一次分叉为ⅣA、ⅣB、ⅣC三个分层。露天西南部为Ⅳ层组合并区，煤层结构较简单、稳定，厚度1.0～27.0 m，平均4.9 m，层组合并后的最大厚度为27.0 m。Ⅳ煤组整体上分布于盆地北部、中部，成带状富集于盆地中心地带，具有2个富煤中心，富煤带煤层厚度大于20 m，富煤中心处煤层厚度大于40 m。

现场调研主要观测了霍林河盆地Ⅳ煤组储层(北露天一号矿坑)、Ⅲ煤组ⅢA煤储层(扎哈淖尔矿坑)。共采集19个样品(包括5个构造附近煤样)。北露天一号矿坑共采集Ⅳ煤组储层8个煤样(包括一个矿化煤样)，以字母“BL”开头编号；扎哈淖尔矿坑共采ⅢA煤储层煤样11个(包含5个构造附近煤样)，以字母“ZH”开头编号。具体煤岩样品说明见表1。

表1 煤岩样品Table 1 Coal rock samples

2 煤储层裂隙系统发育特征

2.1 煤储层裂隙系统划分依据

对煤中孔隙、裂隙的划分与命名有多种方案，本文采用王生维等[10]从煤层气产出特征分析的需要出发提出的适用于煤储层岩石物理研究和煤层气产出特征分析的分类与命名方案，见表2。

表2 煤储层孔隙、裂隙系统划分及术语[10]Table 2 Coal reservoir pore and fissure system division and glossary[10]

2.2 煤储层外生节理发育特征

2.1.1 北露天矿区Ⅳ组煤层外生节理发育特征

北露天矿区主要观测到霍林河下含煤段Ⅳ组煤，Ⅳ组煤是北露天矿首采区最主要可采煤层，主要以碎屑煤和木质煤为主。全矿区发育稳定，单一厚煤层，煤层结构简单，煤层厚度在10～20 m，局部有数层夹矸，顶底板以粉砂岩或泥岩为主。观测点Ⅳ煤层厚约20 m，分为上下2个部分，可见灰白色粉砂岩底板，未见顶板。

Ⅳ煤组上部，高度约8 m，主要为木质煤，未见顶板，可见夹矸4层，岩性为灰白色粗砂-砂质泥岩，局部可见褐铁矿化层状脉。主要发育两组节理：一组节理产状68°∠81°，约4条/m，开度3～5 mm，半填充，填充物为泥质，高度大于1m，穿过1～2层夹矸；另一组节理产状81°∠75°，约8条/m，开度1～3 mm，未填充，高度0.3～0.6 m，未穿过夹矸(图2)。

图2 Ⅳ煤组上分层煤层裂隙Fig.2 Group Ⅳ coal seam cracks

Ⅳ煤组下部煤层厚度10～12 m，主要为碎屑煤，层面产状为241°∠10°。见8层夹矸，夹矸厚度为10～15 cm，夹矸岩性为灰白色细砂-粉砂岩或砂质泥岩。主要发育两组的节理(图3)：一组节理产状59°∠90°，2～3条/m，开度约3～5 mm，半填充，填充物为泥质，高度为1～1.5 m，穿过一层夹矸；另一组节理产状44°∠80°，约4条/m，开度1～3 mm，未填充，高度0.35～0.5 m，未穿过夹矸。

图3 Ⅳ煤组下分层煤层裂隙Fig.3 Group Ⅳ coal seam cracks

Ⅳ煤组节理裂隙倾角在70°～80°节理占到了47%，80°～90°节理占到了53%，倾角的发育比较平均。通过煤层野外露头节理统计数据及绘制煤层露头节理走向、倾向及倾角分布玫瑰花图，揭示煤层发育NE向优势方向节理。Ⅳ煤组底板岩性主要为灰白色粉砂岩，具有纹层状层理，含黑色不规则形状颗粒状煤含有粉砂-粗砂粒序旋回，粗砂层(5～10 cm厚)。砂岩粒度变粗，至粗砂岩，含多个粒序旋回。观测点可见厚度约4 m，节理裂隙倾角在60°～70°节理占到了27%，70°～80°节理占到了64%，80°～90°节理占到了9%，发育NE向和SE向优势方向节理。

2.1.2 扎哈淖尔矿区ⅢA煤层外生节理发育特征

扎哈淖尔矿区主要观测到ⅢA煤层，观测点煤层厚约10 m，分为上下2个部分(图4)，可见顶板。煤层上部约4 m，主要为木质煤-碎屑煤，顶部往下1 m处有厚约10 cm夹矸，岩性为灰白色粗砂岩。煤层多为层理状结构，层状构造均一。外生节理较不发育，仅部分分层内发育垂直于层面的节理，层面产状318°∠12°，节理产状132°∠54°，密度60条/m，延伸约0.8 m，止于夹矸处，开度0～3 mm，填充物为泥质；产状54°∠79°，密度12条/m，延伸约大于1 m，穿过一层，开度3～5 mm，填充物为泥质。此处观测点可见流水痕迹，综合镜下观察填充物多为石英及硫化矿物，认为泥质充填物为煤层暴露后在流水作用下形成。

图4 ⅢA煤层上下部Fig.4 ⅢA coal seam upper and lower part

煤层下部约6 m节理较发育，煤层较为破碎，为碎屑煤-丝炭煤，下部约3 m处发育一层厚10 cm左右的断续发育的透镜状砂岩形成的夹矸。该观测点可见一处出露良好构造观测点，发育一小型褶皱，褶皱左翼发育节理产状84°∠38°，密度8～10条/m，可见处延伸4～5 m；垂直于节理发育大量裂隙，产状27°∠80°，密度30～40条/m；延伸至于节理。右翼发育一组共轭节理，产状99°∠81°，密度4条/m，可见处延伸4～5 m；产状68°∠54°，密度8条/m，可见处延伸2 m左右。

扎哈淖尔矿区ⅢA煤层节理裂隙倾角50°～60°节理占到了38%，70°～80°节理占到了33%，80°～90°之间节理占到了29%，主要发育NE向和SE向优势方向节理。

ⅢA煤层顶板为厚约10 m砂岩，可大致分为3层，上部为2～3 m厚的细砂-泥岩，中间为1～1.5 m厚的泥岩，下部为5～7 m厚的中砂-粗砂岩。上部发育节理，产状为120°∠90°，4条/m，长度5 m左右；下部发育节理，产状115°∠75°，1条/m，长度3～4 m。

2.2 煤储层内生裂隙发育特征

2.2.1 北露天矿区Ⅳ煤层内生裂隙发育特征

Ⅳ煤层上部内生裂隙在条带状、透镜状木质体中发育，密度在1～4条/cm，延伸高度限于木质体层厚，多在0.5～1.5 cm，裂隙面较平坦，少见无机矿物充填。Ⅳ煤层下部内生裂隙在条带状、透镜状木质体中发育(图5a)，密度多在2～3条/cm之间，延伸高度限于木质体层厚，多在0.3～0.8 cm，裂隙面较平坦，少见无机矿物充填。研究区褐煤为高全水分煤，煤岩样品采出后水分挥发，会造成内生裂隙扩展，不仅裂隙密度有所增大，延伸高度也会增加，出现不同层面或透镜状木质体中内生裂隙联通现象(图5b)。

2.2.2 扎哈淖尔矿区ⅢA煤层内生裂隙发育特征

ⅢA煤层上部内生裂隙在条带状、透镜状木质体中发育(图6a)，密度在1～5条/cm之间，延伸高度限于木质体层厚，从0.1～0.5 cm，裂隙面较平坦，少见无机矿物充填。ⅢA煤层下部内生裂隙在条带状、透镜状木质体中发育，密度多在1～2条/cm，延伸高度限于木质体层厚，从0.1～0.5 cm，裂隙面较平坦，少见无机矿物充填。内生裂隙在剖面上发育特征，在条带状、透镜状木质体中近乎垂直于层面平行发育，在平面发育上呈矩形网状-平行状特征。矩形网状内生裂隙中面裂隙密度大于端裂隙，二者近直交，有助于提高煤储层渗透性，且渗透性各向异性不明显。平行状内生裂隙反应局部端裂隙不发育，仅面裂隙发育，对渗透率的贡献具有各向异性，沿裂隙发育方向为优势方向。同时可见层面上内生裂隙出现弯折现象(图6b)，推测因为该样品取自断层下盘煤储层，受到构造挤压作用。

图6 ⅢA煤内生裂隙Fig.6 ⅢA coal endogenous cracks

2.3 煤储层微裂隙系统发育特征

在微观尺度下识别的微裂隙按照其延展性和开放性，可从实用角度划分为A、B、C、D四类[11]。

2.3.1 霍林河盆地煤储层微裂隙系统发育特征

ⅣA煤中微裂隙非常发育，主要为张裂隙，微裂隙的发育受煤岩内部成分均一性的制约，一般不切过残留的细胞腔，也不穿过不同显微组分纹层，通常发育于镜质体中及煤不同显微组分微层理边界(图7)，微裂隙延伸在104～107nm级，裂隙开度约在103～105nm级，基质孔隙与裂隙系统的连通性较好，利于煤层气的运移。

表3 煤储层微裂隙实用分类[11]Table 3 Practical classification of coal reservoir micro-fractures[11]

图7 Ⅳ煤组BL07煤岩光片(微裂隙)Fig.7 Group Ⅳ BL07 coal rock light sheet (micro crack)

镜下常见无机矿物充填微裂隙，可见宽度1～10 μm级石英脉充填微裂隙，且常见沿充填石英脉发育的裂隙(图8)。ⅢA煤中微裂隙比较发育，主要为张裂隙，微裂隙也具有发育于镜质体中及煤不同显微组分微层理边界的特征，微裂隙延伸在104～107nm级，裂隙开度在103～104nm级，基质孔隙与裂隙系统的连通性较好，利于煤层气的运移。

图8 Ⅳ煤组BL06煤岩光片(微裂隙充填石英脉)Fig.8 BL06 coal rock light sheet of group Ⅳ coal (micro-crack filling quartz veins)

镜下常见无机矿物充填微裂隙，石英脉主要充填不同显微组分微层理边界裂隙，部分半充填垂直于显微组分微层理发育的裂隙(图9)。且ⅢA煤多见疏松多孔丝炭层，植物细胞残留孔隙和基质孔隙发育(图10)。ⅣA煤煤储层的显微裂隙为22～157条/cm2，平均78条/cm2，ⅢA煤煤储层的显微裂隙为25～152条/cm2，平均63条/cm2，研究区的显微裂隙总体较高，在4中裂隙类型中，主要发育D型微裂隙，B型、C型显微裂隙次之，A型发育较少，或不发育，其中D类裂隙数量超过其他三类总和。显微裂隙的发育程度具有双重性，适度的发育的显微裂隙，且定向性和连通性好，会增加煤储层的渗透性；过度发育的显微裂隙，且定向性和连通性差，会使煤体结构破碎，降低煤储层的渗透性。此外，显微裂隙被无机矿物充填，会大大降低渗透性。研究区微裂隙发育具有较好定向性，主要为张性裂隙，开度较大，有利于增加煤储层的渗透性。但同时研究区煤层矿物充填比例17.13%～68.10%，平均47.58%，充填比例较高，不利于增加煤储层的渗透性。

图9 ⅢA煤ZH03煤岩光片(微裂隙)Fig.9 ⅢA coal ZH03 coal rock light sheet (micro crack)

图10 ⅢA煤层丝炭煤多孔结构Fig.10 ⅢA porous structure of silk-carbon coal

2.4 煤储层CT成像特征

2.4.1 霍林河盆地煤样三维重建图像

霍林河盆地ⅣA煤组(图11a、图11b)裂隙和孔隙在煤某些呈透镜状或层状平行于层面的组分中集中，图11中深蓝色部分显示空隙，可能为内生裂隙发育的透镜状木质体分层，也可能为孔隙发育的丝炭层。图中红色～黄色部分表示无机矿物含量高，代表被无机矿物充填的裂隙或孔隙。其他浅蓝-绿色部分，则代表孔隙和裂隙不发育的煤基质部分。ⅢA煤组红色～黄色占比较高(图11 c、图11d)，表明ⅢA煤组无机矿物充填度较高，此外从红色的平行于层面方向呈层状分布来看，无机矿物充填具有分层分布的特征[12-18]。

图11 CT扫描三维重建(箭头指示平行层面方向)Fig.11 CT scan three-dimensional reconstruction map (arrows indicate parallel plane direction)

2.4.2 霍林河盆地煤储层CT值统计分布特征

CT值与原子序数有关，与密度正相关。常规水CT值为0。姚艳斌等[12]研究认为不同煤质或不同煤岩显微组成的样品可能具有不同的CT 数分布特征，但是一般情况下煤中的矿物、有机基质和空隙的 CT 数大都具有固定的分布区间，且分别为3 000 HU左右、1 000～1 800 HU和<600 HU。从本次试验结果来看，褐煤CT值不适用于上述分类，明显偏小，CT值在-100～600 HU，多集中于100～300 HU。

CT值分布为均匀平缓曲线，代表该断面孔裂隙及无机矿物充填均有发育；CT值近似呈正态分布曲线分布，代表CT值在某一数值比较集中，如果这一数值偏大，即该断面无机矿物充填占优势，反之偏小，代表该断面孔裂隙发育占优势。

研究区CT值统计分布图分为比较典型的3种(图12)。A类CT值统计分布图表现为断面CT值分布变化较大，无明显峰值，代表煤岩样品层面上非均质性较强，孔裂隙发育情况及无机矿物充填程度变化较大(图12a)。B类CT值统计分布图具有一个明显的峰值，代表煤岩样品非均质性较弱，如图12b所示，CT值均集中于400 HU左右，整个曲线分布来看CT值分布集中偏大，表明该煤样孔裂隙不发育或无机矿物充填度较大。

C类CT值统计分布图有明显峰值，但是峰值变化较大，代表煤岩样品剖面上非均质性较强，孔裂隙发育情况及无机矿物充填程度变化较大。如图12c所示，前半部分峰值集中在150 HU左右，表明该煤样前半部分孔裂隙发育且基本未被无机矿物充填，后半部分峰值集中在200～250 HU，表明该煤样后半部分孔裂隙不发育或无机矿物充填度较大。

图12 霍林河盆地煤储层CT值统计分布特征Fig.12 Characteristic map of CT distribution of coal reservoirs in Huolinhe Basin

3 煤储层地质裂隙发育模型

3.1 Ⅳ煤组裂隙系统垂向上空间裂隙发育模型

霍林河盆地Ⅳ煤组解剖剖面位于Ⅳ煤组合并带，Ⅳ煤组外生节理发育(图13)，密度1～6条/m不等，多为3～4条/m，延伸高度1～4 m，多1 m左右和3～4 m，开度多为3～5 mm，节理发育优势方向为NE向；内生裂隙非常发育，主要为木质体中垂直于层面发育张性裂隙，密度多在2～3条/cm，延伸多在0.5～1.5 cm，少见无机矿物充填；微裂隙总体较发育，平均78条/cm2，具有较好定向性，主要为张性裂隙，开度较大，有利于增加煤储层的渗透性。煤层矿物充填比例变化较大，总体较高，不利于增加煤储层的渗透性。从CT三维重建同样可以看到Ⅳ煤组孔裂隙在煤的透镜状或层状组分中集中，且CT值偏小，为50～250 HU，集中在100～200 HU，整体孔裂隙发育，无机矿物充填较ⅢA煤少。

图13 Ⅳ煤组煤储层裂隙系统特征Fig.13 Characteristics of fracture system of group Ⅳ coal reservoir

3.2 ⅢA裂隙系统垂向上空间裂隙发育模型

ⅢA煤外生节理发育(图14)，密度5～10条/m不等，多为6～8条/m，延伸高度1～5 m，多为2～3 m，开度多为3～5 mm，节理发育优势方向为SE向和NE向；内生裂隙发育，主要为木质体中发育张性裂隙，密度多为1条/cm左右，延伸0.1～0.5 cm。显微裂隙较发育，平均63条/cm2，具有较好定向性，主要为张性裂隙，开度较大，有利于增加煤储层的渗透性。煤层矿物充填比例较高，平均53%，不利于增加煤储层的渗透性。从CT三维重建可以看到ⅢA煤无机矿物充填度较高，且无机矿物充填具有分层分布的特征，CT值分布变化较大，-100～500 HU均有分布，CT值分布类型也比较多样，主要为A类和B类，整体孔裂隙较发育，但无机矿物充填较多。

图14 ⅢA煤储层裂隙系统特征Fig.14 Characteristics of fracture system of ⅢA coal reservoir

ⅢA煤煤储层野外观察到一处产状76°∠31°，断距约3 m，充填泥岩-细砂岩岩性的断层角砾岩，贯穿煤层与围岩的断层。受断层影响，上盘煤储层发育小型褶皱(图15)。

图15 断层附近ⅢA煤储层裂隙系统特征Fig.15 Characteristics of fracture system of ⅢA coal reservoir near fault

断层上盘煤储层外生裂隙密度10～15条/m不等，内生裂隙密度多为2～3条/cm，明显较受断层影响较小的煤储层更为发育。且外生节理产状受到局部褶皱控制变化较大，内生裂隙发育形态也受到影响，原来的平行状和矩形网状内生裂隙局部发生变形弯曲。显微裂隙发育情况受断层影响较小，主要为具有较好定向性的张性裂隙，未见雁行状、“X”状剪性裂隙。煤层矿物充填比例受断层影响较小的煤储层略高，平均57%。

4 结 论

1)霍林河盆地煤储层大裂隙系统及微裂隙均表现出良好定向性，外生节理倾角多近乎直立，内生裂隙及微裂隙多垂直于层面发育。显微裂隙主要为原生张性裂隙，未见具有构造特征的剪性裂隙。大裂隙系统少见充填，微裂隙充填度较大，在40%～50%左右，储层连通性整体较好。外生节理发育的程度与方向、内生裂隙形态特征受构造影响明显，但微裂隙发育程度主要受煤岩组分影响，受构造影响不明显。

2)煤CT三维重建特征表明无机矿物充填空隙和未被充填空隙都具有分层分布特征，Ⅳ煤组整体孔裂隙发育，无机矿物充填较ⅢA煤少。

3)霍林河盆地Ⅳ煤组解剖剖面位于Ⅳ煤组合并带，Ⅲ煤组解剖剖面位于Ⅲ煤组初次分岔ⅢA煤处，受附近小微构造发育影响，ⅢA煤储层大裂隙系统较Ⅳ煤组略发育，微裂隙较为发育。