鄭蓮慧，高 倩，曹 超，尹 帥，王倩倩，劉 嫣

(1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都610059;2.遼河油田特種油開發(fā)公司，遼寧 盤錦124010;3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，山西 長治046000)

0 引言

煤層作為儲層，微裂隙真實存在，卻難于表征，微裂隙能否有效溝通成為煤層氣開采過程至關(guān)重要的問題，而要解決這個問題首先要考慮“煤層顯微組分與微裂隙之間到底呈現(xiàn)怎樣一種關(guān)系”.毫無疑問，對于以有機質(zhì)為主的煤層，顯微組分對微裂隙具有一定控制作用，但前人對這種控制作用的研究歷來看法不一.［1-2］本文通過對該區(qū)15#煤儲層顯微組分與微裂隙之間關(guān)系的探索后，希望獲得一些有價值的認(rèn)識，從而為該區(qū)煤層氣高效開發(fā)提供一些參考.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

沁水盆地位于陜西省東南部，四周被呂梁隆起、中條山隆起、太行山隆起和五臺山隆起環(huán)繞，現(xiàn)今面貌為近南北向大型復(fù)式向斜，南北長約330km，東西寬約120km，總面積超過3×104km2，是目前國內(nèi)最具煤層氣開發(fā)潛力的盆地.

本文研究區(qū)位于沁東北，地層自寒武、奧陶系碳酸鹽巖基底，向上依次為石炭系本溪組、太原組;二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組;三疊系、第四系等碎屑巖及松散物.［3］區(qū)內(nèi)主要煤層為15#煤(太原組)、3#煤(山西組)等，本文主要研究15#煤，煤層厚度約5m，埋深約400～600m，太原組厚度約120m，上覆山西組厚度約70m.

2 煤巖煤質(zhì)特征

本區(qū) 15#煤 Ro范圍主要在 1.8～2.5 之間，煤類為貧煤.宏觀煤巖類型以光亮型、半光亮型為主，夾少量半暗、暗淡煤，裂隙較發(fā)育;有機顯微組分以鏡質(zhì)組為主，平均含量達70%，惰質(zhì)組平均含量18%，V/I值高，一般在2以上，最高可達25以上.殼質(zhì)組難以區(qū)分且含量少，煤中礦物含量在1%～15%范圍內(nèi)，主要為伊利石、高嶺石、石英、黃鐵礦和方解石.［4］

圖1 煤儲層擴散-滲流機理

3 煤層氣擴散-滲流機理

高煤級煤儲層具有孔隙和裂隙雙孔隙特征，同時發(fā)育割理，割理分為面割理和端割理(如圖1).前人對煤巖孔隙大小有多個分類方案，本文以煤巖按孔隙直徑(孔徑)1～10nm、10～100nm、100～1000nm、〉1000nm 分為微孔、小孔、中孔、大孔劃分方案為依據(jù).通過對本區(qū)5件壓汞資料的分析，在孔徑大于7.6nm入汞范圍內(nèi)，孔徑7.6nm到20nm范圍內(nèi)對應(yīng)的孔隙體積約占75%，且在孔徑低于7.6nm范圍內(nèi)孔隙還有相當(dāng)大的比重，由此可見該區(qū)煤巖富含納微孔.由此分析煤層氣的解吸機理如圖1，在基質(zhì)中主要以濃度差為動力，以分子態(tài)通過擴散的形式運移到裂隙或割理中，如果裂隙或割理之間可以形成有效溝通，則煤層氣會通過滲流最終從煤層中運移出來.

4 顯微組分微裂隙表征

研究區(qū)15#煤儲層曾經(jīng)歷高溫?zé)嶙冑|(zhì)，從而演化至高煤級煙煤(貧煤)階段，有機顯微組分中鏡質(zhì)組組分主要為均值鏡質(zhì)體，均質(zhì)鏡質(zhì)體中可見以一定角度尖滅的裂縫及垂直延展裂縫，其次為基質(zhì)鏡質(zhì)體;可見張性裂隙惰質(zhì)組組分主要為半絲質(zhì)體.微裂隙在煤巖有機顯微組分中的形態(tài)各異，分布廣泛，且在鏡質(zhì)組中的分布無論從數(shù)量還是范圍都要好于惰質(zhì)組.鏡質(zhì)組中的微裂隙可以順層延展，同時在其中尖滅;也可以發(fā)育為具一定角度的微裂隙，具有一定溝通能力;同時可以看到一些由于構(gòu)造作用形成的張性裂隙.有機顯微組分中的張性微裂隙對于煤層氣的擴散或滲流起到巨大的作用，而壓性微裂隙的存在不僅減少了煤層氣賦存的空間，而且使煤層氣運移的路徑減小甚至喪失，因而對煤儲層的物性不利.［5］均值鏡質(zhì)體中張性微裂隙密度一般高于基質(zhì)鏡質(zhì)體，但往往發(fā)生尖滅是其共同特征.微裂隙在不同組分之間的界面或弱面條件下往往發(fā)生延展，這在一定程度上溝通了不同種組分的聯(lián)系.惰質(zhì)組組分為凝膠后又發(fā)生絲碳化，因而形態(tài)雜亂，往往內(nèi)生裂隙不發(fā)育，且張性裂隙細(xì)小且極易發(fā)生尖滅，對煤儲層物性極為不利，在該區(qū)煤巖有機組分中，微裂隙還可呈一定網(wǎng)絡(luò)狀延展.從而大大溝通了基質(zhì)組分及微裂隙的相互聯(lián)系.

對于充填礦物，該區(qū)割理主要被脈狀方解石填充，微裂隙可以截穿方解石，也可以在此發(fā)生尖滅，但本區(qū)割理被方解石大規(guī)模填充，是導(dǎo)致煤儲層滲透率急劇降低的重要原因.［6］其它裂隙往往被毛發(fā)狀伊利石、片狀高嶺石、短柱狀高嶺石填充，這些均可以導(dǎo)致該區(qū)15#煤儲層物性變差.

5 煤儲層物性

5.1 壓汞特征分析

圖2 煤巖壓汞曲線型式

研究區(qū)煤巖壓汞曲線型式如圖2，Ф值平均為15.5，歪度平均為-2，對于煤巖來說，Ф值偏小，表示大孔多，歪度偏于正值表示煤儲層較好.相較而言，本區(qū)煤儲層主要偏于小孔和納微孔，孔喉配置為微孔-微喉組合，儲層整體而言物性較差.

5.2 孔滲特征分析

圖3 煤巖孔隙度分布直方圖

對該區(qū)33組15#煤孔滲測試數(shù)據(jù)進行分析，孔隙度分布直方如圖3，通過該圖可以看出孔隙度主要分布在9%～15%范圍內(nèi)，孔隙度較高.滲透率根據(jù)氣測數(shù)據(jù)顯示，主要分布范圍為0.001mD～0.22mD，一般認(rèn)為滲透率高于0.5mD的煤儲層較好，相比本區(qū)煤儲層具有較高孔—低滲/特低滲的特征.

6 討論

煤巖顯微組分研究可以在微觀上定性分析影響微裂隙發(fā)育的誘因和表征，而物性在宏觀上對這種表征和控制作用加以佐證.煤巖中微裂隙的發(fā)育受多種地質(zhì)因素綜合作用影響，如構(gòu)造運動、地應(yīng)力、變質(zhì)程度等，而微裂隙的發(fā)育是煤層在地質(zhì)歷史時期曾經(jīng)大量生氣的自然結(jié)果，正是在這些內(nèi)因和外因的共同作用下，形成了煤層自身獨特的疏導(dǎo)體系.煤是凝膠化作用和絲碳化作用的結(jié)果，本區(qū)15#煤為海侵成因，且V/I值高，表明凝膠化作用進行的比較徹底，抗擊破碎的強度就比較低，易破碎產(chǎn)生裂隙.在煤層形成后，盆地迅速沉降，煤層中的水分和生物氣得不到快速排出，不斷壓實，在高應(yīng)力下以致煤基質(zhì)發(fā)生破裂，同樣可以產(chǎn)生大量裂隙.在漫長的地質(zhì)歷史時期，顯微組分生氣能力的關(guān)系為:殼質(zhì)組〉鏡質(zhì)組〉惰質(zhì)組，鏡質(zhì)組具有相當(dāng)可觀的生氣能力，會產(chǎn)生大量氣體，這些氣體在煤層中會產(chǎn)生壓力，當(dāng)匯聚到一定程度就會對煤層結(jié)構(gòu)造成破壞，形成微裂隙，從而釋放壓力.

7 結(jié)論

通過以上論述可以看出，本區(qū)高煤級煙煤孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)微孔-微喉型，鏡質(zhì)組中張性微裂隙對煤層氣擴散—滲流起到重要作用，壓性裂隙對煤層氣的擴散作用不大，惰質(zhì)組中內(nèi)生裂隙不發(fā)育.對于割理充填不嚴(yán)重的中煤級煙煤，割理為滲流的最主要通道，這在國外已經(jīng)得到證實.但本區(qū)高煤級煙煤中割理被脈狀方解石嚴(yán)重充填，這是造成該區(qū)15#煤儲層滲透率呈現(xiàn)低滲—特低滲的主要原因，同時粘土礦物的填充，也會造成煤儲層的物性變差，但整體而言本區(qū)15#煤中微裂隙十分發(fā)育.

［1］王 欣，李忠權(quán)，朱德豐.烏爾遜西都斷裂構(gòu)造的挖陷特征［J］.四川文理學(xué)院學(xué)報，2011(2):76-78.

［2］朱 林，周 文，李生福.鎮(zhèn)涇長8油藏裂縫對油氣富集的控制作用分析［J］.四川文理學(xué)院學(xué)報，2012(2):64-66.

［3］尹 帥，單鈺銘，王 磊，等.沁水盆地東北部地區(qū)15號煤儲層物性特征分析［J］.地質(zhì)與資源，2013(4):64-67.

［4］劉洪林，李貴中，王 烽，等.沁水盆地煤層割理系統(tǒng)特征及其形成機理［J］.天然氣工業(yè)，2008(3):36-39.

［5］孟召平，王保玉，謝曉彤，等.煤巖變形力學(xué)特征及其對滲透率的控制［J］.煤炭學(xué)報，2012(8):1342-1347.

［6］張 慧，李小彥，郝 琦，等.中國煤的掃描電子顯微鏡研究［M］.北京:地質(zhì)出版社，2003:162.