王有智，王世輝，吳剛

（1.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；2.中國(guó)石油大港油田公司勘探開發(fā)研究院，天津 300280）

0 引言

由于多孔介質(zhì)極其復(fù)雜的自然結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，造成傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法在定量描述方面顯得蒼白無力。20世紀(jì)70年代創(chuàng)立的分形幾何學(xué)，為定量研究和描述自然界中具有復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)集體提供了有效方法［1-2］。 Krohn［3-4］利用統(tǒng)計(jì)法和掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)砂巖、頁巖及碳酸鹽巖在一定的孔徑范圍內(nèi)具有良好的分形特征，分形維數(shù)小于 3。 文慧儉［5］、劉波［6］等分析了砂巖等儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征，認(rèn)為分形維數(shù)可以表征儲(chǔ)層物性的變化。魯新便等［7-8］發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層非均質(zhì)性同樣可以用分形維數(shù)進(jìn)行描述。賀煒［9］等認(rèn)為隨著分形維數(shù)的增大，孔隙表面的粗糙度、孔喉的不規(guī)則性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度相應(yīng)增加。因此，分形理論是描述孔隙微觀粗糙性、突變性和非均質(zhì)性的有效工具。

呼和湖凹陷煤層氣預(yù)測(cè)資源量超 7 000×108m3［10］，煤層主要發(fā)育在下白堊統(tǒng)的大二段和南二段，大二段埋藏適中，是目前煤層氣勘探的重點(diǎn)層位。大二段煤層累計(jì)厚度在60 m以上，最大可超過120 m，單層平均厚度在5 m左右。雖然具備較好的煤層基礎(chǔ)，但由于煤巖變質(zhì)程度較低，自身生氣能力受限，尚未有工業(yè)氣流發(fā)現(xiàn)。筆者應(yīng)用掃描電鏡觀察和低溫氮吸附法，研究呼和湖凹陷不同構(gòu)造部位煤巖儲(chǔ)層孔隙類型，并從微觀角度，定量評(píng)價(jià)孔隙結(jié)構(gòu)特征，建立孔隙分形維數(shù)與煤巖吸附能力之間的關(guān)系，為尋找有利的煤層氣富集區(qū)提供科學(xué)證據(jù)。

1 構(gòu)造背景及樣品采集

海拉爾盆地基底在海西期褶皺之上，受燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，形成北東向斷裂，此時(shí)期呼和湖凹陷將軍廟和輝索木斷裂帶已形成，構(gòu)成凹陷的雛型［11-13］。呼和湖凹陷的構(gòu)造演化經(jīng)歷了早期斷陷—快速充填、中期大幅度沉降—穩(wěn)定沉積、晚期回升—湖盆萎縮3個(gè)階段，最終形成現(xiàn)今東斷西超的構(gòu)造格局。從南到北依次劃分為東南陡坡帶、南部洼槽、中央凸起、北部洼槽、西南緩坡帶和北部斜坡帶6個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元。

煤巖樣品主要采集于凹陷南部洼槽和西南緩坡帶大二段煤層（見圖1），均為褐煤。通過對(duì)12塊樣品進(jìn)行掃描電鏡和低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了呼和湖凹陷南部煤儲(chǔ)層孔隙變化特征。呼和湖凹陷主要發(fā)育碎裂煤，局部可見原生結(jié)構(gòu)煤［14］。原生結(jié)構(gòu)煤（見圖2a，2c）木質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育，植物組織痕跡清晰可見，整體性較好，呈塊狀構(gòu)造，割理無法觀測(cè)，手試強(qiáng)度大；碎裂煤（見圖2b，2d）原生結(jié)構(gòu)保存相對(duì)完整，可見條帶狀構(gòu)造，可觀測(cè)到2組割理，層狀裂縫較為發(fā)育，手試強(qiáng)度較硬，局部可見小碎塊。

圖1 煤巖樣品構(gòu)造位置

2 孔隙掃描電鏡特征

儲(chǔ)層中微孔隙在油氣運(yùn)聚過程中起到至關(guān)重要的作用。掃描電鏡是揭示其類型的有效手段，且可以研究不同巖石的孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)，通過分析孔隙結(jié)構(gòu)特征的改變，進(jìn)一步了解儲(chǔ)層的孔滲變化規(guī)律。

圖2 呼和湖凹陷南部煤巖類型

原生結(jié)構(gòu)煤與碎裂煤在外觀上區(qū)分存在一定困難，但在微觀上的差異特征較為明顯。原生結(jié)構(gòu)煤在鏡下可見大量的保存完整的植物組織孔［15］（見圖3a），排列有序（見圖3b），形狀規(guī)則，顯示植物組織特征；局部發(fā)育屑間孔和晶間孔（見圖3c，3d），氣孔十分少見，證明褐煤未到大量生氣階段；局部可見微細(xì)層理及裂縫（見圖3e，3f）。原生結(jié)構(gòu)煤孔隙之間相對(duì)獨(dú)立，裂縫多為順層發(fā)育，對(duì)改善滲透性意義不大，煤層氣運(yùn)聚難度較大。碎裂煤由于受到構(gòu)造作用的影響，煤層的層間滑動(dòng)會(huì)導(dǎo)致煤巖不同程度的變形，使得煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。從掃描電鏡照片可以發(fā)現(xiàn)，碎裂煤煤中雖然還殘余部分植物組織孔（見圖4a），但孔隙形狀受到構(gòu)造作用的影響，發(fā)生嚴(yán)重變形或部分被破壞掉；粒間孔逐漸增多（見圖4b）。碎裂煤與原生構(gòu)造煤最主要的區(qū)別是裂縫的數(shù)量和類型開始增多。裂縫分為自生裂縫和外生裂縫2種類型［15］。自生裂縫以鏡質(zhì)組凝膠化程度增高形成的縮聚縫（見圖4c）和受上覆巖層壓力作用形成與層理垂直的裂縫（見圖4d）為主。其中，自生裂縫在外力作用下發(fā)生一定程度放大；外生裂縫包括受張應(yīng)力和剪應(yīng)力影響產(chǎn)生的張性裂縫 （見圖4e）與剪性裂縫（見圖4f）。碎裂煤中原生結(jié)構(gòu)受到破壞，大量微裂縫的出現(xiàn)，為微孔隙之間建立連通渠道，在一定程度上改善了煤巖孔隙的滲流能力。

3 構(gòu)造煤低溫氮吸附曲線

根據(jù)12個(gè)樣品比表面積和孔徑分布的測(cè)試結(jié)果，將低溫氮?dú)馕健⒚摳角€區(qū)分為3種類型。不同類型的曲線反映了煤巖不同的表面性質(zhì)和孔隙分布特點(diǎn)。Ⅰ類曲線（見圖 5a，5b，5c）的吸附、脫附曲線相對(duì)平行，不存在明顯的滯后環(huán)，表明煤巖的孔隙系統(tǒng)主要由一端封閉的不透氣構(gòu)成［16］；Ⅱ類曲線（見圖 5d，5e，5f）的吸附、脫附曲線出現(xiàn)明顯的滯后環(huán)，顯示孔隙系統(tǒng)較為復(fù)雜，多種孔隙形態(tài)的并存，包含開放性的透氣孔和一端封閉的不透氣孔；Ⅲ類曲線（見圖 5g，5h，5i）的吸附曲線呈線性上升，脫附曲線在相對(duì)壓力0.5附近急劇下降。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是煤的孔隙系統(tǒng)中墨水瓶孔較為發(fā)育，當(dāng)相對(duì)壓力下降到0.5附近，瓶型孔中氣體突然釋放，導(dǎo)致產(chǎn)生拐點(diǎn)。滯后環(huán)現(xiàn)象的產(chǎn)生與煤巖變形程度存在密切關(guān)系。

由實(shí)驗(yàn)獲取的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù) （洼槽區(qū)樣品HHH-1—7，斜坡帶樣品HHH-8—12）可知，洼槽區(qū)煤巖主要以Ⅰ類曲線為代表，少量存在Ⅱ類曲線；斜坡帶以Ⅲ類曲線為主，伴隨過渡型的Ⅱ類曲線。斜坡帶相對(duì)于洼槽區(qū)煤巖而言，平均孔直徑逐漸減小，而比表面積則以數(shù)量級(jí)增加，總孔體積也表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。

圖3 原生結(jié)構(gòu)煤掃描電鏡特征

圖4 碎裂煤掃描電鏡特征

圖5 呼和湖凹陷煤巖低溫氮吸附、脫附曲線

上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是煤儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)受到變形程度的影響而發(fā)生改變，中孔和小孔逐漸被大量出現(xiàn)的微孔取代。其中以墨水瓶孔的大量出現(xiàn)為拐點(diǎn)，突出了煤巖對(duì)氣體吸附能力的差異性。

4 分形維數(shù)特征及其與吸附能力關(guān)系

4.1 分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系

分形維數(shù)是評(píng)價(jià)煤巖孔隙結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)［17-18］。由圖6a，6b，6c可以看出，分形維數(shù)與孔隙平均孔直徑具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與比表面積和總孔體積呈正相關(guān)關(guān)系，即分形維數(shù)增加，煤巖平均孔直徑變小，微孔逐漸增多，總孔體積變大，比表面積增加。

上述特征表明，構(gòu)造變形作用改變了孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煤巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙類型從一端封閉的不透氣孔向開放性孔過渡，最終被墨水瓶孔取代，使得孔隙之間連通不暢通。研究表明，呼和湖斜坡帶與洼槽區(qū)煤巖的分形維數(shù)較好地反映了不同變形程度下煤巖孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。一方面體現(xiàn)出煤巖橫向和縱向上的非均質(zhì)性，另一方面可定量評(píng)價(jià)孔隙結(jié)構(gòu)和吸附特征。

4.2 分形維數(shù)與吸附能力的關(guān)系

煤層氣以吸附形式為主，孔隙組合形式和結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)對(duì)煤巖的吸附能力起到一定控制作用［19-20］。由分形維數(shù)與蘭氏體積的關(guān)系（見圖6d）可以看出，隨著分形維數(shù)的變大，對(duì)甲烷的吸附能力也隨之增強(qiáng)。這種現(xiàn)象說明，構(gòu)造變形會(huì)導(dǎo)致孔隙系統(tǒng)發(fā)生重組，使得微孔的數(shù)量和類型隨變形程度加大而增多，增加了孔隙的比表面積；與此同時(shí)，變形作用增加了孔隙表面的粗糙度，復(fù)雜化孔隙間喉道關(guān)系。兩者的變化在一定程度上提供更多甲烷分析排列的空間，增加了對(duì)甲烷的吸附能力，因此，分形維數(shù)可以反映煤巖的吸附能力。

整體而言，呼和湖凹陷由于變質(zhì)程度較低，自身的生氣能力有限，煤層氣富集成藏條件更加苛刻。僅從儲(chǔ)層吸附能力而言，緩坡帶的煤巖相對(duì)于洼槽區(qū)經(jīng)歷了更強(qiáng)的構(gòu)造變形，其分形維數(shù)較大，因此吸附能力更強(qiáng)，具備較好的儲(chǔ)層條件。在今后的煤層氣勘探過程中，應(yīng)將適當(dāng)?shù)臉?gòu)造活動(dòng)區(qū)作為勘探的重要方向。

圖6 分形維數(shù)與吸附能力和孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系

5 結(jié)論

1）研究表明，呼和湖凹陷南部煤層受構(gòu)造活動(dòng)的影響，在縱向和橫向上存在較強(qiáng)的非均質(zhì)性，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異。隨著變形程度的增加，大量的植物組織孔被破壞，微孔開始增多；裂縫的數(shù)量和類型朝多樣化轉(zhuǎn)變，既增加孔隙之間的連通性起到積極作用，又改善了孔隙間的滲流能力。

2）在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，低溫氮吸附、脫附曲線表現(xiàn)出3種形態(tài)，代表了不同的表面性質(zhì)和孔隙分布特征。隨變形程度增加，煤儲(chǔ)層中的孔隙由一端封閉的不透氣孔向開放孔過渡，最后墨水瓶型孔占主導(dǎo)地位。

3）從原生結(jié)構(gòu)煤到碎裂煤，分形維數(shù)與比表面積、總孔體積和蘭氏體積表現(xiàn)出線性正相關(guān)關(guān)系，與平均孔直徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。上述特征證，實(shí)煤儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)受到變形程度的影響而發(fā)生改變，中孔和小孔被大量的微孔取代，孔徑變小，比表面積增大，孔隙表面粗糙度增加，為甲烷提供更多的吸附空間，使得煤巖吸附能力更強(qiáng)。

4）呼和湖凹陷南部斜坡帶相對(duì)于洼槽區(qū)，構(gòu)造活動(dòng)更多活躍，無論是孔隙類型、裂縫發(fā)育程度還是煤層吸附能力都更具優(yōu)勢(shì)，應(yīng)作為大慶探區(qū)今后煤層氣勘探的重點(diǎn)突破區(qū)。

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