尹 帥 ,單鈺銘 ,王 磊 ,趙軍輝 ,鄭蓮慧
(1.成都理工大學能源學院,四川成都610059;2.西北大學地質(zhì)學系,陜西西安710069)
沁水盆地作為我國規(guī)劃建設的煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地之一,煤層氣資源量大,具有煤層埋深適中(一般300~1000m)、厚度大、地層產(chǎn)狀平緩、含氣量較高、斷層少、割理系統(tǒng)發(fā)育、滲透率較高等良好的儲層地質(zhì)條件和資源條件[1].前人對本區(qū)煤儲層特征研究主要集中在煤巖成分測定、鏡下觀察、孔滲、孔隙結(jié)構(gòu)、割理、裂縫、頂?shù)装?、煤巖變形等方面[2-11].但由于高變質(zhì)階段煙煤自身的獨特性和強非均質(zhì)性,人們對煤儲層特征了解不夠深入.筆者采用各種分析測試方法,對目前研究程度尚低的沁水盆地東北部地區(qū)15#煤儲層物性特征進行綜合分析,希望獲得一些新的認識,為該地區(qū)煤儲層的進一步深入研究提供對比和參考.
沁水盆地位于呂梁隆起東側(cè),太行復背斜西側(cè),中條山隆起帶以北,五臺山隆起帶以南,為華北地臺內(nèi)的一個二級構(gòu)造單元,現(xiàn)今面貌為一個近南北向的大型復式向斜[1],其北部構(gòu)造綱要如圖1.
圖1 沁水盆地北部構(gòu)造綱要圖(據(jù)梁宏斌,2012,修改)Fig.1 Regionaltectonic outlineofnorthern QinshuiBasin(modified from LIANGHong-bin,2012)1—斷層(faul)t;2—背斜(anticline)
該區(qū)域的地層是在華北地臺基礎上逐步發(fā)展完善起來的,最下部為震旦系古老結(jié)晶基底,隨后沉積了寒武、奧陶系碳酸鹽巖地層,其上沉積了石炭系的本溪組、太原組,二疊系的山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組,其中太原組和山西組為主要含煤層位,再往上沉積了三疊系、第四系等碎屑巖沉積及松散沉積物.石炭系上統(tǒng)太原組厚度約為100~150m,主要由灰色砂巖、灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰?guī)r及煤層組成,為海陸交互相沉積,夾灰?guī)r數(shù)層,含煤多層.本次研究的15#煤層,厚度一般5m左右,埋深300~400m.其頂?shù)装逡院谏蚧液谏鄮r、砂質(zhì)泥巖、巖屑砂巖為主,對煤層氣的保存較為有利.
本區(qū)15#煤層煤類主要是高煤級煙煤中的貧煤(Ro范圍1.8~2.5),變質(zhì)程度較高,往往煤層氣的生成量與變質(zhì)程度正相關(guān) .煤樣呈黑色、褐黑色塊狀、粉末狀或條帶狀結(jié)構(gòu),層狀或塊狀構(gòu)造,具有玻璃或強玻璃光澤,貝殼狀、參差狀或階梯狀斷口,裂隙發(fā)育.宏觀煤巖組分以亮煤或亮煤-鏡煤為主,暗煤和絲碳較少.宏觀煤巖類型主要為光亮型煤、半光亮型煤,夾有少量半暗型和暗淡型煤,表明凝膠化組分含量較高,煤相為森林泥炭沼澤相[5],易于形成利于開發(fā)的有利儲層.
通過對33個煤樣的薄片進行鏡下觀察,并作其有機組分含量三角圖(如圖2),發(fā)現(xiàn)其有機顯微組分最顯著的特點就是鏡質(zhì)組含量高,含量約為62%~80%,平均含量70.02%,最少僅為28%,最高可達85%.一般來說鏡質(zhì)組的脆度最大,且生氣能力較高,單組分煤巖有機顯微類型強度低于雙組分和三組分[3],脆度越大越容易斷裂形成裂隙,使煤層氣儲集和運移.惰質(zhì)組含量約為10%~25%,平均含量18.48%,最少僅為2%,最高可達60%,鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組呈現(xiàn)一種此消彼長的關(guān)系.87%的樣本V/I(鏡質(zhì)體/惰質(zhì)體)值在2以上,58%的樣本V/I值在5以上,最高可達30以上.殼質(zhì)組含量少,且難區(qū)分,僅在少數(shù)薄片中具有零星分布,且多被伊利石充填.其他薄片由于樣本煤化程度高,殼質(zhì)組在顯微鏡下難以辨認.鏡質(zhì)組主要以塊狀、凝膠狀、不規(guī)則條狀零星或?qū)訝罘植迹ㄈ鐖D3A),這主要是因為高煤階凝膠化作用較徹底,凝膠體往往孔隙比較發(fā)育[12],且在縮聚時容易產(chǎn)生裂隙,從而增加了煤層氣的儲集空間.惰質(zhì)組呈斑塊狀、長條狀、透鏡狀、線狀或薄層狀不均勻分布于煤巖中(如圖3B、C、D),有些被伊利石等黏土礦物充填.煤中礦物含量較低,一般約為1%~15%,礦物成分中主要為黏土礦物(如伊利石、高嶺石)、氧化物(如石英)、硫化物(如黃鐵礦)和碳酸鹽礦物(如方解石).
圖2 有機顯微組分含量三角圖Fig.2 Triangulardiagram oforganic contents
圖3 煤巖顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrograph ofcoal單偏光(single polarization):A—鏡質(zhì)組及被礦物填充的孔隙,4×10(vitriniteand pore filled bymineral);B—透鏡狀惰質(zhì)組,2×10(lenticular inertinite);C—團塊狀惰質(zhì)組,4×10(crumb inertinite);D—鏡質(zhì)組中夾層狀惰質(zhì)組,4×10(bedded inertinite in vitrinite)
整體分析認為,本區(qū)V/I值高,鏡質(zhì)組具有明顯的優(yōu)勢,利于生氣,同時脆度大強度低易于產(chǎn)生裂隙,利于煤層氣的儲集和運移.
煤中的孔隙是指煤體中未被有機質(zhì)或者礦物質(zhì)充填的空間.煤具有無序性和很強的非均質(zhì)性,因此存在復雜的孔隙類型.煤中的裂隙主要為凝膠化組分收縮或構(gòu)造作用產(chǎn)生的裂隙.以往的煤層氣井主要分布在割理比較發(fā)育的中煤級煤中,中煤級煤的割理系統(tǒng)控制著儲層的滲透率已經(jīng)被證實[6],但高煤級煤的割理系統(tǒng)往往被礦物質(zhì)充填.煤的成巖作用對古環(huán)境具有一定的依賴性,不同古環(huán)境下形成的煤層的孔隙類型有差別,煤巖作為非常規(guī)儲層性脆,自晚古生代以來經(jīng)歷了多期復雜的構(gòu)造運動,對其進行了后生改造,與其他地區(qū)相比,本區(qū)構(gòu)造相對簡單、平緩.同時在區(qū)域性熱變質(zhì)的作用下煤層經(jīng)歷了復雜的熱演化[13],達到高煤級煙煤中的貧煤階段,具有很強的非均質(zhì)性,加劇了孔隙的復雜特征.通過掃描電鏡對15#煤樣在一定尺度上進行觀察,發(fā)現(xiàn)煤儲層的孔隙類型為孔隙和裂隙的雙孔隙特征(如圖4A、B),同時發(fā)育割理(如圖4C),且割理多被脈狀方解石充填(如圖4D),從而使?jié)B透率急劇降低.一般孔隙直徑小于65 nm或100 nm時,孔隙內(nèi)的氣體運移方式為擴散,而大于65 nm或100 nm時,氣體運移方式為滲流[14],因此在裂縫處一般以達西滲流方式運移,在納微級別孔隙中一般以擴散方式運移.
圖4 煤樣電鏡照片F(xiàn)ig.4 ElectronicmicrographofcoalsamplesA—孔隙(pore);B—裂隙(crack);C—割理(cleat);C—割理被方解石填充(cleat filled with calcite)
對本區(qū)煤樣33個孔隙度測試數(shù)據(jù)和5個滲透率的測試數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果表明孔隙度在9%~15%范圍內(nèi)達到79%(如圖5).最大值為17.4%,最小值為6.82%,平均值為12.18%.對33個煤樣中孔隙度分布頻率較高的5個進行滲透率測定(如表1),結(jié)果表明其滲透率最小值為0.0011mD,最大值為0.2192mD,平均值為0.07mD,由于強非均質(zhì)性導致其滲透率變化比較大.按照相關(guān)煤儲層參數(shù)評價標準,有效孔隙度大于 5%[15],滲透率大于 0.5mD[16]的煤儲層最好.相比之下本區(qū)樣本煤樣孔隙度較高,但都表現(xiàn)出低滲—特低滲的特征.整體分析表明,本區(qū)15#煤儲層在深度、厚度、有效孔隙度、構(gòu)造特征等方面均達到了Ⅰ類儲層的評價標準[15],但滲透率變化比較大,具有低滲—特低滲的特征,給煤層氣開發(fā)帶來一定難度,但整體具有較好的儲層條件.
圖5 煤樣孔隙度分布直方圖Fig.5 Porositydistribution histogram ofcoalsamples
通過對表1的5個煤樣進行壓汞實驗,作如圖6所示的進汞曲線(入汞喉道半徑下限為0.0038μm).筆者以壓入汞10%對應的毛管壓力值作為排驅(qū)壓力,可以看出5個樣品的排驅(qū)壓力都比較高.其中3#和4#樣品相對較低,分別為0.27MPa和0.38MPa,對應的喉道半徑分別為 2.74 和 1.99 μm.1#、2#、5#樣品排驅(qū)壓力高,分別為2、4.8和7.2MPa,其對應的喉道半徑分別為0.37、0.16和0.1μm.煤樣的總進汞率都較低,一般為50%左右,說明喉道半徑小于0.0038μm的有效孔隙仍占有較大比例空間,退汞效率在60%~80%之間.由于基數(shù)(入汞量)較低,因此退汞效率較高.5個煤樣中值壓力都較高,其中值壓力對應的喉道半徑都在10~30 nm的范圍內(nèi),以煤儲層按孔隙直徑1~10、10~100、100~1000、>1000 nm 分為微孔、小孔、中孔、大孔為標準,可以看出此曲線偏向于微孔喉型壓汞曲線型式.
圖6 煤樣進汞曲線Fig.6 Mercury pressurecurveofcoalsamples
通過計算得出煤樣的物性參數(shù)如表2.對于煤巖來說,孔喉均值(Ф)越小,表示較大孔越多.分選值小,表示分選越好,煤儲層主要偏向于某一類孔,孔可大可小.歪度表示孔喉分布相對于平均值來說是偏于大孔還是偏于小孔,好的煤儲層歪度一般為正值或趨向于零的負值.變異系數(shù)表示觀測值的相對變化性,一般變異系數(shù)值越大,表示煤儲層越好.綜上可以看出,15#煤儲層的均值(Ф)偏大,分選值較大(分選差),歪度為負值,偏離零中等,變異系數(shù)偏小,表明15#煤儲層的孔喉配比較差,幾乎都偏于小孔.本文壓入汞對應的最小喉道半徑為3.8 nm,喉道半徑低于3.8 nm對應的微孔孔隙占有一定空間,9.4μm以上入汞量極低.通過統(tǒng)計,1#~5#煤樣喉道半徑小于100 nm壓入汞所對應的孔隙空間占總壓入汞所對應的孔隙空間的87%、90%、77%、81%和89%,喉道半徑小于10 nm壓入汞所對應的孔隙空間(其中60%對應的喉道半徑小于5 nm)占總壓入汞所對應的孔隙空間的76%、83%、71%、65%和79%.滲透率越小,顯示出微小孔隙所占的體積份額就越大.由此可以看出,本區(qū)15#煤富含微孔,微孔為其主要的孔隙類型.綜上所述,本區(qū)煤儲層的孔喉配置關(guān)系為微孔-微喉型.
表2 煤樣孔隙結(jié)構(gòu)物性參數(shù)Table2 Physicalparametersofporestructureofcoalsamples
孔隙分形是指孔隙結(jié)構(gòu)在一定尺度范圍內(nèi)具有分形性,對于壓汞來說,表現(xiàn)為壓入汞的體積與毛管壓力或毛管半徑在一定轉(zhuǎn)換條件下具有線性相關(guān),具有較好的分形特征,并可計算出分形維數(shù)D.但是前人對高變質(zhì)煙煤的分形性研究比較少.
根據(jù)賀承祖[17]給出的的原始公式:
因為rminrmax,所以S代表孔隙半徑小于r的累積孔隙體積分數(shù),r為孔徑,V為孔徑r對應的孔隙體積.本文中未作說明的孔徑均指半徑.
對于壓汞來說,壓入汞的體積所對應的孔徑代表大于r的累積孔隙體積分數(shù),所以SHg代表壓入的汞的體積.由Laplace公式,壓汞時Pc=0.75/r(Pc為孔徑r對應的毛管壓力,當Pc單位取MPa時,r的單位取 μm),帶入(3)得:Pmin為入口毛管壓力.兩邊同時取對數(shù),得:
設 a,b是任意常數(shù),(5)式兩邊同時加上 lnea+(D-3)lneb,化簡得:Pmin是定值,對于具分形性的同一類孔隙來說,D可以看做一個定值,因此ln[ea(1-SHg)]和lnebPc之間存在線性關(guān)系,根據(jù)斜率可求得D.從此式中還可以清楚的看出D值的求取與1-SHg和Pc的單位無關(guān).
為使Y軸值盡可能趨于正值,將(6)式變形為:
對本區(qū) 1#~5#煤樣做 ln[100(1-S Hg)]/ln Pc圖(如圖7A~E,橫向從左到右孔徑范圍為 9.4~0.0038μm).
由于高煤級煙煤的孔隙結(jié)構(gòu)隨孔徑變化差別很大,因此對于9.4~0.0038μm范圍孔徑從整體上來說并不具有線性相關(guān),不符合(7)式(如圖 7 A~E),因此有必要通過劃分區(qū)段來討論煤巖的分形性.前人通過對煤巖進行分形性研究劃分出不同的分形下限,主要有 65、75、100 和 50 nm 等[2],這些孔徑值均為直徑.筆者通過擬合,認為本區(qū)煤樣在9.4μm到0.036μm孔徑范圍內(nèi),除了5#煤樣,均具有較好的分形特征,符合(7)式(如圖7F~J).因此筆者認為本區(qū)貧煤的孔徑分形下限為36 nm.如果按照前人一般以直徑進行定義,則分形下限為72 nm.
按照(7)式進行計算,在這個范圍內(nèi)1#~5#煤樣的分形維數(shù) D 分別為 2.9688、2.9816、2.9535、2.9639 和2.9699.可以看出,本區(qū)貧煤分形維數(shù)值在2.9~3之間,一般D值越小表示分形越好,D值越大,孔隙結(jié)構(gòu)越雜亂,分形越差.整體來說,本區(qū)貧煤的分形較差,孔隙結(jié)構(gòu)比較雜亂.前人[2]認為高煤級煙煤孔隙分形維數(shù)與解吸能力相關(guān),分形維數(shù)降低則解吸能力增強,相比而言本區(qū)煤層氣相對易解吸,因此在煤層氣(蘭氏體積)富集或較富集的15#煤層區(qū)域,可以作為勘探開發(fā)的有利區(qū)塊.
對于了解程度尚不深入的煤儲層孔隙結(jié)構(gòu),本文從煤樣分形維數(shù)隨孔徑的變化規(guī)律角度進行分析.對煤樣所有測試點進行3次擬合,發(fā)現(xiàn)具有較高擬合度(如圖7A~E),其曲線型式主要有寬 S 型(1#、2#、3#、5#)和狹窄 S型(4#)兩種,與孔隙度有一定對應關(guān)系.通過二次求導計算出1#~5#煤樣的拐點橫坐標值分別為0.3651、0.3333、0.7980、0.4415 和-0.2571,其對應的孔徑分別為0.5206、0.5374、0.3377、0.4823和 0.9699 μm,各值相差不大,平均值為0.57μm.拐點左邊二次求導恒為正,右邊恒為負,說明曲線在拐點左側(cè)斜率整體有增大的趨勢.D值變大,孔隙分形特征變差,右側(cè)斜率整體有減小的趨勢.D值減小,孔隙分行特征變好,說明孔隙結(jié)構(gòu)并不是一味的雜亂下去,而是開始趨于變好,尤其是在微孔孔徑級別D值減小迅速,表現(xiàn)出較好的分形特征.本文采用的是3次擬合,出現(xiàn)一個拐點,如果采用更高次擬合,也許會出現(xiàn)多個拐點,斜率變化會出現(xiàn)更多起伏,但其變化相對整體來說是甚微的.由于3次擬合已經(jīng)達到比較高的擬合度,足以表現(xiàn)煤樣分形維數(shù)隨孔徑的變化規(guī)律,因此本文將一些極其微小的變化忽略不計.
在軸壓5 kN不變,逐步增加圍壓條件下,煤巖部分參數(shù)變化規(guī)律如圖8A、B、C.可以看出V p隨著圍壓的增加而變大,10 MPa之后開始變緩,15 MPa之后有略微下降的趨勢.V s隨著圍壓的增加而變大,15MPa之后變化開始放緩;楊氏模量隨著圍壓的增加而變大,15MPa之后變化開始放緩.在圍壓20MPa不變,逐步增加軸壓條件下,煤巖部分參數(shù)變化規(guī)律如圖8D、E、F.可以看出楊氏模量隨著軸壓的增加先是增加,而后在軸壓80 kN附近開始下降;V p開始階段隨著軸壓的增加而增大,在軸壓120 kN附近開始下降;V s開始階段隨軸壓的遞增而增加,在60 kN附近出現(xiàn)下降.泊松比在增加圍壓時略有增加,在增加軸壓時略有減小,整體變化范圍為0.3~0.34,變化不大.由此可以看出,在變壓條件下,煤巖的力學參數(shù)具有一定的變化規(guī)律,2次擬合的擬合度較高,但由于煤巖具有強各向異性及非均質(zhì)性,各項力學參數(shù)并沒有統(tǒng)一的變化范圍.
圖7 煤樣壓汞雙ln圖Fig.7 Logarithmic diagram ofmercury injection of coalsamples
圖8 變壓條件下煤巖力學參數(shù)變化規(guī)律Fig.8 The coalpetrologic parameter curvesundervariable pressure
在實驗室三軸應力模擬地層條件下(軸壓5 kN,圍壓20MPa,溫度25℃)獲得的煤巖力學參數(shù)數(shù)據(jù)如表3.
由表3可以看出煤樣的楊氏模量范圍為4~10 GPa,為頂?shù)装澹ㄉ?、泥巖)的 1/7~1/9,相對偏低,且變化幅度不大.根據(jù)蘭姆方程,煤巖的壓裂裂縫寬度與彈性模量成反比,沁南1500m以淺的煤巖楊氏模量一般在4GPa左右.因此本區(qū)15#煤層進行壓裂產(chǎn)生的壓裂裂縫寬度要比沁南煤層小.沁南1500m以淺的煤層壓裂裂縫均不同程度延入煤層頂?shù)装?,裂縫最大高度可達壓裂層厚度的4倍[10],煤層與頂?shù)装宓臈钍夏A恐钜话慵s為35 GPa.此差值越大,煤層與頂?shù)装宓膸r石力學性質(zhì)差異越大,層間易形成弱面,造成應力集中,裂縫沿著弱面進行延展,形成“T”形縫或“工”形縫[10],這樣壓裂裂縫就越容易被控制在煤層中,且裂縫的形態(tài)具有隨機性,與埋深關(guān)系不大.相比本區(qū)15#煤層與頂?shù)装宓臈钍夏A坎钪导s為40GPa,比沁南略高,因此壓裂裂縫高度要相對容易控制一些,但也會延入頂?shù)装?煤樣泊松比偏高,在0.33~0.37范圍內(nèi)變化不大.抗壓強度較低,為頂?shù)装宓?/2.縱橫波波速相對頂?shù)装寰?,但縱橫波波速比相對較高,煤儲層整體表現(xiàn)出性脆、易被壓縮的特點.
表3 研究區(qū)煤巖體力學參數(shù)Table3 Coalpetrologic parametersof thestudied area
1)本區(qū)15#煤(貧煤)宏觀煤巖類型主要為光亮、半光亮型煤,利于生氣,其指示的煤相(森林泥炭沼澤相)一般來說易于形成有利儲層,有機顯微組分具有明顯的鏡質(zhì)組優(yōu)勢,V/I值一般都在2以上,易于產(chǎn)生裂隙.孔隙類型具有孔隙和裂隙雙孔隙特征,利于煤層氣進行擴散和滲流,同時發(fā)育割理,但割理多被脈狀方解石充填,這是本區(qū)滲透率低的重要原因之一.煤儲層在深度、厚度、有效孔隙度、構(gòu)造特征等方面均達到了Ⅰ類儲層的評價標準,利于煤層氣開發(fā),但滲透率變化比較大,具有低滲—特低滲的特征,孔喉配置關(guān)系為微孔-微喉型,增加了開采難度.本區(qū)15#煤整體具有較好的儲層條件.
2)通過對孔隙結(jié)構(gòu)分形下限計算方法的探討,發(fā)現(xiàn)本區(qū)15#煤在9.4~0.0038μm孔徑(半徑)范圍內(nèi),其孔徑分形下限為36 nm,分形維數(shù)D值在2.9~3之間,煤層氣相對易解吸,在煤層氣(蘭氏體積)富集或較富集區(qū)的15#煤層區(qū)域,可以作為勘探開發(fā)的有利區(qū)塊.經(jīng)過3次擬合對煤巖孔隙結(jié)構(gòu)進行研究,發(fā)現(xiàn)孔徑以0.57μm作為拐點,拐點左側(cè)分形特征有整體變差的趨勢,拐點右側(cè)分形特征有整體變好的趨勢.并且隨著孔徑越來越小,分形特征呈現(xiàn)急劇變化的趨勢.
3)本區(qū)煤巖力學性質(zhì)與頂?shù)装宀町惷黠@,煤樣楊氏模量范圍為 4~10GPa,為頂?shù)装宓?1/7~1/9,比沁南1500m以淺煤層楊氏模量(4GPa左右)高,因此壓裂產(chǎn)生的壓裂裂縫寬度要比沁南煤層的小.煤層與頂?shù)装宓臈钍夏A坎钪当惹吣下愿撸虼藟毫蚜芽p高度比沁南煤層略小,相對容易控制在煤層中一些,但也會延入頂?shù)装?泊松比在0.33~0.37范圍內(nèi)變化不大,煤層抗壓強度為頂?shù)装宓?/2,縱橫波波速均較頂?shù)装迤?,但縱橫波波速比相對較高,煤儲層性脆,易被壓縮.
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