李 松 汤达祯 许 浩 陶 树 蔡佳丽
( 中国地质大学 ( 北京) 能源学院 北京 100083)
摘 要: 本次研究以不同煤体结构的煤储层物性的差异分析为切入点，运用各种实验测试手段，探讨了煤体结构和煤储层物性的耦合关系。结果表明: 煤岩随着应力的增强，吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。渗流孔隙和微裂隙随着应力的增强在初碎裂煤阶段骤减，而后增加，在碎裂煤阶段最为发育，而到了糜棱煤阶段，煤岩发生塑性变形，其发育程度再次减小，碎裂煤对煤层气的产出最为有利。煤体结构变形可分为五个阶段，包括裂隙闭合阶段、微裂隙产生阶段、宏观裂隙产生阶段、沿某破裂面破坏阶段和流变破坏阶段，表述了各阶段煤岩渗透率的变化规律。
关键词: 煤体结构 储层物性 孔隙 裂隙
基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目 ( 40730422) ; 国家科技重大专项课题 34 ( 2011ZX05034) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助
作者简介: 李 松，1985 年生，男，江苏省沛县人，博士研究生，从事能源地质方面的研究。E-mail: lisong85@ 126. com
Coal Reservoir Property Differences Analysis of Different Coal Structure
LI Song TANG Dazhen XU Hao TAO Shu CAI Jiali
( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China)
Abstract: This paper focused on the influence of coal structure types on the coal reservoir properties，using a variety of testing methods studied the connection between coal structure types and properties. The results showed that: with the stress increasing，the coal reservoir adsorption capacities improved，and the adsorption pores changed from enclosed types to open pores which are conducive to the adsorption，desorption and diffusion of the coalbed methane. Seepage pores and microfracures firstly sharply decreased with the stress increasing in the proto- cataclastic coal stage，then increased and most developed in the cataclastic coal stage，while in the mylonitic coal stage the seepage pores and microfractures reduced again，thus，the cataclastic coals are most favorable to the production of coalbed methane. The evolution of the coal structure can be divided into five stages，including the closing stages of fractures，the microfractures development stage，cracks development stage，damage along cer- tain fracture plane and rheological destruction stage.
Keywords: coal structure; reservoir properties; porosity; cracks
我国的含煤盆地具有复杂的构造演化史，尤其在中国南方地区，煤层受多期构造运动的叠加改造，不仅导致煤盆地结构发生变化，也使煤层结构发生了强烈变形，煤储层物性发生了根本性的变化，煤储层非均质性增强，从而加大了我国煤层气勘探和开发的难度(姜波等，1998;琚宜文等，2002;傅雪海等，1999)。目前我国在对构造煤储层物性特征方面缺乏深入研究和探讨，由于构造复杂，甚至将构造煤视为煤层气开发的“禁区”(杨陆武等，2001)。针对这一问题，本次研究采集了不同煤体结构的煤岩样品进行了各种测试及实验，以不同煤体结构的煤储层物性的差异分析为切入点，力求在煤体结构和煤储层物性的相互关系方面取得突破。
样品采自云南省老厂地区箐地沟煤矿，样品涵括了原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤。为了对具有不同煤体结构煤岩样品的物性特征进行多技术综合表征，本次研究设计并开展了多项测试及实验，对采集煤样的孔裂隙系统及物性参数进行了系统的分析。首先，从四种不同煤体结构的煤岩样品中分别钻取2个直径约25mm的岩心柱样，一套柱样用于压汞孔隙测试，另一套用于煤岩常规孔渗分析;然后将钻取柱样时剩余的块状样品用于制作煤岩光片，进行煤岩显微裂隙测定;剩余的颗粒状样品用于煤岩液氮比表面、孔径测试、工业分析和甲烷等温吸附实验。
1 煤储层孔隙结构特征
1.1 吸附孔隙结构特征
煤的吸附孔是指孔径小于100nm的孔隙，包括小孔、微孔等孔隙空间(XoДoTBBetal.，1996)。液氮吸附法能够非常有效地区分吸附孔中的微孔和小孔，对研究煤储层吸附孔径结构具有一定的优势(陈萍等，2001)。四块煤样的液氮吸附实验结果呈现出很好的规律性(表1)，原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤所受到的构造应力依次增大，随着应力条件的增强，各煤岩样品的BET比表面积和BJH总孔体积依次升高。微孔和小孔含量也随着应力的增大发生相应的变化，箐地沟煤矿煤的演化程度已经达到无烟煤阶段，因此该煤矿的原生结构煤的微孔含量较高，达83.3%，随着应力作用的增强，微孔趋于闭合，小孔变为更小的孔隙，部分大中孔变为小孔，相对来说，微孔数量的减少要大于小孔数量的减少，因此小孔含量相对增加。从原生结构煤到糜棱煤小孔含量从16.7%变为65.4%，平均孔直径也从10.6nm增大到17.8nm。
表1 液氮吸附实验测试数据表
四块煤样的液氮吸/脱附曲线呈现不同的形态，尤其糜棱煤与其他煤样存在较大的差异(图1)。糜棱煤的吸附曲线从压力接近P0时开始迅速增加，曲线变陡，吸附量迅速增大，最大吸附量可达2.0mL/g;而原生结构煤、初碎裂煤和碎裂煤的最大吸附量较小，均在0.6mL/g以下，吸附曲线整体比较平缓，吸附能力糜棱煤>碎裂煤>初碎裂煤>原生结构煤。随着应力的增加，煤岩小孔含量逐渐高于微孔，煤储层的BET比表面，BJH总孔体积和平均孔直径相对增高，煤岩吸附能力随之增大。糜棱煤和碎裂煤的吸/脱附曲线都存在较为明显的吸附回线，反映的孔隙类型是开放型的圆筒孔和平行板状孔;而原生结构煤和初碎裂煤的吸/脱附曲线近乎重合，孔隙多为一端封闭型孔。总体而言，随着应力的增强，煤岩吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，应力的增大使得煤岩吸附孔隙的吸附能力和孔隙类型变好，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。
图1 典型液氮孔隙模型
1.2 渗流孔隙结构特征
煤储层中孔径大于100nm的孔隙为渗流孔隙，主要由大孔和中孔组成，其孔径结构对煤的渗透性及开发阶段煤层气的产出具有重要意义。本文研究煤储层渗流孔隙结构采用了压汞测试方法，压汞法可以定量得到孔径大于3.75nm的孔隙参数，这种方法在测试煤的大孔和中孔的孔径结构上具有一定的优势［7］。煤样的压汞测试结果表明:四块煤样的微小孔含量基本相当，但大中孔含量差异较大(表2)，表明应力作用对煤岩的渗流孔隙的发育具有较强的控制作用。其中煤岩大孔含量碎裂煤>糜棱煤>原生结构煤>初碎裂煤，碎裂煤的大孔含量最高，达15.53%，其他三块样品的大孔含量均低于5%，原生结构煤的大孔含量为3.53%，初始的应力使得部分大孔转化为中孔，初碎裂煤的大孔含量相对减少，为2.97%，随着应力的增大，煤岩开始破裂，产生大量裂隙和大孔径孔隙，大孔含量明显增高，为15.53%，随着应力的进一步增大，煤岩变为糜棱煤，煤岩结构被严重破坏，大孔含量再次减少到4.71%。
表2 压汞孔隙测试数据表
在通过压汞测试的进、退汞曲线形态分析煤的渗流孔隙结构时，发现四块样品的压汞测试的进、退汞曲线形态显示出较大的差异(图2)。碎裂煤的进汞饱和度和退汞效率最高，而其他样品的进汞饱和度都较低，在30%左右，糜棱煤退汞效率最低，为32.35%，而其他样品的退汞效率均在60%左右。排驱压力碎裂煤<糜棱煤<初碎裂煤<原生结构煤。碎裂煤的进汞饱和度和退汞效率都较高，排驱压力低，渗流条件最好，而糜棱煤的进汞饱和度和退汞效率都较低，排驱压力高，渗流条件最差，原生结构煤和初碎裂煤基本相当，渗流条件一般。研究表明煤岩中孔径大于1000nm的大孔对煤层气渗流的贡献要优于其他孔隙，碎裂煤的大孔含量最高，对煤层气的开发最为有利。
图2 典型压汞曲线类型
2 煤储层微裂隙结构特征
微裂隙是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁，其发育程度影响煤储层的渗透性能，借助于光学显微镜可直观地观测到煤岩中微裂隙的大小与形态。微裂隙可划分为A、B、C和D四种类型(Yao，Y.B.etal.，2009):类型A(宽度w>5μm且长度L>10mm)是宏观能清晰辨认的裂隙;类型B(w>5μm且10mm≥1>1mm)是连续且较长的裂隙;类型C(w<5μm且1mm≥1>300μm)是时断时续的裂隙;类型D(w<5μm且≤1300μm)是短裂隙。实验方法是首先将煤岩样品抛光制作成规格为30mm×30mm的煤岩光片，然后在50倍荧光显微镜下将该煤岩光片划分成10mm×10mm的9个微区，分别统计各级别微裂隙的发育程度。
2.1 微裂隙密度
四块煤岩样品的微裂隙发育密度差别较大，微裂隙以D型为主，C型和B型次之，而A型微裂隙极少见(表3)。其中，碎裂煤的微裂隙密度最大，可达165条/9cm2;初碎裂煤的微裂隙发育密度最小，仅为14条/9cm2;糜棱煤为25条/9cm2;而原生结构煤的微裂隙密度为67条/9cm2。原生结构煤和初碎裂煤都未见A型裂隙发育;碎裂煤和糜棱煤中存在A型裂隙，研究表明后期的构造应力作用是产生A型裂隙的主要因素。
表3 微裂隙类型和密度统计表
图3 微裂隙的显微镜下特征
2.2 微裂隙特征
原生结构煤以D型微裂隙和C型微裂隙为主，两者交叉分布，联通性一般;初碎裂煤的微裂隙密度非常小，镜下特征显示为几条孤立存在的D型裂隙，B和C型裂隙极少，未见A型裂隙发育，连通性最差;碎裂煤的微裂隙相对较发育，且裂隙方向杂乱无章，分布极不规律，但裂隙之间的连通性非常好，有利于煤层气的渗流;糜棱煤的微裂隙多呈树枝状，其中类型B宽度较大，多为树枝状裂隙的树干部分，而裂隙C多较细而且延伸远，为树枝状裂隙的树枝部分。
3 煤储层吸附性和渗流能力
3.1 煤储层吸附性
通常用等温吸附实验的兰氏(Langmuir)参数来评价煤储层的吸附性能，常用参数有兰氏体积和兰氏压力(姚艳斌等，2007;张群等，1999):兰氏体积是煤层气储层的极限吸附量，代表煤层气储层的吸附能力;兰氏压力是实际吸附量达到极限吸附量50%时的压力，代表煤层气储层吸附气体的难易程度。等温吸附测试结果表明:四块煤岩的原煤兰氏体积在26.87～30.96m3/t之间，可燃基兰氏体积在30.45～38.94m3/t之间，兰氏压力在1.22～2.37MPa之间(表4)。煤的变质程度对煤的吸附性能具有决定性的作用，四块煤样的变质程度高，因此煤岩兰氏体积普遍较高，随煤级增高，煤中孔隙结构发生规律性变化，其中大孔、中孔逐渐闭合，而小孔和微孔逐渐增加，大量的小孔和微孔为甲烷气体提供了更多的吸附空间，提高了煤的吸附能力。碎裂煤的可燃基兰氏体积最低，原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤依次增高，糜棱煤最大，达到38.94m3/t。而原煤兰氏体积糜棱煤最低，为26.87m3/t，这是因为该块样品灰分含量极高，达到27.73%，显著高于其他样品，影响了其煤岩整体吸附能力。碎裂煤、原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤的兰氏压力依次升高，其煤岩吸附难易程度依次降低。
表4 等温吸附和工业分析数据表
3.2 煤储层渗流能力
原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤的渗透率依次为0.0078mD、0.0028mD、3.53mD和0.00037mD，其中碎裂煤的渗透率最高，而其他煤样的渗透性较差。大孔含量、微裂隙密度与煤岩渗透率存在较好的正相关关系，大孔含量越高，微裂隙越发育，煤岩渗透性越好(图4)。碎裂煤的气测渗透率值为3.53mD，裂隙广泛发育是导致该样品的实测渗透率较高的主要原因。
煤体结构变形可分为五个阶段，包括AB段(裂隙闭合阶段)、BC段(微裂隙产生阶段)、CD段(宏观裂隙产生阶段)、DE段(沿某破裂面破坏阶段)和EF段(流变破坏阶段)(图5)。AB段(裂隙闭合阶段):煤岩在应力作用下裂隙受压闭合，其应力相对较小，而煤岩应变量较大，渗透率降低;BC段(微裂隙产生阶段):初期除产生弹性变形外，还表现为部分微裂隙摩擦滑动，开始不稳定扩展破裂，微裂隙的出现使得渗透率增大，随后随着应力作用的增强，煤岩非弹性体积增长，微裂隙大量出现并扩展，此阶段对应碎裂煤形成阶段，是渗透率增加速率最大阶段;CD段(宏观裂隙产生阶段):当扩容发生到一定程度时，煤岩便开始产生肉眼可以识别的宏观裂隙，此阶段对应碎裂煤，是渗透率极大值阶段;DE段(沿某破裂面破坏阶段):被贯通裂隙分割后煤岩沿贯通裂隙发生滑移，并有新裂隙面扩展贯通，此阶段对应碎裂煤晚期和碎粒煤早期，渗透率开始降低;EF段(流变破坏阶段):裂隙面不断扩展，形成流变破坏，对应糜棱煤阶段，渗透率急剧降低。
图4 渗透率的控制因素
图5 不同煤体结构煤岩渗透率变化特征
4 结论
将煤体结构变形分为五个阶段，包括裂隙闭合阶段、微裂隙产生阶段、宏观裂隙产生阶段、沿某破裂面破坏阶段和流变破坏阶段;原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤所受的应力依次增大，随着应力的增强，煤岩吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。渗流孔隙和微裂隙随着应力的增强在初碎裂煤阶段骤减，而后增加，在碎裂煤阶段最为发育，而到了糜棱煤阶段，煤岩发生塑性变形，其发育程度再次减小，碎裂煤对煤层气的产出最为有利。碎裂煤、原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤的兰氏压力依次升高，其煤岩吸附难易程度依次降低;煤岩大孔含量及微裂隙密度与渗透率有较好的正相关关系。
参 考 文 献
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姜波，秦勇，宋党育等. 1998. 高煤级构造煤的 XRD 结构及其构造地质意义. 中国矿业大学学报，27 ( 2) : 115 ～118
琚宜文，王桂梁 . 2002a. 煤层流变及其与煤矿瓦斯突出的关系 . 地质论评，48 ( 1) : 96 ～105
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