大宁-吉县区块深层煤岩多尺度孔缝结构特征

2022-11-22杨秀春宋柏荣陈国辉赵浩阳

特种油气藏 2022年5期

杨秀春,宋柏荣,陈国辉,何睿,赵浩阳,杨潇

(1.中国石油煤层气有限责任公司，北京 100028；2.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京 100095；3.中国石油辽河油田分公司，辽宁盘锦 124010；4.北京润泽创新科技有限公司，北京 100120)

0 引言

中国深层煤层气资源丰富，是煤系气勘探的新领域，鄂尔多斯盆地临兴地区、新疆五彩湾地区试采取得了工业气流，大宁-吉县区块开展先导试验并获得高产，这表明深层煤层气勘探开发具有巨大的潜力。深层煤岩孔隙识别、全方位定量表征是认识深层煤优质储层分布的关键，同时也是研究煤层气赋存和渗流机理的关键因素。目前，国内外研究煤层孔缝结构的实验方法很多，常见方法有压汞、低温液氮吸附[1-2]、扫描电镜[3-5]、X射线计算机层析扫描[6-9]及核磁共振[9]等。压汞实验的高压条件会对煤孔隙造成人为破环；低温液氮吸附实验只能测得较小的孔径(主要为纳米孔)分布范围[2]；扫描电镜实验获得的图像视域小且代表性有限，无法实现全面的定量计算；X射线计算机层析扫描，也仅停留在某一单一尺度；核磁共振实验仅能获得孔缝结构二维信息。上述方法均存在单一性和片面性的问题。因此，首次提出利用多尺度数字岩心拼接技术实现煤岩全孔径孔隙结构特征的定量描述，先通过全直径CT扫描实现毫米和微米孔缝识别与计算，再利用微米、亚微米级CT扫描及纳米级电镜扫描完成微米孔缝及纳米孔的识别和定量计算，最后利用多尺度数字岩心扫描技术，完成煤岩全孔径孔隙结构表征。该技术具备无损化、三维表征的独特优势，极大程度保留了储层孔缝原始特征。该文以鄂尔多斯盆地大宁-吉县区块深层8号煤层为研究对象，应用多尺度数字岩心拼接技术，完成煤储层孔缝结构多尺度定量分析及可视化表征，确定优势储层段，并与气测录井相结合，实现了煤层气压裂选层，以期为该地区煤勘探提供了技术支撑。

1 实验样品

煤样选自鄂尔多斯盆地大宁-吉县区块太原组8号煤层，厚度为4.0～12.0 m，平均厚度为7.8 m；宏观煤岩类型为亮煤、镜煤，显微组分以镜质组为主，平均含量为65%，最高可达95%；其次为惰质组，平均含量为20%左右，具有低水分、灰分、挥发分特点。煤岩演化程度较高，Ro为2.19%～3.02%，含气量为22～33 m3/t，孔隙度为2.35%～6.11%，渗透率大部分小于0.05 mD。选取6口典型井(H12、H13、H14、H15、D54、D20)，样点埋藏深度为2 000～2 500 m。对8号煤层进行全直径CT扫描实验，在此基础上，钻取10颗煤岩柱塞样品用于微米CT扫描、纳米FIB扫描电镜、场发射扫描电镜等实验。

2 实验方法

煤岩储层是具备孔隙和割理双重系统的复杂介质，为更加准确地对煤岩储层进行定量研究[10]，开展了多种尺度组合的扫描分析。

2.1 CT扫描实验

X射线CT扫描的全称是X射线计算机层析成像技术。其原理为X射线以360 °全角度扫描岩心时，基于样品内部物质对X射线的吸收系数不同，即样品矿物组成的密度不同，在探测器上形成灰度值不同的投影图像，利用专业软件对图像进行三维重构处理，从而建立全直径岩心的三维数字模型，并得到相关的定量数据。

2.2 聚焦离子束扫描电镜实验

聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)，是用离子束对样品抛光面进行轰击，产生二次离子以及二次电子来成像，可以获取纳米级分辨率的三维结构特征[11]。按照切割小块样品、打磨光滑面、氩离子抛光仪进行抛光、喷镀导电层的步骤制成氩离子抛光样品，将制样放置在样品台上进行观测。选取感兴趣区域进行切割，每切割一次形成一张切片图像，连续切割几百次后，得到一系列SEM图像，从而形成三维结构模型。

3 煤岩数字岩心孔缝结构多尺度表征

3.1 煤岩多尺度孔-缝类型

通过全直径CT扫描实验、微米CT扫描实验、FIB-SEM扫描电镜实验以及煤岩光片分析等技术手段，得到全直径CT扫描宏观毫米裂缝-割理发育图，煤岩显微光片、微米CT微米孔缝发育图和煤岩扫描电镜纳米孔发育图(图1～3)。由图1～3可知，深层煤岩具有多尺度孔缝发育特征，发育宏观尺度毫米级外生裂缝、内生割理、微米尺度孔缝以及纳米孔隙。研究表明[12-17]：宏观毫米级的高角度裂缝和割理发育为气体大规模运聚提供了优势的渗流通道，是煤层气开发生产的主要渗流通道；微米级孔缝组合为小规模的气体扩散及渗流提供条件，主要发育有微裂缝及矿物溶蚀孔隙；纳米级孔隙主要提供气体的赋存空间，主要发育气孔和组织孔。

图1 全直径CT扫描宏观毫米裂缝-割理发育图Fig.1 The macroscopic millimeter fracture-cleat development by full-diameter CT scanning

图2 煤岩显微光片、微米CT微米孔缝发育图Fig.2 The micro pore-fracture development of coal rock by microscopic light film and micro-CT

3.2 煤岩全直径CT扫描孔缝发育特征

岩心孔缝评价是现场试油试采、压裂选层的重要参考因素，对煤岩段毫米级孔缝结构的定量表征，可为现场压裂及选层提供有利指导[18-19]。煤岩储层具有复杂的多尺度孔缝结构特征，姚军朋等[20-21]运用测井曲线组合特征来判断煤岩宏观孔缝结构特征，但由于受纵向分辨率的限制，毫米级的裂缝和割理在测井曲线上无法有效识别，此次运用全直径CT扫描技术，分辨率可达到146 μm，能够有效解决这一问题。

以D20井为例，D20井2 280.37～2 280.82 m段煤岩，长度为0.45 m。对选取的直径为8 cm的煤岩样品进行全直径CT扫描，利用PerGeos专业软件完成岩心毫米级三维表征(图4a—c)，并建立孔缝模型(图4d)，再提取裂缝模型(图4e)，后计算孔缝参数。岩心密度越大，扫描灰度图像上越接近白色。煤岩在扫描图像上显示为黑褐色，碳酸盐和黄铁矿等高密度矿物显示为白色、亮白色。由图4可知：煤岩样品发育毫米级高角度缝、水平缝、内生割理及溶孔。经计算，裂缝孔隙度为1.55%，裂缝密度为22.5条/m，裂缝平均开度为1.1 mm；发育4条高角度缝，倾角为65.5～78.0 °，延伸长度最大为96 mm；煤岩内部割理发育，呈网状分布，部分被黄铁矿及碳酸盐矿物充填；横截面上可见毫米级溶孔，最大孔径为2.2 mm。

图3 煤岩扫描电镜纳米孔发育图Fig.3 The nano-pore development of coal rock by scanning electron microscope

3.3 煤岩微、纳米多尺度孔缝发育特征

对选取的煤岩样品进行微米级CT扫描和纳米级FIB-SEM扫描电镜实验，扫描分辨率分别为1 μm和10 nm，并利用专业的数字岩心分析软件PerGeos完成煤岩微、纳米级孔缝结构的三维表征(图5)。骨架模型中黑色部分为微孔和微裂缝，灰色及白色为岩石骨架；孔隙模型直观展示了岩石中孔-缝的三维空间展布；孔喉分布球棍模型中球状部分为孔隙，棍状部分为喉道，煤岩中的微裂缝往往以大量喉道网状分布的形式存在，为基质微孔间的连通提供通道。根据煤岩微、纳米数字岩心横型，分别对煤岩微米和纳米孔喉空间进行定量计算，微米孔喉样品孔隙度为3.68%～7.11%，平均孔隙半径为2.99～4.15 μm，平均喉道半径为1.16～1.80 μm，平均配位数为0.038 1～0.462 2个(表1)；纳米孔喉的孔隙、喉道半径主要分布在10～100 nm(表2)，煤岩纳米孔是气体主要的吸附空间，纳米孔体积小但数量多，为煤层气的吸附提供了大量的表面积。微裂缝孔隙度为0.11%～0.30%，裂缝贡献率(微裂缝体积占孔-缝总体积的比例)为2.65%～6.80%，裂缝平均开度为3.75～4.84 μm(表3)。微裂缝对孤立微孔的连通起到至关重要的作用，微裂缝的形态、条数、开度和连续性是评价其有效性的关键因素。

图4 D20井煤岩毫米数字岩心模型图Fig.4 The millimeter digital core model of coal rock in Well D20

图5 2号煤岩微、纳米数字岩心模型图Fig.5 The micro and nano digital core model of No.2 coal rock

表1 煤岩微米孔隙结构定量参数Table 1 The quantitative parameters of micro-pore structure of coal rock

表2 煤岩纳米孔隙结构定量参数Table 2 The quantitative parameters of nano-pore structure of coal rock

表3 微裂缝发育定量参数Table 3 The quantitative parameters of micro-fracture development

煤岩储层孔隙发育具有复杂的多尺度特征，研究煤岩孔隙发育的多尺度分布特征对探究煤层气储层渗透性及高产控制因素具有重要意义。将3块煤岩(7、9、10号)不同尺度的孔隙数据进行拼接，获得多尺度的孔隙分布数据，采用霍多特(1996)十进制分类方法进行孔隙类型的划分(表4)：微孔(小于10 nm)、小孔(10～102 nm)、中孔(102～103 nm)、大孔(大于103 nm)。分析得出，微孔和小孔在数量上具有较高的占比，小孔占比可达68.24%，同时这部分孔隙也为吸附气提供了绝大部分的表面积，平均表面积占比为63.68%。大孔包括了微米孔和微米缝，其数量占比低，但贡献了大部分的孔隙体积，微米孔-缝的发育为煤层气的解吸、扩散及渗流提供了通道。