王有智，王世輝

(大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

鶴崗煤田構造煤孔隙分形特征

王有智，王世輝

(大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

基于鶴崗煤田北部區(qū)塊典型構造煤樣的低溫氮吸附實驗數(shù)據(jù)，分析不同變形程度下構造煤的分形維數(shù)與孔隙系統(tǒng)結構和氣體吸附能力的關系.結果表明，受變形程度影響，碎裂煤和碎粒煤的孔隙系統(tǒng)發(fā)生變化，導致低溫氮吸附、解吸曲線表現(xiàn)出不同形態(tài).在相對壓力為0.5～1.0時，分形維數(shù)可以有效表征碎裂煤與碎粒煤的孔隙結構和吸附能力.隨著分形維數(shù)變大，煤巖變形程度增加，微孔含量增加，孔徑變小，比表面積增大，孔表面粗糙度增加，使得煤巖孔隙系統(tǒng)復雜化，最終煤巖吸附能力增強.因此，煤巖孔隙分形維數(shù)可以表征煤巖孔隙結構和吸附能力.

分形維數(shù)；孔隙結構；吸附能力；構造煤；鶴崗煤田；低溫氮吸附實驗

0 引言

煤巖的孔隙結構對煤層氣吸附和滲流能力起重要控制作用[1-4].在產(chǎn)出過程中，煤層氣首先從煤巖孔隙表面解吸出來成為游離態(tài)，孔徑大小和孔隙形態(tài)決定煤層氣解吸的難易程度，因此系統(tǒng)研究煤儲層孔隙結構特征對煤層氣勘探開發(fā)至關重要[5-8].煤巖儲層的非均質(zhì)性較強，孔隙結構非常復雜且形狀不規(guī)則，很難定量評價煤儲層微觀結構的復雜程度[9].

傳統(tǒng)意義上的幾何學定量評價儲層孔隙結構結果不盡如人意，分形幾何理論的創(chuàng)立為描述具有分形特征的復雜孔隙結構儲集體提供簡單而有效方法[10].Pfeifer P、Katz A J和Kroch C E等研究[11-13]表明，煤巖、砂巖、頁巖和碳酸鹽巖等儲集巖中孔隙結構具有良好的“自形似性”，在一定孔隙尺度范圍內(nèi)顯示較好分形特征，可以通過計算分形維數(shù)定量描述[14].Shen P等通過研究分形維數(shù)與儲層微觀非均質(zhì)性的關系，得出分形維數(shù)與儲層非均質(zhì)性呈正相關關系[15].文慧儉、賀偉等研究砂巖等儲層孔隙結構的分形特征，認為分形維數(shù)在2～3之間，隨著分形維數(shù)的增大，孔隙表面的粗糙程度、孔吼不規(guī)則性和結構復雜程度相應增大[16-17].因此，根據(jù)局部微觀孔隙結構特征與整體具有的相似性，可以將分形維數(shù)作為定量表征儲層孔隙結構復雜程度的重要參數(shù)[18].

鶴崗煤層氣勘探始于1998年，中聯(lián)煤層氣公司、大慶油田有限責任公司等開工多口煤層氣參數(shù)井，由于受到構造煤困擾，煤層氣勘探進展緩慢.人們對鶴崗盆地的研究主要集中在煤層氣成藏條件分析方面[19-21]，忽略構造煤背景下孔隙結構的改變對儲層非均質(zhì)性和煤層氣吸附能力的影響.筆者研究鶴崗煤田北部地區(qū)構造煤儲層，計算煤巖孔隙分形維數(shù)，探討孔隙分形特征與煤巖吸附能力之間的關系，為研究煤儲層非均質(zhì)性的形成機理提供指導.

1 地質(zhì)背景及煤樣采集

鶴崗盆地位于吉黑褶皺系、老爺嶺隆起、青黑山隆起帶上的鶴崗斷陷內(nèi).區(qū)域構造演化研究表明，鶴崗盆地經(jīng)歷多期性質(zhì)不同的構造運動，應力場方向多次發(fā)生大的改變，導致礦區(qū)內(nèi)張性斷裂密集發(fā)育，相互截切，使得構造格局更加復雜.鶴崗煤田位于盆地西側，呈現(xiàn)向東傾斜的半掩蓋式單斜構造形態(tài).

鶴崗煤田北部的益新、鳥山和南山礦為煤層氣有利勘探區(qū)，15#、18#和21#等3套煤層為主要目的層[21].為研究鶴崗煤田煤層孔隙結構特征，煤巖樣品采集于煤田北部益新礦、鳥山礦的3套主力煤層.基于構造煤分類方案中對煤巖宏觀特征的描述[22]，所采集煤巖樣品屬于脆性變形系列的碎裂煤(見圖1(a)、(c))和碎粒煤(見圖1(b)、(d)).碎裂煤原生結構相對完整，可見條帶狀構造，可觀測兩組割理，手試強度較硬，局部可見小碎塊；無法觀測碎粒煤原生結構和割理，在少數(shù)塊狀煤中可見構造面擦痕，形成光亮鏡面，手試強度較差，輕捏即成細小顆粒，一般碎粒直徑為1～5 cm.

圖1 鶴崗煤田北部構造煤類型Fig.1 Tectonic coal types of north Hegang coal field

2 構造煤低溫氮吸附曲線

根據(jù)9個樣品的測試結果，將低溫氮吸附、脫附曲線劃分為兩種類型.Ⅰ類曲線(見圖2(b)、(d)、(g)、(h))的主要特點是吸附、脫附曲線不存在明顯的滯后環(huán)，反映煤的孔隙系統(tǒng)主要為開放性的透氣孔.Ⅱ類曲線(見圖2(a)、(c)、(e)、(f)、(i))的主要特點是吸附、脫附曲線出現(xiàn)明顯的滯后環(huán).這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在吸附、脫附氣體過程中，煤的孔隙系統(tǒng)中瓶型孔隙較為發(fā)育[1]，隨著相對壓力下降到0.5附近，瓶型孔隙中氣體大量解吸，導致曲線產(chǎn)生拐點.

鶴崗煤田構造煤孔隙以微孔為主，比例為60.23%～86.70%，平均為67.84%；過渡孔比例為20.70%～29.03%，平均為24.48%；中孔比例為5.31%～11.31%，平均為7.66%.其中，碎裂煤表現(xiàn)為Ⅰ型曲線特征，微孔比例為60%左右，平均孔徑為22.31 nm；碎粒煤表現(xiàn)為Ⅱ型曲線特征，微孔比例在70%以上，平均孔徑為14.29 nm.隨著變形強度加大，孔隙結構發(fā)生變化，微孔比例增加，比表面積隨之變大.

圖2 鶴崗煤田構造煤低溫氮吸附、脫附曲線Fig.2 Adsorption/desorption isothermals of Hegang coal field tectonic coal by low-temperature nitrogen

3 分形維數(shù)特征

式中：V為平衡壓力p下的吸附氣體體積；V0為單分子層的吸附氣體體積；p為平衡壓力；p0為氣體吸附的飽和蒸汽壓；A為對數(shù)曲線斜率；constant為常量.

式中：D為分形維數(shù).

繪制ln V與ln(ln(p0/p))雙對數(shù)圖，得到擬合直線斜率A，即可計算孔隙分形維數(shù)D.針對2個相對壓力段(p/p0＜0.5和p/p0＞0.5)求取分形維數(shù).由煤巖樣品微小孔的分形計算結果(見圖3)可知，在2個相對壓力段，碎裂煤和碎粒煤的雙對數(shù)曲線擬合關系較好，分形維數(shù)計算結果介于2～3之間，符合孔表面孔結構的分形意義[24].比較不同相對壓力的分形維數(shù)D1和D2，證實滯后環(huán)的存在對孔隙系統(tǒng)的影響(見表1)，在相對壓力小于0.5時，D1與曲線類型沒有規(guī)律性；在相對壓力超過0.5時，存在滯后環(huán)的D2均比不存在滯后環(huán)的D2要高.這說明由于煤樣變形程度不同，導致自身孔隙系統(tǒng)發(fā)生變化，從而表現(xiàn)不同的分形特征.因此，研究相對壓力大于0.5的分形維數(shù)特征對了解煤層孔隙系統(tǒng)更有意義.

煤巖孔隙的分形維數(shù)計算方法較多[23]，其中FHH[1]模型應用較為廣泛，計算方法基于

圖3 鶴崗煤田低溫氮吸附體積和相對壓力(p/p 0＞0.5)的雙對數(shù)曲線Fig.3 Plots of ln V and ln(ln(p 0/p))(p/p 0＞0.5)reconstructed from the N2 gas adsorption isotherms

表1 鶴崗煤田構造煤微小孔分形維數(shù)Table 1 Pore fractal dimensions for Hegangtectonic coal

3.1 煤分形維數(shù)與吸附能力的關系

甲烷在煤中的存在形式以吸附為主，因此孔隙形狀與結構對煤巖的吸附能力產(chǎn)生一定影響[25-26].分形維數(shù)可以表征煤巖孔隙的不規(guī)則性或粗糙性，因此分形維數(shù)與煤巖的吸附能力具有相關性.由分形維數(shù)D2與蘭氏體積的關系(見圖4(a))可知，分形維數(shù)D2與蘭氏體積大體上呈線性正相關，即甲烷的吸附能力隨分形維數(shù)的增大而增強.隨著煤巖變形程度增加，煤巖中孔隙結構發(fā)生重組，微孔數(shù)量增加，比表面積變大，同時孔隙的形狀和粗糙程度增加，使得分形維數(shù)變大.煤巖對煤層氣的吸附以表面吸附為主，因此煤巖的吸附能力增強.

3.2 煤分形維數(shù)與孔隙結構的關系

分形維數(shù)與煤巖孔隙結構有密切的關系[27-28].分形維數(shù)D2與煤巖微孔體積分數(shù)呈正相關關系，即分形維數(shù)越大，微孔體積分數(shù)越多；分形維數(shù)與比表面積大體呈正相關關系，與平均孔徑呈相反趨勢(見圖4(b)、(c)、(d)).

圖4 分形維數(shù)與吸附能力和孔隙結構的關系Fig.4 Relationships between the fractal dimension adsorptive capacity and pore structure

分形維數(shù)與比表面積、微孔體積分數(shù)和平均孔徑具有顯著的相關性，表明隨著分形維數(shù)增加，一方面煤巖孔隙形態(tài)發(fā)生較大變化，從開放性孔隙向瓶型孔過渡，孔隙吼道逐漸復雜化，連通性變差；另一方面孔隙表面也由光滑向粗糙轉化，比表面積增加，甲烷分子附著排列的空間增大.因此，分形維數(shù)能夠較為準確地反映在不同變形程度下的煤巖孔隙結構和吸附特征.

4 結論

(1)鶴崗煤田北部地區(qū)碎裂煤和碎粒煤孔隙以微孔為主，低溫氮吸附、脫附曲線在相對壓力p/p0＞0.5時表現(xiàn)兩種類型.碎裂煤低溫氮吸附、脫附曲線相對平行，孔隙以開放孔為主；碎粒煤低溫氮吸附、解吸曲線間存在明顯的滯后環(huán)，孔隙以瓶型孔為主.

(2)構造煤分形維數(shù)在相對壓力p/p0＞0.5時更具有研究意義，碎粒煤的分形維數(shù)高于碎裂煤的.

(3)分形維數(shù)既能反映吸附能力強弱，又能表征孔隙結構.分形維數(shù)變大，煤巖變形程度增加，微孔體積分數(shù)增加，平均孔徑變小，比表面積增大，孔表面粗糙度增加，導致煤巖孔隙系統(tǒng)復雜化，最終煤巖吸附能力增強.

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TD31

A

2095-4107(2014)05-0061-06

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.05.008

2013-10-14；編輯任志平

國家重大科技專項(2010E-2201)

王有智(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事煤層氣勘探與部署方面的研究.

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