武 靜 趙立鵬

(貴州省煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)，550008)

分析與測(cè)試

基于高壓壓汞實(shí)驗(yàn)研究六盤水龍?zhí)督M煤儲(chǔ)層孔隙分形特征

武 靜 趙立鵬

(貴州省煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)，550008)

通過(guò)野外地質(zhì)露頭、鉆井巖心系統(tǒng)觀測(cè)和采樣，采用高壓壓汞、煤巖鑒定等測(cè)試方法，對(duì)六盤水地區(qū)龍?zhí)督M煤儲(chǔ)層孔隙分形特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，六盤水地區(qū)龍?zhí)督M煤儲(chǔ)層以連通較好的板狀開放孔為主。孔隙孔徑以0.1μm及以下的納米級(jí)孔隙為主，孔隙度略大，為3.42%?？紫斗中尉S數(shù)較大，表明其具有較高的不規(guī)則性。分形維數(shù)主要受鏡質(zhì)組反射率、煤巖顯微組分、孔隙度、比表面積、比孔隙體積等參數(shù)的影響。

孔隙 煤儲(chǔ)層 龍?zhí)督M 六盤水 分形

煤儲(chǔ)層是一種孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非常規(guī)儲(chǔ)層。煤的孔隙結(jié)構(gòu)與煤層氣的吸附性和流動(dòng)性密切相關(guān)[1]。分形幾何學(xué)的理論能夠有效地刻畫出幾何體的形態(tài)。應(yīng)用分形理論可獲得煤巖裂隙發(fā)育程度和煤中孔、裂隙分布的近似定量信息，為評(píng)價(jià)煤層氣的吸附與解吸、擴(kuò)散與滲流及煤層有效滲透率估算提供了一種更加精確的方法。六盤水地處貴州西部，煤炭資源豐富，煤層氣儲(chǔ)量巨大[2-4]。通過(guò)壓汞實(shí)驗(yàn)研究六盤水地區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙分形特征，將為研究煤層氣進(jìn)一步高效抽采奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

龍?zhí)督M屬濱海至淺海沉積，主要為砂巖、粉砂巖、粘土巖夾煤層及少量硅質(zhì)巖、灰?guī)r。貴州省內(nèi)主要分布于正安—興仁一線以西。實(shí)驗(yàn)樣品采自盤縣、水城等地煤層氣地質(zhì)調(diào)查井龍?zhí)督M煤樣。編號(hào)P-01～P-03、S-01～S-3。其中P-01～P-3取自盤縣，S-01～S-03取自水城。壓汞實(shí)驗(yàn)采用AutoPore IV9500壓汞儀，儀器工作壓力0.0172～227.526MPa，測(cè)量孔徑范圍為0.003μm～18120μm。分辨率<0.1μL。粉末膨脹儀容積為5.9995mL，計(jì)算機(jī)控點(diǎn)式測(cè)量，高壓段選取壓力點(diǎn)36個(gè)，每點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間10s，測(cè)試樣品質(zhì)量10g左右。手選純凈煤樣，統(tǒng)一破碎至2 mm左右，縮分。在真空烘箱內(nèi)烘干樣品，60℃烘干12h。烘干后樣品避免重新暴露于大氣中。裝入膨脹儀中抽真空至壓力<6.67Pa時(shí)進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓汞實(shí)驗(yàn)分析

壓汞曲線形態(tài)可反映孔隙結(jié)構(gòu)信息[5,6]。一般可分為三段：初始段、中間平臺(tái)段及末端上翹段?？傮w上六盤水地區(qū)龍?zhí)督M煤儲(chǔ)層進(jìn)退汞曲線滯后環(huán)較寬大，典型樣品為P-01、S-01，進(jìn)汞主要發(fā)生在中高壓階段(圖1)，表明以連通較好的板狀開放孔為主[7]?？紫犊讖揭?.1μm及以下的納米級(jí)孔隙為主(圖2)。六盤水地區(qū)龍?zhí)督M煤儲(chǔ)層孔隙度略大，為3.42%。

圖1 六盤水地區(qū)龍?zhí)督M煤儲(chǔ)層進(jìn)退汞曲線

圖2 六盤水地區(qū)龍?zhí)督M煤儲(chǔ)層孔徑分布曲線

2.2 分形維數(shù)計(jì)算

煤巖體孔隙模型可采用Merger海綿構(gòu)造思想構(gòu)建的孔隙體積分形模型解釋[1,8,9]。分形維數(shù)D=lg(Nb1)/lg(m)，其中m和Nb1分別為邊長(zhǎng)為R的立方體初始元，分成等大的小立方體數(shù)目和按照一定規(guī)則去掉部分這樣的小立方體，剩下的小立方體數(shù)。根據(jù)Washburn方程推導(dǎo)可知：

ln(dVp/dP)=(D-4)lnP+C

(1)

根據(jù)Merger海綿分形模型將6個(gè)龍?zhí)督M煤巖樣品壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按(1)式進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，然后根據(jù)其曲線分布規(guī)律擬合得出其不同曲線的斜率，從而得出不同樣品的分形維數(shù)值。每個(gè)樣品按照數(shù)學(xué)模型處理后線段的相關(guān)系數(shù)較高說(shuō)明了樣品孔隙具有分形特征(表1)。根據(jù)Menger模型計(jì)算得到的分形維數(shù)范圍在2.8314～2.9364之間，平均值為2.8736，說(shuō)明六盤水地區(qū)龍?zhí)督M的煤巖孔隙的分形維數(shù)較大，表明其具有較高的不規(guī)則性。

2.3 分形維數(shù)的影響因素

從圖3可以看出煤儲(chǔ)層的孔隙分維數(shù)隨鏡質(zhì)組反射率增加而減小。一般認(rèn)為隨煤化程度的增加，內(nèi)部排列趨于整齊、定向、密集，缺陷位和孔隙相對(duì)減少，使分維數(shù)逐漸降低。煤巖顯微組分對(duì)分維數(shù)的同樣具有一定影響，有機(jī)組分在成巖過(guò)程中由于脫水、脫氫等化學(xué)變化，結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，使分形維數(shù)逐漸增大。煤巖成分的變化比煤孔隙系統(tǒng)的變化影響要大，而煤巖成分越復(fù)雜，孔隙分形維數(shù)越大。而孔隙度、比表面積、比孔隙體積對(duì)分形維數(shù)的影響大致相同，均顯示出正相關(guān)趨勢(shì)，說(shuō)明孔隙越發(fā)育，分形維數(shù)會(huì)相應(yīng)增大。

表1 煤巖樣品的基礎(chǔ)參數(shù)和分形維數(shù)

圖3 分形維數(shù)與鏡質(zhì)組反射率、鏡質(zhì)組含量、有機(jī)組分含量、孔隙度、比表面積、比孔體積的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)六盤水地區(qū)龍?zhí)督M煤儲(chǔ)層以連通較好的板狀開放孔為主?？紫犊讖揭?.1μm及以下的納米級(jí)孔隙為主，孔隙度略大，為3.42%。

(2)孔隙分形維數(shù)較大，表明其具有較高的不規(guī)則性。分形維數(shù)主要受鏡質(zhì)組反射率、煤巖顯微組分、孔隙度、比表面積、比孔隙體積等參數(shù)的影響。

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Fractal Features of Longtan Formation Coal Reservoir in Liupanshui on the Mercury Injection Method

WuJing,ZhaoLipeng

(LaboratoryofCoalMineExplorationofGuizhouProvince,Guiyang550008,Guizhou,China)

Through the field outcrop, systematic observation and sampling of drilling core, and using testing methods such as high pressure mercury intrusion experiment, the pore fractal characteristics analysis of coal reservoir at Longtan formation in Liupanshui area was done. The results showed that: the pore diameters of coal reservoir are mainly the nanometer grade pores whose diameters are equal to or under 0.1μm. The mean value of porosity is 3.42%. The fractal dimensions is large. This means the pores are irregular extremely. The influence factors are vitrinite reflectance, maceral composition, porosity, specific surface area, specific pore volume.

pore; coal reservoir; longtan formation; liu panshui; fractal theory