詹卓琛 雷中英 李 瀟 郭小璇 張文文代思佳 牛曉宇 辛炳夏 王 樂

（1. 密蘇里科技大學(xué)， 密蘇 里州美國 65401； 2. 長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430100；3. 中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院， 江蘇 南京 211103）

0 引 言

20 世紀(jì)70 年代CT 掃描技術(shù)的興起極大地促進(jìn)了醫(yī)療和材料等研究領(lǐng)域的發(fā)展。 21 世紀(jì)初，CT 掃描技術(shù)被引入地質(zhì)學(xué)研究中， 主要用于觀察巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)、 微細(xì)層理， 提取孔隙、 裂縫的幾何參數(shù)， 分析基質(zhì)顆粒組合特征、 粒度和密度等［1-6］。目前三維CT 掃描技術(shù)主要基于非全直徑巖心對(duì)微米—納米尺度的致密砂巖、 泥頁巖、 碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征的物理實(shí)驗(yàn)法刻畫［7-9］或?qū)?chǔ)層特征進(jìn)行數(shù)值重構(gòu)法表征［10-13］。 不同于壓汞法和低溫氮?dú)馕椒ǖ瘸Ｒ?guī)實(shí)驗(yàn)方法研究煤巖的孔隙連通結(jié)構(gòu)和孔徑分布情況， 三維CT 掃描技術(shù)具有無損、 定量、 精細(xì)、 可視化的優(yōu)勢［14］。

目前對(duì)于煤層氣儲(chǔ)層中的煤巖三維CT 掃描的研究多涉及非全直徑巖心［15-16］， 且主要聚焦于煤巖損傷［17-18］。 由于非全直徑巖心樣品的觀察范圍小， 三維成像結(jié)果代表性差， 且微—納米級(jí)孔（縫） 隙對(duì)于整體儲(chǔ)集空間的體積貢獻(xiàn)相對(duì)較小，因此， 有必要引入更大視域的全直徑巖心CT 表征手段。

鄂爾多斯盆地煤層發(fā)育， 石炭系本溪組和太原組、 二疊系山西組、 侏羅系的煤炭資源量豐富， 煤層氣資源量充足。 目前鄂爾多斯盆地開發(fā)的古生界、 中生界煤層氣都是來自這些煤層組［19］， 前人對(duì)煤系地層的沉積、 煤層氣的成因演化［20］及運(yùn)移、聚集、 成藏［21］等方面開展了大量的研究， 但對(duì)煤巖的空間結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)層特征缺乏認(rèn)識(shí)。

本文以D 區(qū)塊為例， 利用CT 掃描技術(shù)對(duì)全直徑煤巖巖心的空間結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層特征進(jìn)行了表征， 通過重建煤巖的三維圖像、 定量表征煤巖三維空間結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層非均質(zhì)性特征， 刻畫了煤巖孔隙、 裂縫發(fā)育、 孔隙及喉道結(jié)構(gòu)、 礦物充填狀況及其縱向演變規(guī)律， 為研究區(qū)煤層氣、 煤層氣化開采提供重要的地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是一個(gè)多沉積旋回的克拉通復(fù)合型盆地。 本文研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡的東北部（圖1）， 為西傾的平緩單斜構(gòu)造， 由南至北構(gòu)造掀斜程度逐漸加大， 構(gòu)造幅度也加大， 裂縫發(fā)育［22-23］。

上古生界太原組和山西組各發(fā)育多套煤層（圖2）［22］， 山一段和太一段為目的層， 其中山一段的5 （4+5） 號(hào)煤層和太一段的9 （8+9） 號(hào)煤層為主要含煤和含煤層氣的層系［23-25］。 太原組沉積環(huán)境為海陸過渡相沉積， 山西組屬于陸相河流—三角洲—湖泊相沉積體系， 下石盒子組為河流相的沉積環(huán)境［25］。

2 層理構(gòu)造

對(duì)研究區(qū)太原組和山西組煤巖巖心觀察后， 選取太一段9 號(hào)煤層（2 858.13～2 859.91 m）、 典型煤巖T1 （2 845.04～2 845.11 m） 和山一段5 號(hào)煤層（2 815.74 ～2 817.61 m）、 典型煤巖 S1（2 812.73～2 812.82 m） 的煤巖巖心開展三維CT掃描。

2.1 太一段

通過巖心觀察可知太一段層理結(jié)構(gòu)清晰， 底部發(fā)育水平層理， 頂部發(fā)育斜層理， 非均質(zhì)性強(qiáng)（圖3 （a） ）。

典型煤巖T1 （2 845.04～2 845.11 m） 號(hào)樣品CT 圖像可見高角度、 順層天然裂縫不發(fā)育， 塑性較強(qiáng)（圖3 （b） ）。 深度為2 858.13 ～2 859.91 m的煤巖CT 結(jié)果表明（圖4）， 煤巖層理構(gòu)造、 結(jié)構(gòu)沿縱向存在較明顯的互層變化， 高角度天然裂縫幾乎不發(fā)育， 深灰色紋層發(fā)育順層天然裂縫， 且部分裂縫未被充填， 灰色紋層裂縫幾乎不發(fā)育。 因此灰色紋層的塑性相對(duì)較強(qiáng)， 深灰色紋層的脆性較強(qiáng)。可見太一段煤巖無論是裂縫發(fā)育及礦物充填程度，還是煤質(zhì)均存在不同程度的差異， 表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.2 山一段

巖心觀察可見山一段煤巖多為灰色、 黑色， 炭質(zhì)含量相對(duì)較高（圖3 （c） ）。

典型煤巖S1 （2 812.73 ～2 812.82 m） 號(hào)樣品CT 圖像呈現(xiàn)深灰、 灰色交替變化， 反映煤巖層理構(gòu)造交替變化， 主體為塊狀結(jié)構(gòu)、 構(gòu)造 （圖3（d） ）。 天然高角度裂縫相對(duì)發(fā)育， 且高角度裂縫發(fā)育受限于煤巖非均質(zhì)結(jié)構(gòu)層分布， 絕大部發(fā)育在深灰色紋層內(nèi)。 深度為2 815.74 ～2 817.61 m 的煤巖CT 結(jié)果表明（圖5）， 煤巖層理構(gòu)造、 結(jié)構(gòu)沿縱向存在較明顯的變化， 代表著煤巖物質(zhì)組成的非均質(zhì)性， 并控制孔洞縫發(fā)育的非均質(zhì)性， 裂縫發(fā)育在深灰色脆性層內(nèi)， 不穿層， 灰色塑性紋層裂縫相對(duì)不發(fā)育。

3 煤巖孔（縫） 隙結(jié)構(gòu)及特征

3.1 孔（縫） 隙及充填礦物三維空間展布

3.1.1 太一段

代表性樣品T1 號(hào)煤巖主要發(fā)育順層天然裂縫，部分順層裂縫被方解石等礦物充填， 充填率為3.59%， 部分裂縫未被充填， 有效孔（縫） 隙度為1.53%。 太一段煤巖的高角度天然裂縫不甚發(fā)育（圖6），反映出煤巖純度較低、 脆性較弱、 塑性較強(qiáng)， 推測煤巖塑性蠕動(dòng)導(dǎo)致天然順層裂縫較發(fā)育。大部分順層天然縫孤立存在， 沒有構(gòu)成有效的裂縫空間網(wǎng)絡(luò)。 太一段2 858.13～2 859.91 m 深度從頂至底， 煤巖紋層結(jié)構(gòu)及裂縫出現(xiàn)一定程度的變化：中上部天然裂縫不甚發(fā)育， 呈塊狀； 中下部天然裂縫較發(fā)育， 紋層結(jié)構(gòu)明顯； 底部天然裂縫不發(fā)育，呈塊狀。 儲(chǔ)存在裂縫中的煤層氣以游離態(tài)狀態(tài)賦存為主。

3.1.2 山一段

S1 號(hào)煤巖CT 掃描三維圖像結(jié)果顯示， 底部天然裂縫非常發(fā)育， 高角度垂直裂縫為主， 天然順層縫幾乎不發(fā)育（圖7）。 高角度裂縫分布頂部在灰黑色煤巖紋層中， 構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò)， 底部灰色煤巖中幾乎不見， 偶見順層縫（圖7）。 大部分高角度天然裂縫被方解石等礦物充填， 構(gòu)成裂縫方解石充填網(wǎng)絡(luò)， 其充填率為9.05%， 還有1.60%裂縫沒有被充填， 這些孔（縫） 是煤層氣主要的儲(chǔ)集空間，儲(chǔ)存在這部分空間的煤層氣以游離態(tài)為主。 圖像顯示鉆井過程誘發(fā)的人工裂縫也較明顯， 與天然裂縫的本質(zhì)差別在于人工縫沒有任何充填物， 而天然縫則不同程度地被礦物充填（圖7）。

3.1.3 孔隙及充填礦物空間展布

上古生界煤巖的孔（縫） 較發(fā)育， 由于煤巖孔、 縫、 洞發(fā)育， 大部分微孔（縫） 被方解石等礦物充填， 導(dǎo)致有效孔（縫） 不甚發(fā)育， 而且太一段、 山一段的煤巖孔、 縫及礦物充填程度也存在明顯的差異。 山一段礦物充填率均值是5.5%， 太一段礦物充填率均值是2.3%。 無論太一段、 還是山一段， 煤巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 縱向非均質(zhì)結(jié)構(gòu)交替變化。 煤層非均質(zhì)結(jié)構(gòu)控制孔、 縫、 洞的發(fā)育的非均質(zhì)， 大部分微孔縫限定在脆性較強(qiáng)的紋層中。 太一段煤巖高角度天然裂縫不發(fā)育， 而順層天然裂縫則較發(fā)育， 可能反映煤巖脆性較弱塑性較強(qiáng)， 因塑性蠕動(dòng)導(dǎo)致天然順層裂縫較發(fā)育。 山一段煤巖高角度天然裂縫非常發(fā)育， 天然順層縫幾乎不發(fā)育， 可能與區(qū)域擠壓構(gòu)造應(yīng)力作用相關(guān)。 （孔） 縫不同程度地被方解石等充填， 太一段孔（縫） 部分被充填，山一段則大部分被充填。 太一段煤巖與山一段煤巖在顏色、 層理構(gòu)造及孔（縫） 發(fā)育、 礦物充填等存在一定的差別。 與山一段相比， 太一段煤巖整體塑性強(qiáng)于山一段煤巖。

3.2 煤巖儲(chǔ)層孔（縫） 隙、 喉道及充填礦物結(jié)構(gòu)參數(shù)特征

3.2.1 太一段

應(yīng)用三維圖像處理軟件對(duì)全直徑煤巖進(jìn)行孔（縫） 隙、 喉道及充填礦物的幾何特征進(jìn)行識(shí)別與解釋。

以T1 號(hào)樣品全直徑煤巖CT 結(jié)果為例， 該樣品的孔（縫） 隙為1.53%； 孔（縫） 隙主要為等效直徑在200 μm 以下的孔（縫） 隙， 其次是等效直徑為200 ～800 μm 的孔（縫） 隙， 其余是等效直徑在800 μm 以上的孔（縫） 隙（圖8 （a） ）。不同尺度的孔（縫） 隙對(duì)總孔（縫） 隙空間的貢獻(xiàn)率不同， 等效直徑大于1 000 μm 的孔（縫） 隙的貢獻(xiàn)率在一半以上， 達(dá)到59.39%； 其次是等效直徑為400 ～800 μm 的孔 （縫） 隙， 貢獻(xiàn)率為18.70%； 再次為等效直徑為800 ～1 000 μm 的孔（縫） 隙， 貢獻(xiàn)率為9.61%； 盡管等效直徑小于400 μm 的孔（縫） 隙數(shù)量很多， 但它們的貢獻(xiàn)率僅為12.34% （圖8 （a） ）。

T1號(hào)樣品的礦物充填規(guī)律與孔（縫）隙分布規(guī)律相似， 以等效直徑小于400 μm 的礦物充填為主， 但較大的礦物均聚集在等效直徑為400 ～800 μm和等效直徑大于1 000 μm 的空間中， 二者所占的體積占總體充填礦物體積的73.06%（圖8 （b） ）。

太一段T1 號(hào)煤巖樣品最大孔隙半徑為1 079.410 μm， 平均孔隙半徑為137.220 μm， 最大喉道半徑為952.709 μm， 平均喉道半徑為76.598 μm， 最大喉道長度為4 328.840 μm， 平均喉道長度為323.794 μm。 最大孔隙體積為9.54×108μm3， 平均孔隙體積為2.78×108μm3， 最大喉道體積為1.167×108μm3， 平均喉道體積為4.27×107μm3； 最大孔喉比為39.336， 平均孔喉比為1.708， 平均配位數(shù)為1 （圖9）。

3.2.2 山一段

以S1 號(hào)樣品全直徑煤巖CT 結(jié)果為例， 該樣品的孔（縫） 隙為1.60%； 孔（縫） 隙主要為等效直徑在400 μm 以下的孔（縫） 隙， 其次是等效直徑為400 ～800 μm 的孔（縫） 隙， 其余是等效直徑在800 μm 以上的孔（縫） 隙（圖10 （a） ）。不同尺度的孔（縫） 隙對(duì)總孔（縫） 隙空間的貢獻(xiàn)率不同， 等效直徑大于1 000 μm 的孔（縫） 隙的貢獻(xiàn)率達(dá)到40.33%； 其次是等效直徑為400 ～800 μm的孔（縫） 隙， 貢獻(xiàn)率為22.56%； 等效直徑為800 ～1 000 μm 的孔 （縫） 隙， 貢獻(xiàn)率為9.26%； 盡管等效直徑小于400 μm 的孔（縫） 隙數(shù)量很多， 但它們的貢獻(xiàn)率僅為27.84% （圖10（a） ）。 S1 號(hào)樣品以等效直徑小于800 μm 的礦物充填為主， 占主體充填空間的69.25%， 其次為等效直徑大于1 000 μm 的礦物充填， 占主體充填空間的23.11% （圖10 （b） ）。

山一段S1 號(hào)煤巖樣品最大孔隙半徑為853.600 μm， 平均孔隙半徑為123.038 μm， 最大喉道半徑為 721.273 μm， 平均喉道半徑為71.535 μm， 最大喉道長度為3 103.110 μm， 平均喉道長度為292.742 μm。 最大孔隙體積為4.56×108μm3， 平均孔隙體積為2.89×108μm3， 最大喉道體積為6.68×108μm3， 平均喉道體積為2.55×107μm3， 平均孔喉比為2.338， 平均配位數(shù)為4（圖11）。

3.2.3 儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)參數(shù)差異

山一段、 太一段的孔（縫） 結(jié)構(gòu)存在一定的差異。

山一段孔隙度大于太一段， 山一段孔隙度均值為1.5%， 太一段的是0.99%。 但是山一段孔（縫） 的孔隙形狀因子中值0.02， 小于太一段的0.03， 說明太一段孔（縫） 的形態(tài)較規(guī)則。 反映煤巖孔縫連通性的配位數(shù)存在一定的不同。

山一段的配位數(shù)大于太一段， 表明山一段煤巖連通程度高于太一段， 連通程度的高低直接反映了煤巖儲(chǔ)層流體滲流程度的高低， 可見山一段煤巖儲(chǔ)層滲透率高于太一段煤巖。

總之， 山一段煤巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、 連通性優(yōu)于太一段煤巖儲(chǔ)層。

4 煤儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)及非均質(zhì)性對(duì)煤層氣分布的影響

太一段煤層錄井氣測總烴、 甲烷等質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值在20%之下， 山一段煤層錄井氣測總烴、 甲烷等質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值在30%以上， 表明山一段煤層氣質(zhì)量明顯優(yōu)于太一段煤層氣質(zhì)量。 煤儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、 非均質(zhì)、 孔（縫） 隙度與錄井全烴、 甲烷氣測的關(guān)系表明（圖4、 圖5）， 煤層氣氣測數(shù)量高低與煤儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)及其非均質(zhì)性具有很好的一致性。 煤巖微細(xì)紋層發(fā)育處孔隙度高， 氣測全烴、 甲烷等含量較高， 反之就低， 無論山一段煤層， 還是太一段煤層， 均呈現(xiàn)出同樣的特征與規(guī)律。 煤層紋層結(jié)構(gòu)類型、 煤質(zhì)類型制約著煤儲(chǔ)層非均質(zhì)程度、 孔隙度高低， 煤儲(chǔ)層非均質(zhì)程度、 孔隙高低控制著煤儲(chǔ)層氣含量的高低。 因此， 煤層氣含量的高低明顯受控制于煤層微細(xì)紋層結(jié)構(gòu)等因素。

太一段與山一段相比， 山一段煤巖煤質(zhì)類型、儲(chǔ)層類型、 煤層氣氣測量等優(yōu)于太一段。 煤層氣氣測總烴高的紋層對(duì)應(yīng)于煤質(zhì)好、 脆性高的紋層， 此類紋層不僅含碳量高， 而且易于壓裂， 因此， 山一段煤層氣、 煤化氣應(yīng)優(yōu)先開發(fā)。 山一段煤層氣是研究區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)資源， 而且是研究區(qū)內(nèi)目前最重要的接替資源， 需加快勘探開發(fā)投入與開采的步伐。

5 結(jié) 論

（1） 全直徑煤巖巖心CT 掃描結(jié)果顯示太一段煤巖高角度天然裂縫不發(fā)育、 順層天然裂縫較發(fā)育， 山一段煤巖高角度天然裂縫非常發(fā)育， 天然順層裂縫幾乎不發(fā)育。 煤巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 縱向非均質(zhì)結(jié)構(gòu)交替變化， 大部分微裂縫、 洞限定在脆性較強(qiáng)的紋層中。

（2） 太一段、 山一段煤巖相對(duì)比， 太一段煤巖天然裂縫不甚發(fā)育， 塑性程度高， 不利于壓裂改造， 山一段煤巖天然裂縫發(fā)育， 脆性程度高， 易于壓裂改造。

（3） 在煤層氣生成量一定的條件下， 孔、 縫為煤層氣提供了有利的儲(chǔ)集空間， 且利于其富集。煤巖儲(chǔ)層CT 掃描綜合結(jié)果表明山一段煤層氣具備了優(yōu)先開發(fā)的基本條件。