汪 雷,湯達(dá)禎,許 浩,李 松,逄建東,姚長(zhǎng)華,李晶晶,喻廷旭

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)煤層氣國(guó)家工程中心煤儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 300457)

?

巖漿活動(dòng)對(duì)西山煤田煤儲(chǔ)層物性的差異改造特征

汪 雷1,2,湯達(dá)禎1,2,許 浩1,2,李 松1,2,逄建東3,姚長(zhǎng)華3,李晶晶3,喻廷旭1,2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)煤層氣國(guó)家工程中心煤儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 300457)

摘 要:為探討巖漿侵入帶來(lái)的高溫?zé)嵝?yīng)對(duì)西山煤田的煤儲(chǔ)層物性的差異改造特征,在盆地模擬的基礎(chǔ)上,以西山煤田西區(qū)煤巖為研究對(duì)象,系統(tǒng)采用反射率測(cè)試、工業(yè)分析、核磁共振、等溫吸附、低溫液氮吸附、顯微裂隙統(tǒng)計(jì)等實(shí)驗(yàn)手段對(duì)距巖漿巖體遠(yuǎn)近不同的煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果表明離巖漿侵入中心距離不同,儲(chǔ)層的孔形、孔徑、吸附規(guī)律等都表現(xiàn)出差異演化特征,如距巖體越近,煤層反射率明顯增大、揮發(fā)分較低、灰分增大、BET和孔容增大、瓦斯吸附能力為低—高—低的趨勢(shì)。在高溫、高壓的雙重作用下,煤層形成了大量巖漿誘發(fā)成因的煤層割理,普遍提高了煤層的滲透率。研究結(jié)果表明,巖漿活動(dòng)對(duì)西山煤田煤儲(chǔ)層物性的改造具有雙重性,研究區(qū)的中西部屯蘭和石千峰一帶是儲(chǔ)層綜合物性條件最佳的地區(qū),是煤層氣富集高產(chǎn)的有利區(qū)帶。

關(guān)鍵詞:西山煤田;巖漿活動(dòng);儲(chǔ)層物性;改造;差異性;煤層氣

責(zé)任編輯:韓晉平

汪 雷,湯達(dá)禎,許 浩,等.巖漿活動(dòng)對(duì)西山煤田煤儲(chǔ)層物性的差異改造特征[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(8):1900-1910.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0332

我國(guó)高煤階煤層氣資源量豐富,達(dá)1013m3[1]。由于高煤階煤層埋藏深度大,煤層孔隙度小、滲透率低,因而煤層氣開發(fā)比較困難,但我國(guó)大部分高煤階含煤盆地的煤層并不是單純由深成變質(zhì)作用所形成,而是伴隨了多期構(gòu)造熱事件[2],大部分高煤階煤的形成都與巖漿熱變質(zhì)作用有關(guān)。楊起等[3-7]對(duì)中國(guó)煤變質(zhì)作用的研究表明,深成變質(zhì)作用使中國(guó)晚古生代煤演化到低變質(zhì)階段;中生代巖漿活動(dòng),尤其是燕山期巖漿熱變質(zhì)作用使得中國(guó)很大一部分煤的煤級(jí)提高到中、高變質(zhì)煤。因此燕山期巖漿侵入對(duì)中國(guó)煤巖的煤質(zhì)和瓦斯賦存特征具有重大影響。王勃等[8]認(rèn)為西山煤田成藏過(guò)程的階段性引起現(xiàn)今的煤層埋深適中和構(gòu)造演化-熱演化引起的較短時(shí)間內(nèi)的異常熱事件誘發(fā)了二次生氣作用并有利于富集高產(chǎn)煤層氣藏形成。劉洪林等[9]認(rèn)為造成西山煤田煤的熱演化程度普遍較高,由東南向西北方向,變質(zhì)程度逐漸降低,Ro由2.6%降低為1.2%,大部分地區(qū)煤層經(jīng)歷了二次生氣。前人的研究只是提到巖漿活動(dòng)會(huì)誘發(fā)二次生氣,并導(dǎo)致次生孔、裂隙的形成,籠統(tǒng)認(rèn)為巖漿活動(dòng)對(duì)于煤層氣富集而言是有利的,然而,關(guān)于是不是巖漿活動(dòng)就單方面使儲(chǔ)層物性變好,巖漿活動(dòng)究竟使煤儲(chǔ)層物性條件發(fā)生了怎樣的改變以及距巖體不同距離的煤儲(chǔ)層物性究竟有何差異等相關(guān)問(wèn)題并無(wú)深入研究,筆者擬在該區(qū)埋藏史和生烴史分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合一系列表征煤儲(chǔ)層物性的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段,探討巖漿活動(dòng)是具體如何影響煤儲(chǔ)層的物性條件,從而總結(jié)規(guī)律,對(duì)西山煤田煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)優(yōu)選提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

西山煤田位于沁水盆地西北部。西面是呂梁山脈,北面為云中山余脈,東面和南面為晉中裂陷盆地。地理坐標(biāo):東經(jīng)111.86°~112.50°,北緯37.40°~38.04°。西山煤田南北長(zhǎng)約75 km,東西寬約40 km,總面積1 898.4 km2,呈北、中部開闊,向南收斂的“倒梨形”。

1.1 地層出露及煤層發(fā)育情況

圖1　太原西山上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)地層柱狀圖Fig.1 Taiyuan Xishan Upper Carboniferous-LowerPermian stratigraphic column

煤田主要的含煤層系為石炭—二疊系(圖1),上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)厚100~200 m,由砂、泥巖夾石灰?guī)r和煤層組成,為一套海陸交互相沉積[10]。據(jù)露頭和鉆孔資料,可采煤層共16層,主要發(fā)育于上石炭—下二疊統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組?？刹擅簩涌偤穸葹?~18 m,一般6~12 m。其中山西組2號(hào)煤層,太原組8號(hào)和9號(hào)煤層為全區(qū)可采,其余煤層僅為局部可采。2,8,9號(hào)煤層分布最為廣泛,厚度較大,是西山煤田煤層氣勘探的主要層位。

1.2 區(qū)域構(gòu)造概況

西山煤田西臨呂梁山隆起,一系列近南北向的斷層(狐偃山斷裂帶)構(gòu)成煤田的西邊界。南面以清交斷裂帶為界與晉中裂陷盆地相鄰。東面以晉祠斷裂帶為界與晉中裂陷盆地相鄰。北界為盤道—馬家山斷層(圖2)。煤田西部中段狐偃山構(gòu)造帶附近有堿性二長(zhǎng)巖的侵入形成巖床及巖株等。

圖2　西山煤田構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.2 Brief structure map of Xishan Coalfield

2 構(gòu)造熱事件

2.1 構(gòu)造熱事件的相關(guān)證據(jù)

倘若西山煤田煤巖的形成以深成變質(zhì)作用占主導(dǎo),按3℃/ (100 m)的地溫梯度(地表溫度25℃),恒溫帶25 m計(jì)算,石炭—二疊系煤層在三疊紀(jì)末的溫度為80~150℃,按照Barker等[11]的經(jīng)典計(jì)算公式:ln Ro,max= 0.007 8Tmax-1.2計(jì)算發(fā)現(xiàn),Ro,max值應(yīng)該低于0.97%。因此,按理說(shuō)石炭—二疊系煤層現(xiàn)今的變質(zhì)程度應(yīng)該很低,而且區(qū)域上的差異不大,相應(yīng)的煤質(zhì)也應(yīng)以長(zhǎng)焰煤、氣煤為主,最高也僅能達(dá)到肥煤階段,然而,如圖3所示,西山煤田大部分區(qū)域的煤級(jí)皆已超過(guò)肥煤,部分地方甚至已經(jīng)達(dá)到了無(wú)煙煤級(jí)別。單靠正常地溫場(chǎng)西山煤田是不可能達(dá)到如此高的Ro,max值,故僅用深成變質(zhì)作用不能很好解釋西山高變質(zhì)程度煤巖的成因。

楊起等[7]認(rèn)為西山煤田煤變質(zhì)的熱源是西部中段狐偃山巖體和東南部祁縣隱伏巖體,且兩次巖漿侵入的時(shí)間并不一致,煤田東南緣清交斷裂帶的形成,為深部巖漿提供了上侵通道。孫蓓蕾等[12]通過(guò)裂變徑跡熱年代學(xué)分析證實(shí)西山煤田大致以寨山—邢家社—東曲一線為界分為西區(qū)和東區(qū),西區(qū)受狐偃山巖體影響,煤級(jí)定型時(shí)間為晚侏羅—早白堊世,而東區(qū)受祁縣巖體的影響,煤級(jí)定型時(shí)間為晚三疊—早侏羅世。筆者綜合前人研究后得出:西山煤田煤變質(zhì)作用類型早期表現(xiàn)為深成變質(zhì)作用,它奠定了煤田煤的變質(zhì)基礎(chǔ),使石炭—二疊系煤層的變質(zhì)程度達(dá)到了氣煤—肥煤階段。到中生代,由于燕山期巖漿活動(dòng)的多次侵入,巨大的巖漿熱的疊加,使得本區(qū)產(chǎn)生廣泛的巖漿熱變質(zhì)作用,受此影響,熱接觸變質(zhì)煤中有規(guī)律地形成了具有巖漿活動(dòng)標(biāo)識(shí)的各種中間相小球體[13],并造就了目前的煤級(jí)分帶(圖3,紅色標(biāo)注為實(shí)驗(yàn)樣品采集點(diǎn))。

圖3　西山煤田煤層反射率平面展布Fig.3 Coal reflectivity plane distribution of Xishan Coalfield

西山煤田煤級(jí)呈北東向條帶狀分布,從西北—東南變質(zhì)程度逐步加深有規(guī)律地排列,狐偃山巖漿巖體周圍上下煤組全為環(huán)狀接觸變質(zhì)帶,在變質(zhì)帶外圍,呈半環(huán)條帶分布有無(wú)煙煤。

2.2 巖漿侵入的相關(guān)研究

印支運(yùn)動(dòng)在山西的表現(xiàn)不明顯,研究區(qū)主要經(jīng)歷燕山運(yùn)動(dòng)與喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。根據(jù)區(qū)內(nèi)已確定時(shí)代的堿性—偏堿性雜巖群(同位素年齡100~150 Ma)的侵入接觸關(guān)系可認(rèn)定,燕山運(yùn)動(dòng)是該區(qū)構(gòu)造動(dòng)力的最主要來(lái)源,它形成了本區(qū)大多數(shù)斷裂及褶皺。位于研究區(qū)西部的狐偃山巖漿巖體是該區(qū)經(jīng)歷熱構(gòu)造事件的直接證據(jù)。

據(jù)野外觀察發(fā)現(xiàn)狐偃山巖體與圍巖接觸面向外傾約60°,雜巖體直接侵入的地層,自北西向南東由老到新,巖體直接圍巖主要為中奧陶統(tǒng)上馬家溝組二三段灰?guī)r和灰?guī)r與白云質(zhì)灰?guī)r互層(均已大理巖化),接觸帶可見(jiàn)寬度不等的矽卡巖化、磁鐵礦化(并形成磁鐵礦床)現(xiàn)象。狐偃山近等粒二長(zhǎng)巖體呈淺灰紅色,近等粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,與四周斑狀-似斑狀二長(zhǎng)巖之間均以圍巖相隔,圍巖厚度不均。在不同程度熱力作用的影響下,縱向上依次可見(jiàn)侵入帶的二長(zhǎng)巖,接觸帶灰?guī)r的大理巖化及上部泥巖的綠泥石化現(xiàn)象(圖4)。

圖4　狐偃山巖體野外特征Fig.4 Field characteristics of Hu Yanshan

狐偃山堿性偏堿性雜巖體形成于107.06~159.541 Ma,相當(dāng)于晚中生代晚侏羅世—早白堊世,巖漿分3個(gè)期次侵入(表1,據(jù)文獻(xiàn)[14]修改)。

表1　狐偃山堿性偏堿性雜巖群侵入期次劃分Table 1 Intrusion stage of Alkaline complex in Huyan Moutain

3 巖漿活動(dòng)對(duì)煤儲(chǔ)層孔滲性的影響

3.1 煤層生烴史

西山煤田煤巖生烴演化可劃分為4個(gè)階段,且與煤層埋藏的4個(gè)階段一一相對(duì)應(yīng)。第Ⅰ階段,有機(jī)質(zhì)成熟度升高緩慢,晚三疊世末,發(fā)生第1次生烴,Ro為0.9%~1.0% ,煤層經(jīng)歷了深成作用成氣階段;第Ⅱ階段,構(gòu)造活動(dòng)幅度小、溫度變化小,基本不發(fā)生生烴作用;第Ⅲ階段,地殼雖快速抬升,但由于燕山期的巖漿侵入事件,煤層溫度仍迅速升高,Ro為1.7%~2.8% ,進(jìn)行第2次大規(guī)模生氣作用,是生成甲烷的最主要時(shí)期;第Ⅳ階段,地殼繼續(xù)緩慢抬升,溫度降低,有機(jī)質(zhì)演化近乎停止,生烴作用基本結(jié)束。

3.2 埋藏史與生烴史對(duì)儲(chǔ)層孔滲條件的影響

從盆地演化角度分析,在沉積埋藏的第Ⅰ,Ⅱ階段,構(gòu)造活動(dòng)較為穩(wěn)定,隨著煤儲(chǔ)層埋深逐漸增加,煤巖孔隙度減小(圖5 (a)),煤儲(chǔ)層滲透率逐漸降低(圖5(b));第Ⅲ,Ⅳ階段,構(gòu)造活動(dòng)和火山活動(dòng)頻繁,在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和地?zé)釄?chǎng)的綜合作用下,一系列裂縫得以產(chǎn)生,使得煤儲(chǔ)層滲透性有所改善。

4 煤儲(chǔ)層物性分析

國(guó)外學(xué)者從巖相學(xué)、元素分析、孔徑分布和吸附特性等方面研究巖漿侵入對(duì)儲(chǔ)層的改造效果,認(rèn)為靠近巖漿巖,煤的成熟度顯著提高,Ro有增大的趨勢(shì)。顯微照片中出現(xiàn)鑲嵌結(jié)構(gòu)和熱解氣孔。煤的微孔較為發(fā)育,總孔隙率增大,吸附和儲(chǔ)集瓦斯的能力增強(qiáng)[15-16]。國(guó)內(nèi)學(xué)者多從煤的變質(zhì)程度和工業(yè)分析等方面研究巖漿巖對(duì)煤巖影響,發(fā)現(xiàn)離巖漿巖愈近,煤的變質(zhì)程度愈高,灰分愈大,而水分和揮發(fā)分愈小,在距巖體較近的位置,儲(chǔ)層的綜合物性條件最佳[13,17-18]。然而通過(guò)此次研究,筆者在某些方面卻有不同的認(rèn)識(shí)。

圖5　煤儲(chǔ)層沉積演化進(jìn)程中深度與孔隙度、滲透率的關(guān)系Fig.5 Relationship between depth and porosity,permeability of coal reservoir in the process of sedimentary evolution

本次研究所用樣品來(lái)自煤田西區(qū)4個(gè)不同礦區(qū)的2號(hào)煤層,按與狐偃山距離遠(yuǎn)近不同而分別采樣,距離由遠(yuǎn)至近依次為:嘉樂(lè)泉礦( JLQ),屯蘭礦(TL),石千峰礦(SQF),東塔礦(DT),所采煤樣均在巖漿影響區(qū)內(nèi)。工業(yè)分析使用的儀器5E-MACⅢ紅外快速煤質(zhì)分析儀;采用ASAP-2020在77.35 K的條件下對(duì)樣品進(jìn)行低溫液氮吸附(實(shí)驗(yàn)前,樣品均被研磨至60~80目,在120℃的溫度條件下真空脫氣處理3 h),分析的孔徑范圍為1.7~300 nm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。所有測(cè)試結(jié)果表明,除工業(yè)分析和比表面積測(cè)定外,同一礦區(qū)的煤巖其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異均較小,故挑選每個(gè)礦區(qū)典型樣品進(jìn)行對(duì)比分析(JLQ-1, TL-1,SQF-1,DT-2)。

4.1 巖漿活動(dòng)影響下煤質(zhì)的變化規(guī)律

由表2可知,鄰近狐偃山巖體,煤巖的反射率顯著提高( JLQ - 1,1.29%; TL - 1,1.46%; SQF - 1, 1.65%;DT-2,3.51%),固定碳FCd雖有變化但規(guī)律性不明顯,與巖體的距離變小,揮發(fā)分Vdaf有明顯減小的趨勢(shì)(圖6(a)),但水分Mad卻表現(xiàn)為高—低—高的趨勢(shì)(DT,5.51%),這是由于煤巖在一定程度上受到烘烤,使其中水分降低,但據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn)分析知樣品DT的束縛水飽和度為所有樣品中最高,這是造成其Mad偏高的主要原因。以上煤質(zhì)分析的變化規(guī)律皆說(shuō)明,巖漿侵入所伴隨的熱效應(yīng)使得研究區(qū)的煤儲(chǔ)層熱演化程度提高。

表2　樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of samples

4.2 煤的比表面積、孔容的變化

比表面積是指單位質(zhì)量物質(zhì)所具有的總面積。煤層中的氣體大都以吸附狀態(tài)存在于煤的孔裂隙中,因而煤巖的比表面積是決定煤層吸附能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

據(jù)表2可知,實(shí)驗(yàn)所用樣品多為焦煤-無(wú)煙煤,所得煤巖的BET比表面積皆較小,在0.5 m2/ g以下的居多。此次研究表明,與火成巖距離變小,煤樣BET比表面積和孔容表現(xiàn)出高—低—高的趨勢(shì),在東塔礦煤樣的BET比表面積和孔容均達(dá)到最大,分別為1.46 m2/ g和0.002 546 cm3/ g(圖6(b))。

圖6　工業(yè)分析及BET比表面積分析結(jié)果Fig.6 Results of industrial analysis and BETsurface area analysis

4.3 煤巖孔隙形態(tài)及孔徑的變化

具有毛細(xì)孔的固體吸附-解吸試驗(yàn),吸附分支和解吸分支會(huì)出現(xiàn)分離和重疊兩種現(xiàn)象[19]?！拔交鼐€”就是二者分離的結(jié)果,“吸附回線”的形態(tài)反映了孔形結(jié)構(gòu)的一些情況[20-21]。因此,可從低溫液氮吸附-脫附曲線形態(tài)著手,分析對(duì)吸附起主要作用的孔徑分布,以及煤的孔隙形態(tài)類型。陳萍和唐修義[22]根據(jù)“吸附回線”形態(tài),把吸附等溫線分為L(zhǎng)1,L2,L3三種,據(jù)圖7 (a)~(c)可知,樣品JLQ-1,TL-1,SQF-1均屬于“L2型”回線,該類回線表明其孔隙系統(tǒng)較為復(fù)雜。壓力相對(duì)較低時(shí)(<拐點(diǎn)處0.5),吸、脫附曲線基本重合,結(jié)合Kelvin方程可知,直徑小于4 nm的孔基本都為一端封閉的不透氣孔;壓力相對(duì)較高時(shí),出現(xiàn)明顯的吸附回線,說(shuō)明對(duì)應(yīng)較大孔徑的孔,肯定存在開放型孔,包括兩端開口的圓筒形孔、墨水瓶形孔和狹縫平板形孔,同時(shí)也可能存在著一端封閉的不透氣孔。樣品DT-2屬于“L3型”回線,該類回線滯后現(xiàn)象特別明顯,表明墨水瓶形孔尤其發(fā)育。

從以上分析可以得出以下認(rèn)識(shí):巖漿活動(dòng)對(duì)煤巖的孔形進(jìn)行了一定程度的改造,與巖體距離越近,煤巖低溫液氮吸-脫附曲線的滯后現(xiàn)象愈加明顯,墨水瓶形孔、狹縫形平板孔明顯增多。

圖7　樣品氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)曲線Fig.7 Nitrogen adsorption isotherms of samples

據(jù)資料記載屯蘭井田曾發(fā)生過(guò)8次瓦斯突出,其中在侵入體附近高達(dá)6次。這是由于大量瓦斯存儲(chǔ)于墨水瓶形孔的瓶體中、狹縫形平板孔的狹縫中,透氣性極差,在平衡壓力條件下近似處于“憋氣”狀態(tài)[23]。一旦瓶口和狹縫口處壓力降低,在瓶口和狹縫口處會(huì)立即形成“風(fēng)口”,頃刻間,瓶體內(nèi)、狹縫中的大量瓦斯氣體由解吸轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài),對(duì)容身空間的需求突然增大,氣體短時(shí)間內(nèi)涌向“風(fēng)口”,部分氣體甚至沖破孔壁向外擴(kuò)散。

筆者對(duì)孔徑分類采用國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的霍多特[24](1966)的分類方案:大孔( > 1 000 nm)、中孔(100~1 000 nm)、小孔或過(guò)渡孔(10~100 nm)、微孔(<10 nm)。

由圖8可知樣品JLQ-1的微孔最為發(fā)育,其次是小孔,中大孔相對(duì)不發(fā)育。樣品TL-1的孔徑分布情況和JLQ-1類似。樣品SQF-1明顯以微、小孔占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),中孔基本不發(fā)育,大孔比例有小幅提高。樣品DT-2與前3者差異較大,最明顯的特點(diǎn)就是中、大孔的比例顯著上升,小、中、大孔發(fā)育程度基本相當(dāng),孔隙分布不集中,從圖9(d)可以看出,其進(jìn)汞曲線無(wú)平臺(tái)段,此外該圖表明DT-2的退汞效率較低,孔隙結(jié)構(gòu)差,此類儲(chǔ)層的氣體采收率較低[25]。因而孔徑變化規(guī)律為:離巖體距離越小,煤巖的中、大孔的數(shù)量呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

圖8　孔直徑與階段孔體積關(guān)系Fig.8 Chart of pore diameter and stage pore volume

圖9　壓汞實(shí)驗(yàn)分析Fig.9 Analysis chart of mercury experimental

這種現(xiàn)象合理的解釋是整個(gè)西山地區(qū)在地質(zhì)歷史上共經(jīng)歷了2次生烴,第1次生烴作用的生氣量占總生氣量的比重只有34%,而后者則達(dá)66%,后者明顯強(qiáng)于前者[8]。在較短時(shí)間內(nèi),煤巖大量2次生氣,在高溫、高壓的雙重作用下,氣體突破煤基質(zhì)使煤體產(chǎn)生大量氣孔,而這些氣孔大多是大孔級(jí)別的,所以熱成因氣孔大大提高了西山地區(qū)煤巖的大孔數(shù)量(圖10(d))。

在基本穩(wěn)定的應(yīng)力條件下,煤體受到巖漿烘烤后,其中大量的揮發(fā)性物質(zhì)析出,留下密集的管狀氣孔,煤分子有了更大的自由空間,而且其排列的方向性和有序性遭到破壞,使得分子間距增大,孔隙變多。同時(shí),氣體的大量逸出可以留下溝通裂隙的氣孔構(gòu)造。

4.4 巖漿活動(dòng)對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響

巖漿熱變質(zhì)作用的特點(diǎn)是壓力變化小、溫度驟升,因此煤層在埋深上基本不會(huì)發(fā)生變化。生成同等變質(zhì)程度的煤,所受的圍巖壓力較深成變質(zhì)作用所受的圍巖壓力小,裂縫系統(tǒng)更容易被保存下來(lái)。

核磁共振法(簡(jiǎn)稱NMR)對(duì)煤巖傷害較小,能較為準(zhǔn)確地測(cè)定出其孔徑分布特征。此次實(shí)驗(yàn)所用儀器為蘇州紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)的全直徑巖心核磁共振成像分析系統(tǒng)MiniMR-60,該儀器的頻率為23.15 MHz,磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)0.54 T,磁場(chǎng)均勻度為30×10-6,儀器和樣品均保持在(21.5±0.5)℃。實(shí)驗(yàn)步驟為:①將樣品制作成直徑約2.5 cm的人造巖芯樣品用于實(shí)驗(yàn)分析;②實(shí)驗(yàn)前將樣品放在70℃的干燥箱內(nèi)干燥24 h,然后抽真空8 h,最后放入蒸餾水中飽和8 h;③對(duì)樣品開展100%水飽和的低磁場(chǎng)核磁共振實(shí)驗(yàn)。

煤的核磁共振橫向馳豫時(shí)間(T2)為0.5~2.5, 20~50,>100 ms時(shí)所對(duì)應(yīng)的3個(gè)譜峰分別代表了微小孔、中大孔和裂隙,譜峰越大則該峰所代表的孔裂隙越發(fā)育[26-27](圖11)。由圖8可發(fā)現(xiàn),所有樣品的吸附孔均不甚明顯,都以滲流孔和裂隙發(fā)育為特點(diǎn),但由JLQ-TL-SQF吸附孔也逐漸開始顯現(xiàn),樣品DT的滲流孔和裂隙峰值特別明顯,而且兩峰合二為一,說(shuō)明滲流孔和裂隙間連通性非常好。巖漿的高溫效應(yīng)明顯增大了研究區(qū)煤巖的裂隙度,如弧偃山巖漿巖體附近的屯蘭井田高變質(zhì)煤裂隙密度為52條/ m,天然焦裂隙密度為122條/ m。

圖10　煤巖掃描電鏡照片F(xiàn)ig.10 The scanning electron micrographs of coals

以西山煤田埋深在900 m左右的9號(hào)煤為例,GJ03,GJ07,GJ08,GJ10井的資料表明這4口井的滲透率分別為0.1×10-15,0.05×10-15,0.04× 10-15,0.04×10-15m2,然而,若拋開巖漿熱變質(zhì)成因,理論上9號(hào)煤的滲透率值應(yīng)小于0.01× 10-15m2,顯然研究區(qū)的巖漿活動(dòng)提高了煤巖滲透率。煤層割理中的自生伊利石礦物K/ Ar同位素測(cè)年也表明,數(shù)量眾多的割理形成時(shí)間與燕山期構(gòu)造熱事件是同期的。

圖11　核磁共振T2譜特征Fig.11 Characteristics of NMR T2

4.5 巖漿活動(dòng)影響下煤巖吸附特性變化

巖漿侵入產(chǎn)生的熱變質(zhì)作用,同時(shí)增大了煤巖中微觀孔隙和宏觀孔隙的數(shù)量,煤層的吸附能力和煤層對(duì)自由氣的儲(chǔ)集能力同時(shí)得到提高,吸附能力的增大對(duì)我國(guó)欠飽和煤層氣藏而言更為重要[28]。前人大量研究[29-30]表明,煤的吸附能力是隨其反射率增高而增加的。按此規(guī)律,巖漿熱變質(zhì)引起煤的吸附能力提高是比較合理的,然而事實(shí)并非如此。為探討規(guī)律,采用溫吸附測(cè)試系統(tǒng)KT-100對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試分析。據(jù)圖12可知,SQF-1的吸附能力最高,其次是TL-1,最后是JLQ-1和DT-2,在低壓階段,DT-2的吸附能力甚至是4個(gè)地區(qū)中最低的,由于DT-2的中、大孔因受巖漿劇烈烘烤變得很是發(fā)育,但其吸附孔數(shù)量卻較少,吸附能力故而較低,這與之前的分析吻合。東塔地區(qū)以西的ZK3和ZK8鉆孔中2號(hào)煤含氣量分別為3.72 m3/ t和4.09 m3/ t也恰可驗(yàn)證DT-2的瓦斯吸附能力低。距巖體越近,煤巖吸附能力整體表現(xiàn)為低-高-低的變化趨勢(shì)。這是由于巖漿熱變質(zhì)對(duì)煤的影響是多方面的,不單會(huì)影響其煤級(jí),還改變煤的孔隙結(jié)構(gòu)等,這導(dǎo)致巖漿活動(dòng)對(duì)煤吸附能力的影響產(chǎn)生了復(fù)雜的效果。

圖12　煤巖吸附等溫曲線對(duì)比Fig.12 Coal isothermal adsorption curves comparison

4.6 物性條件的平面變化規(guī)律

研究區(qū)最北的加樂(lè)泉地區(qū)距狐偃山巖體較遠(yuǎn),受巖漿活動(dòng)影響相對(duì)較小,變質(zhì)程度低,孔滲不發(fā)育, BET和孔容也均較低,瓦斯吸附能力較小;屯蘭地區(qū)煤巖變質(zhì)程度稍高,BET和孔容、瓦斯吸附能力均有增大趨勢(shì),但不甚明顯;石千峰地區(qū)煤巖孔隙度高,滲流條件好,瓦斯吸附能力最大;東塔地區(qū)煤巖孔隙率雖較高,且裂隙很發(fā)育,但綜合物性條件反倒變差,首先,其吸附孔以墨水瓶形孔、狹縫形平板孔為主,不利于煤層氣的解吸和運(yùn)移,其次,退汞效率最低,氣體采收率低,最后,煤巖吸附孔數(shù)量少,同時(shí)高水分也會(huì)增大水分子對(duì)甲烷分子的排擠作用,最終導(dǎo)致煤巖對(duì)瓦斯的吸附能力極低。這是巖漿活動(dòng)對(duì)儲(chǔ)層改造過(guò)度的體現(xiàn)。

5 結(jié) 論

(1)西山煤田西區(qū)煤層經(jīng)歷了燕山中—晚期構(gòu)造熱事件,位于煤田西部中段的狐偃山巖體是該區(qū)構(gòu)造熱事件的源頭所在,煤級(jí)呈條帶狀有規(guī)律地分布。在巖漿活動(dòng)的影響下,該區(qū)煤層普遍經(jīng)歷了2次生氣,且由異常熱流導(dǎo)致的生氣量高于由埋深變質(zhì)所導(dǎo)致的生氣量。

(2)煤層沉積形成之后,巖漿活動(dòng)較大程度上改造了該區(qū)煤儲(chǔ)層的物性條件,具體表現(xiàn)為與巖體距離變小,煤巖變質(zhì)程度提高、揮發(fā)分較低、水分呈現(xiàn)出高—低—高的趨勢(shì)、BET和孔容整體上為增大的趨勢(shì)。

(3)煤巖在2次生氣過(guò)程中,會(huì)形成大量的大孔,壓汞和核磁共振實(shí)驗(yàn)均證明,愈靠近巖體,中、大孔的數(shù)量明顯增加,滲流孔所占比例也隨之提高。短時(shí)間內(nèi)大量生氣,使煤層產(chǎn)生眾多割理和次生裂隙,提高了煤層的滲透率。相比于單純由埋深變質(zhì)所達(dá)到的同等變質(zhì)程度煤巖,其滲流條件顯然更好。

(4)綜合各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分析來(lái)看,巖漿活動(dòng)對(duì)儲(chǔ)層的改造具有雙重性,在一定范圍內(nèi),巖漿活動(dòng)對(duì)煤層改造程度越高,煤層氣勘探和開發(fā)條件越有利,但過(guò)猶不及。結(jié)合西山煤田的實(shí)際情況而言,屯蘭和石千峰礦區(qū)的儲(chǔ)層綜合物性條件在西區(qū)范圍內(nèi)為最佳,是煤層氣富集高產(chǎn)的有利地區(qū)。

參考文獻(xiàn):

[1]孫萬(wàn)祿,陳召佑,陳 霞,等.中國(guó)煤層氣盆地地質(zhì)特征與資源前景[J].石油與天然氣地質(zhì),2005,3(3):45-45.

Sun Wanlu,Chen Zhaoyou,Chen Xia,et al.Geological features and resource potentials of coalbed methane basins in China[J].Oil & Gas Geology,2005,3(3):45-45.

[2]龍勝祥,李辛子,葉麗琴,等.國(guó)內(nèi)外煤層氣地質(zhì)對(duì)比及其啟示[J].石油與天然氣地質(zhì),2014,35(5):696-703.

Long Shengxiang,Li Xinzi,Ye Liqin,et al.Comparison and enlightenment of coalbed methane geology at home and abroad[J].Oil & Gas Geology,2014,35(5):696-703.

[3]楊 起,任德貽.中國(guó)煤變質(zhì)問(wèn)題的探討[J].煤田地質(zhì)與勘探, 1981,2(1):1-10.

Yang Qi,Ren Deyi.Explore the problem of coal metamorphism in China[J].Coal Geology & Exploration,1981,2(1):1-10.

[4]甘華軍,王 華,嚴(yán)德天.高、低煤階煤層氣富集主控因素的差異性分析[J].地質(zhì)科技情報(bào),2010,29(1):56-60.

Gan Huajun,Wang Hua,Yan Detian.Differential impact on high and low rank coal by the main factors of coalbed gas enrichment[J].Geological Science and Technology Information,2010,29(1):56-60.

[5]湯達(dá)禎,王激流,張君峰,等.鄂爾多斯盆地東緣煤的二次生烴作用與煤層氣的富集[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2000,22(2):140 -145.

Tang Dazhen,Wang Jiliu,Zhang Junfeng,et al.Secondary hydrocarbon generation of coal and accumulation of coalbed methane in the east margin of the Ordos Basin[J].Experimental Petroleum Geology,2000,22(2):140-145.

[6]楊 起,湯達(dá)禎.華北煤變質(zhì)作用對(duì)煤含氣量和滲透率的影響[J].地球科學(xué):中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,25(3):273-277.

Yang Qi,Tang Dazhen.Effect of coal metamorphism on methane content and permeability of coal in North China[J].Earth Science-Journal of China University of Geosciences,2000,25(3):273-277.

[7]楊 起,潘治貴,翁成敏,等.華北晚古生代煤變質(zhì)演化及煤質(zhì)預(yù)測(cè)[J].現(xiàn)代地質(zhì),1989,3(1):102-110.

Yang Qi,Pan Zhigui,Weng Chengmin,et al.The metamorphic evolution of the late Paleozoic coal and it’s rank prediction in North China[J].Geoscience,1989,3(1):102-110.

[8]王 勃,姜 波,郭志斌,等.沁水盆地西山煤田煤層氣成藏特征[J].天然氣地球科學(xué),2007,18(4):565-567.

Wang Bo,Jiang Bo,Guo Zhibin,et al.Coalbed methane reservoirforming characteristics of Xishan Coalfield,Qinshui Basin[J].Natural Gas Geosciences,2007,18(4):565-567.

[9]劉洪林,王紅巖,趙國(guó)良,等.燕山期構(gòu)造熱事件對(duì)太原西山煤層氣高產(chǎn)富集影響[J].天然氣工業(yè),2005,25(1):29-32.

Liu Honglin, Wang Hongyan, Zhao Guoliang, et al.Influence of the tectonic thermal events in Yanshan Epoch on Coalbed Methane enrichment and high productivity in Xishan Coalfield in Taiyuan [J].Natural Gas Industry,2005,25(1):29-32.

[10]金振奎,王春生,張響響.沁水盆地石炭—二疊系優(yōu)質(zhì)煤儲(chǔ)層發(fā)育的沉積條件[J].科學(xué)通報(bào),2005,50(B10)32-37.

Jin Zhenkui,Wang Chunsheng,Zhang Xiangxiang.The deposition and development conditions of superior coal reservoirs of Qinshui Basin in Carboniferous-Permian [J].Chinese Science Bulletin, 2005,50(B10):32-37.

[11]Barker C E,Pawlewiz M J.The correlat ion of vitrinite reflectance with maximum temperature in humic organic matter[A].Palaeog eothermics,Lecture Notes in Earth Sciences[C].Berlin:Springer-Verlag,1986,5:7-93.

[12]孫蓓蕾,曾凡桂,李 霞,等.太原西山煤田西銘-杜兒坪礦區(qū)煤級(jí)定型時(shí)間:來(lái)自鋯石裂變徑跡年代學(xué)的證據(jù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(11):2023-2029.

Sun Beilei,Zeng Fangui,Li Xia,et al.Time of coal rank formation for Ximing-Duerping mining are in Xishan coalfield,Taiyuan:Evidence from zircon fission track dating [J].Journal of China Coal Society,2013,38(11):2023-2029.

[13]蔣靜宇,程遠(yuǎn)平.淮北礦區(qū)巖漿巖侵入對(duì)煤儲(chǔ)層微孔隙特征的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(4):634-640.

Jiang Jingyu, Cheng Yuanping.Influence of igneous intrusion on micropore characteristics of coal reserves in Huaibei coalfield [J].Journal of China Coal Society,2012,37(4):634-640.

[14]李兆龍.山西交城狐偃山堿性偏堿性雜巖群侵入特征及構(gòu)造背景探討[D].太原:太原理工大學(xué),2010.

[15]Mastalerz M,Drobniak A,Schimmelmann A.Changes in optical properties,chemistry,and micropore and mesopore characteristics of bituminous coal at the contact with dikes in the Illinois Basin [J].International Journal of Coal Geology,2009,77(3):310 -319.

[16]Cooper J R,Crelling J C,Rimmer S M,et al.Coal metamorphism by igneous intrusion in the Raton Basin,CO and NM: Implications for generation of volatiles[J].International Journal of Coal Geology,2007,71(1):15-27.

[17]劉金華,楊少春,陳寧寧,等.火成巖油氣儲(chǔ)層中構(gòu)造裂縫的微構(gòu)造曲率預(yù)測(cè)法[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,38(6):815-819.

Liu Jinhua, Yang Shaochun, Chen Ningning, et al.Forecasting method of tectoclase in the igneous reservoirs using a curvature of the microtectonics[J].Journal of China University of Mining & Technology,2009,38(6):815-819.

[18]盧 平,鮑 杰,沈兆武.巖漿侵蝕區(qū)煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)瓦斯賦存之影響分析[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2001,11(6): 41-44.

Lu Ping, Bao Jie, Shen Zhaowu.Pore structure characteristics of coal seam in magmatic rock erosive area and its effect on gas storage[J].China Safety Science Journal,2001,11(6):41-44.

[19]嚴(yán)繼民,張啟元.吸附與聚集[M].北京:科學(xué)出版社,1979: 108-121.

[20]Khalili N R,Pan M,Sandi G.Determination of fractal dimension of solid carbons from gas and liquid phase adsorption isotherms[J].Carbon,2000,38:573-588.

[21]趙振國(guó).吸附作用應(yīng)用原理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005: 136.

[22]陳 萍,唐修義.低溫氮吸附法與煤中微孔隙特征的研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2001,26(5):552-556.

Chen Ping,Tang Xiuyi.Research on low temperature nitrogen adsorption and micropores characteristics of the coal[J].Journal of China Coal Society,2001,26(5):552-556.

[23]降文萍,宋孝忠,鐘玲文.基于低溫液氮實(shí)驗(yàn)的不同煤體結(jié)構(gòu)煤的孔隙特征及其對(duì)瓦斯突出影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(4): 609-614.

Jiang Wenping,Song Xiaozhong,Zhong Lingwen.Research on the pore properties of different coal body structure coals and the effects on gas outburst based on the low-temperature nitrogen adsorp-tion method[J].Journal of China Coal Society,2011,36(4):609-614.

[24]Hodot B B.Outburst of coal and coalbed gas[M].Beijing:China Industry Press,1966,23-25.

[25]楊 玲,程道解,劉保磊,等.基于壓汞系數(shù)的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)分類方法[J].科技導(dǎo)報(bào),2014,32(24):46-50.

Yang Ling,Cheng Daojie,Liu Baolei,et al.Reservoir classification and application based on mercury injection coefficient[J].Science and Technology Review,2014,32(24):46-50.

[26]Yao Y B,Liu D M,Cai Y D,et al.Advanced characterization of pores and fractures in coals by nuclear magnetic resonance and X-ray computed tomography[J].Sci.China Earth Sci.,2010,53: 854-862.

[27]Guo R,Mannhardt K,Kantzas A.Characterizing moisture and gas content of coal by low-field NMR[J].Journal of Canadian Petroleum Technology,2007,46(10):49-54.

[28]王紅巖,萬(wàn)天豐,李景明,等.區(qū)域構(gòu)造熱事件對(duì)高煤階煤層氣富集的控制[J].地學(xué)前緣,2008,15(5):364-369.

Wang Hongyan, Wan Tianfeng, Li Jingming, et al.The control of tectonic thermal events on the concentration of high coalrank coalbed methane[J].Earth Science Frontiers,2008,15(5): 364-369.

[29]鐘玲文.煤的吸附性能及影響因素[J].地球科學(xué):中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,29(3):327-332.

Zhong Lingwen.Adsorptive capacity of coals and its affecting factors [J].Earth Science:Journal of China University of Geosciences, 2004,29(3):327-332.

[30]蘇現(xiàn)波,張麗萍,林曉英.煤階對(duì)煤的吸附能力的影響[J].天然氣工業(yè),2005,25(1):19-21.

Su Xianbo, Zhang Liping, Lin Xiaoying.Influence of coal rank on coal adsorption capacity [J].Natural Gas Industry, 2005, 25(1):19-21.

Wang Lei,Tang Dazhen,Xu Hao,et al.Magmatism effect on different transformation characteristics of coal reservoirs physical properties in Xishan coalfield[J].Journal of China Coal Society,2015,40(8):1900-1910.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0332

Magmatism effect on different transformation characteristics of coal reservoirs physical properties in Xishan coalfield

WANG Lei1,2,TANG Da-zhen1,2,XU Hao1,2,LI Song1,2,PANG Jian-dong3, YAO Chang-hua3,LI Jing-jing3,YU Ting-xu1,2

(1.School of Energy Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China;2.Coal Reservoir Laboratory of National Engineering Research Center of Coalbed Methane Development & Utilization,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China;3.Energy Technology & Services-Engineering Technology Co.,CNOOC,Tianjin 300457,China)

Abstract:In order to investigate the difference transformation characteristics of coal reservoirs’physical properties in Xishan coalfield that resulted from thermal effects of high temperature magmatic intrusion causes,based on basin simulation,combing with several experimental methods including reflectance test,industrial analysis,nuclear magnetic resonance,isothermal adsorption,low temperature nitrogen adsorption,and micro fracture statistics,the coal samples,which were taken at different distances from the magmatic rock,were tested.Results show that the pore shape,pore size,and adsorption law have different characteristics as the distance from the center of magma intruded changes.As the distance from magma changes to shorter,the coal reflectivity increases obviously,volatile reduces and ash content increases,at the same time,the BET and pore volume increases and the gas adsorption capacity shows the regularity from low to high,then to low.In addition,in the dual roles of high temperature and high pressure,coal seam forms a large num-book=8,ebook=196ber of cleat,originating from igneous intrusion,which improves the permeability of coal seam.The above results indicate that the transformation from igneous intrusion to coal reservoir has dual roles for exploration and development.At last,it concludes that the reservoir physical property of Tunlan and Shi Qianfeng areas in the middle-west region of Xishan coalfield are in the best condition.They are the favorable zones for coalbed methane enrichment and high yield.

Key words:Xishan coalfield;igneous activity;properties of reservoirs;transformation;difference;coalbed methane

通訊作者:湯達(dá)禎(1957—),男,教授,博士。E-mail:tang@ cugb.edu.cn

作者簡(jiǎn)介:汪 雷(1990—),男,四川南充人,碩士研究生。E-mail:wanglei_1011314@126.com。

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2009CB219604);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272175);中海油能源發(fā)展重大專項(xiàng)“非常規(guī)油氣勘探關(guān)鍵技術(shù)”資助項(xiàng)目(WBS:E-J313N020)

收稿日期:2015-03-14

中圖分類號(hào):P618.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2015)08-1900-11