峰峰矿区煤储层孔隙特征研究

2024-03-15邵长东谢宇铭

中国煤炭地质 2024年2期

邵长东，谢宇铭

（中煤地质集团有限公司北京 100040）

煤层气是一种自生自储的非常规天然气，煤层是煤层气的主要储集层。煤层基质孔隙的形态、大小、多少、连通性等，一般决定了煤层气的储集、运移和产出。煤储层孔隙特征主要包括孔隙度、孔隙结构、孔径特征、孔隙体积、孔比表面积及孔直径、孔体积、孔比表面积三者之间的关系［1-2］。

1 地质概况

1.1 位置与面积

峰峰矿区位于河北省南部，太行山东麓，行政区划隶属邯郸市复兴区、武安市、磁县、永年区管辖，是河北省乃至全国的重要煤炭基地。地理坐标东经114°04′～114°23′，北纬36°15′～36°51′。矿区南北长约45km，东西宽约20km，面积约900km2。

1.2 地层

峰峰矿区位于华北巨型聚煤盆地中部，地层从老到新发育有古生界奥陶系、石炭系和二叠系，中生界三叠系，新生界新近系和第四系。

含煤地层为华北型的石炭系和二叠系，主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组。

1.3 构造

峰峰矿区位于华北聚煤区的中部，掀斜断块型构造特征显著，受赞皇、阜平隆起的影响，煤系地层总体呈南北或北北东向展布。控制矿区总体构造形态的为轴向近南北的鼓山复背斜（南部）和紫山复背斜（北部）［3］。

矿区断裂构造发育，其中以北北东和北东东向两组断层最为发育，具有先张后压扭的多期性特点。断层之间相互切割，将矿区分割成若干中小型地垒、地堑及阶梯状构造等组合形态。

1.4 岩浆岩

岩浆岩的侵入主要分布在宁亚—邯郸断层以西，磁山—流泉村以北，主要有符山、固镇、矿山、綦村、新城、洪山、鼓山等八大岩体，大都以岩床、岩墙和岩脉侵入各时代地层中。岩浆活动较强烈的井田或勘查区有万年矿、大淑村矿、上泉普查区等。

岩浆岩侵入时代以燕山期中晚期为主。岩性以闪长岩、闪长玢岩和正长岩为主。

1.5 煤层、煤质

主要含煤地层厚度170～220m，平均厚度182m，含煤10～26 层，煤层平均总厚度15.08m，含煤系数8.29%。其中可采和局部可采9 层，总厚度11m 左右。主要可采煤层为下二叠统山西组2 号煤层，厚度1.40～6.60m，平均厚度3.66m。

区内煤类复杂，气肥煤至无烟煤均有分布，虽变化较大，但仍有规律。受岩浆岩影响，煤变质程度由北向南逐渐减弱，煤类由北向南依次为无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤，成带状分布。

1.6 煤层气

峰峰矿区属于高瓦斯矿区。煤层含气量在区域上具明显的分带性，总体呈中部高，向南向北变低，东部高西部低的整体趋势。鼓山背斜西翼煤层含气量普遍较低，一般低于4m3/t，为低甲烷带；鼓山背斜东翼煤层含气量高，且随埋深的增加含气量增高，煤层气含量在4～14 m3/t。其中大淑村矿、羊东矿、九龙口矿含量较高，而北李庄勘查区、梧桐庄矿含量较低。同一井田内的煤层气含量也具有明显的不均一性，高含量分布区中有低含气量分布点，低含量区域中有相对较高的含气量点［4］。

2. 煤储层孔隙度

2.1 容量瓶法

煤储层是一个具有微孔隙、微裂隙、裂隙（割理）的多孔介质体。煤的基质孔隙小到分子间间隙，大到植物胞腔孔，从不到1nm到数百纳米［5-7］。

根据原地矿部石油地质中心实验室采用容量瓶法测试结果（表1），羊渠河一矿煤孔隙度在2.62%～8.16%，平均4.06%。羊渠河二矿煤孔隙度的在3.05%～5.59%，平均4.27%。小屯矿为2.66%～9.45%，平均5.37%。峰峰三矿1.85%～5.71%，平均3.59%。

表1 峰峰矿区容量法测试煤储层孔隙度统计Table 1 Statistics of coal reservoir porosity tested by volumetric method in Fengfeng mining area

2.2 真空液体饱和法

根据原地矿部石油地质中心实验室采用真空液体饱和法测试结果（表2）九龙矿有效孔隙度两极值为1.06%～5.07%，平均为2.19%；高压液体饱和法测试的两极值为1.28%～5.73%，平均2.48%。测试结果表明高压饱和水孔隙度高于常压水饱和浸泡的煤样孔隙度。

表2 峰峰矿区真空、高压液体饱和法测试煤储层孔隙度统计Table 2 Statistics of coal reservoir porosity tested by vacuum and high pressure liquid saturation method in Fengfeng mining area

3 煤储层孔隙结构特征

3.1 压汞实验曲线特征

根据原地矿部石油地质中心实验室测试的羊渠河一矿2号煤层的压汞试验曲线（图1）可知，其样品属于裂隙-孔隙型。在低压阶段，排驱压力低于0.01MPa，进汞量达50%以上，中值压力小；而高压阶段，随压力增大，进汞量变化不明显。说明早期为宽大裂隙进汞，后期为微小孔隙进汞［8］。

图1 峰峰矿区羊渠河一矿2号煤层压汞试验曲线Figure 1 Mercury injection test curve of No.2 coal seam in Yangquhe mine，Fengfeng mining area

3.2 低温氮等温吸附特征

根中国石油勘探开发研究院廊坊分院天然气地质所煤层气实验室采用低温液氮吸附法对2号煤层进行了孔隙结构分析（表3）。相对压力为0.01～1MPa，测试孔径在1～450nm。峰峰矿区煤储层的比表面积为0.181～1.840m2/g，其中九龙矿为0.181m2/g，羊渠河一矿为0.188m2/g，大淑村矿为0.289m2/g，陶二矿为1.84m2/g，反映由南向北煤储层比表面积逐渐增大。区内煤储层BJH 总孔容为0.000 46～0.001 46mL/g，平均孔径3.1～12.01nm。

表3 峰峰矿区煤储层低温氮等温吸附测试结果Table 3 Mercury injection test curve of No.2 coal seam in Yangquhe mine，Fengfeng mining area

作者通过吸附等温线及吸附回线的形态、类型分析研究，认为峰峰矿区2 号煤层的低温氮吸附及脱附曲线主要有3种类型。

第一种：以九龙矿为代表，等温吸附曲线在相对压力小于0.8 以前上升非常缓慢，表明为由单分子层向多分子层吸附过渡的阶段；而在相对压力趋近1 时，曲线才迅速上升（图2），表明煤内较大的孔里发生了毛细凝聚作用，致使吸附量急剧增大。一是说明煤中孔主要由微孔和小孔组成，脱附线与吸附曲线保持一致，基本重合或回线较小，二是反映此类煤中的孔系统主要由一端封闭的不透气性孔组成，且这类煤储层多发育一端尖灭的不平行的裂隙［9-10］。

图2 九龙口矿2号煤层低温氮等温吸附曲线Figure 2 Low temperature nitrogen isothermal adsorption curve of No.2 coal seam in Jiulongkou mine

第二种：以大淑村矿及羊渠河一矿为代表。等温吸附曲线图中吸附线与九龙矿相同，只在相对压力p/p0趋近1 时才变陡（图3、图4），说明煤中的孔主要是由微孔和小孔组成。而解吸分支与吸附分支的有一定的变化，有的地方基本重合，有的地方吸附回线明显，并且在中间相对压力时迅速下降，形成一拐点，反映煤中孔隙形态比较复杂，有两端开放的透气性孔，也有一端封闭的不透气性的孔，拐点的出现还说明煤中存在细颈瓶形孔［11-13］。

图3 大淑村矿2号煤层低温氮等温吸附曲线Figure 3 Low temperatur nitrogen isothermal adsorption curve of No.2 coal seam in Dashucun mine

图4 羊渠河一矿2号煤层低温氮等温吸附曲线Figure 4 Low temperature nitrogen isothermal adsorption curve of No.2 coal seam in Yangquhe mine

第三种：以陶二矿为代表（图5）。吸附等温线的解吸分支与吸附分支分离而形成明显的吸附回线，在中间相对压力时迅速下降，具明显的拐点，反映了煤中孔系统主要由两端开放的透气性孔和细颈瓶形孔组成［14］。

图5 陶二矿2号煤层低温氮等温吸附曲线Figure 5 Low temperature nitrogen isothermal adsorption curve of No.2 coal seam of Tao’er mine

4 煤储层的孔径特征与孔隙体积

4.1 孔径特征

根据统计结果，峰峰矿区2 号煤层的孔径主要分布范围为3.40～412.49nm（图6）。孔的类型主要有微孔、小孔和中孔三类。其中大淑村矿煤的孔径分布在3.40～397.53nm，煤的总孔隙体积为0.001 22mL/g，以微孔和小孔为主；羊渠河一矿煤的孔径分布在3.74～412.49nm，煤的总孔隙体积为0.001 2 mL/g，也主要为微孔和小孔；九龙矿煤的孔径分布在3.61～296.80nm，煤的总孔隙体积为0.001 146mL/g，同样主要为微孔和小孔。陶二矿煤的孔径分布在22.51～391.82nm，煤的总孔隙体积为0.000 46 mL/g，以中孔和小孔为主。

图6 峰峰矿区2号煤层孔径与体积分布Figure 6 Pore size and volume distribution of No.2 coal seam in Fengfeng mining area

4.2 孔隙体积

不同类型孔的孔体积中小孔的体积最大，为4.6×10-4～9.8×10-4mL/g；其次为中孔，体积为2.87×10-4～5.0×10-4mL/g；微孔体积最小，为0.8×10-4～3.7×10-4mL/g。其中大淑村矿微孔体积为0.000 37mL/g，小孔体积为0.000 56mL/g，中孔体积为0.000 287mL/g；羊渠河一矿微孔体积为0.000 08mL/g，小孔体积为0.000 64mL/g，中孔体积为0.000 5mL/g；九龙矿微孔体积为0.000 02mL/g，小孔体积为0.000 98mL/g，中孔体积为0.000 46mL/g；陶二矿小孔体积为0.000 46mL/g。微孔体积中以大淑村矿最大，其次为羊渠河一矿、九龙矿；小孔体积中以九龙矿最大，其次为羊渠河一矿、大淑村矿，陶二矿最小；中孔体积中以羊渠河一矿最大，其次为九龙矿、大淑村矿，陶二矿中孔极少。

5 煤层气储层的孔比表面积

测试结果统计，峰峰矿区煤层气储层的总比表面积变化在0.0296～0.409m2/g（图7）。其中大淑村矿煤层气储层的总比表面积最大为0.409m2/g，其次是羊渠河矿，总比表面积为0.173m2/g，九龙矿总比表面积为0.150m2/g，陶二矿煤的总比表面积最小为0.029 6m2/g。在大淑村矿以微孔的比表面积最大，为0.309m2/g，过渡孔次之，为0.089m2/g，中孔最小，为0.011m2/g。羊渠河一矿过渡孔的比表面积最大为0.082m2/g，其次是微孔0.072m2/g，中孔的比表面积最小为0.019m2/g。九龙矿过渡孔的比表面积最大为0.118m2/g，其次是微孔0.018m2/g，中孔的比表面积最小为0.017m2/g。

图7 峰峰矿区煤储层孔径与孔比表面积统计Figure 7 Pore diameter and specific surface area of coal reservoir in Fengfeng mine area

不同类型的孔中微孔的比表面积最大，为0.396m2/g。其次为过渡孔，比表面积为0.319m2/g，中孔的比表面积最小，为0.047m2/g；孔比表面积总的变化规律是孔直径越大比表面积越小，相反，孔径越小比表面积越大。

6 孔直径、孔体积、孔比表面积三者之间的关系

微孔的孔体积最小，而比表面积最大，一般微孔的比表面积＞过渡孔比表面积＞中孔比表面积。孔隙平均直径越大，总比表面积越小，孔隙平均直径越小，总比表面积越大［15-16］。如大淑村矿煤样的微孔体积为0.37×10-3mL/g，中孔体积为0.28×10-3mL/g，而微孔的比表面积为309×10-3m2/g，中孔的仅为11×10-3m2/g。四个矿区中，孔隙平均直径大淑村最小为19.12nm，陶二矿最大为52.18nm；而比表面积大淑村最大为409×10-3m2/g，陶二矿最小为29.6×10-3m2/g。

一般而言，大的比表面积表明其吸附煤层气的能力强，而比表面积的主要贡献者为微孔［17-18］。对本文使用的全部试验结果统计，峰峰矿区煤层气储层中，一般微孔、过渡孔含量高，中孔含量较少。煤层含气量较大的矿区或井田，其微孔相应较发育，如前述的大淑村矿及羊渠河一矿。