楊秀春,宋柏榮,陳國(guó)輝,何 睿,趙浩陽(yáng),楊 瀟

(1.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095；3.中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010；4.北京潤(rùn)澤創(chuàng)新科技有限公司，北京 100120)

0 引 言

中國(guó)深層煤層氣資源豐富，是煤系氣勘探的新領(lǐng)域，鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)、新疆五彩灣地區(qū)試采取得了工業(yè)氣流，大寧-吉縣區(qū)塊開(kāi)展先導(dǎo)試驗(yàn)并獲得高產(chǎn)，這表明深層煤層氣勘探開(kāi)發(fā)具有巨大的潛力。深層煤巖孔隙識(shí)別、全方位定量表征是認(rèn)識(shí)深層煤優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布的關(guān)鍵，同時(shí)也是研究煤層氣賦存和滲流機(jī)理的關(guān)鍵因素。目前，國(guó)內(nèi)外研究煤層孔縫結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法很多，常見(jiàn)方法有壓汞、低溫液氮吸附[1-2]、掃描電鏡[3-5]、X射線計(jì)算機(jī)層析掃描[6-9]及核磁共振[9]等。壓汞實(shí)驗(yàn)的高壓條件會(huì)對(duì)煤孔隙造成人為破環(huán)；低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)只能測(cè)得較小的孔徑(主要為納米孔)分布范圍[2]；掃描電鏡實(shí)驗(yàn)獲得的圖像視域小且代表性有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面的定量計(jì)算；X射線計(jì)算機(jī)層析掃描，也僅停留在某一單一尺度；核磁共振實(shí)驗(yàn)僅能獲得孔縫結(jié)構(gòu)二維信息。上述方法均存在單一性和片面性的問(wèn)題。因此，首次提出利用多尺度數(shù)字巖心拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤巖全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)特征的定量描述，先通過(guò)全直徑CT掃描實(shí)現(xiàn)毫米和微米孔縫識(shí)別與計(jì)算，再利用微米、亞微米級(jí)CT掃描及納米級(jí)電鏡掃描完成微米孔縫及納米孔的識(shí)別和定量計(jì)算，最后利用多尺度數(shù)字巖心掃描技術(shù)，完成煤巖全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)表征。該技術(shù)具備無(wú)損化、三維表征的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，極大程度保留了儲(chǔ)層孔縫原始特征。該文以鄂爾多斯盆地大寧-吉縣區(qū)塊深層8號(hào)煤層為研究對(duì)象，應(yīng)用多尺度數(shù)字巖心拼接技術(shù)，完成煤儲(chǔ)層孔縫結(jié)構(gòu)多尺度定量分析及可視化表征，確定優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層段，并與氣測(cè)錄井相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了煤層氣壓裂選層，以期為該地區(qū)煤勘探提供了技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

煤樣選自鄂爾多斯盆地大寧-吉縣區(qū)塊太原組8號(hào)煤層，厚度為4.0～12.0 m，平均厚度為7.8 m；宏觀煤巖類型為亮煤、鏡煤，顯微組分以鏡質(zhì)組為主，平均含量為65%，最高可達(dá)95%；其次為惰質(zhì)組，平均含量為20%左右，具有低水分、灰分、揮發(fā)分特點(diǎn)。煤巖演化程度較高，Ro為2.19%～3.02%，含氣量為22～33 m3/t，孔隙度為2.35%～6.11%，滲透率大部分小于0.05 mD。選取6口典型井(H12、H13、H14、H15、D54、D20)，樣點(diǎn)埋藏深度為2 000～2 500 m。對(duì)8號(hào)煤層進(jìn)行全直徑CT掃描實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，鉆取10顆煤巖柱塞樣品用于微米CT掃描、納米FIB掃描電鏡、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

煤巖儲(chǔ)層是具備孔隙和割理雙重系統(tǒng)的復(fù)雜介質(zhì)，為更加準(zhǔn)確地對(duì)煤巖儲(chǔ)層進(jìn)行定量研究[10]，開(kāi)展了多種尺度組合的掃描分析。

2.1 CT掃描實(shí)驗(yàn)

X射線CT掃描的全稱是X射線計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)。其原理為X射線以360 °全角度掃描巖心時(shí)，基于樣品內(nèi)部物質(zhì)對(duì)X射線的吸收系數(shù)不同，即樣品礦物組成的密度不同，在探測(cè)器上形成灰度值不同的投影圖像，利用專業(yè)軟件對(duì)圖像進(jìn)行三維重構(gòu)處理，從而建立全直徑巖心的三維數(shù)字模型，并得到相關(guān)的定量數(shù)據(jù)。

2.2 聚焦離子束掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)，是用離子束對(duì)樣品拋光面進(jìn)行轟擊，產(chǎn)生二次離子以及二次電子來(lái)成像，可以獲取納米級(jí)分辨率的三維結(jié)構(gòu)特征[11]。按照切割小塊樣品、打磨光滑面、氬離子拋光儀進(jìn)行拋光、噴鍍導(dǎo)電層的步驟制成氬離子拋光樣品，將制樣放置在樣品臺(tái)上進(jìn)行觀測(cè)。選取感興趣區(qū)域進(jìn)行切割，每切割一次形成一張切片圖像，連續(xù)切割幾百次后，得到一系列SEM圖像，從而形成三維結(jié)構(gòu)模型。

3 煤巖數(shù)字巖心孔縫結(jié)構(gòu)多尺度表征

3.1 煤巖多尺度孔-縫類型

通過(guò)全直徑CT掃描實(shí)驗(yàn)、微米CT掃描實(shí)驗(yàn)、FIB-SEM掃描電鏡實(shí)驗(yàn)以及煤巖光片分析等技術(shù)手段，得到全直徑CT掃描宏觀毫米裂縫-割理發(fā)育圖，煤巖顯微光片、微米CT微米孔縫發(fā)育圖和煤巖掃描電鏡納米孔發(fā)育圖(圖1～3)。由圖1～3可知，深層煤巖具有多尺度孔縫發(fā)育特征，發(fā)育宏觀尺度毫米級(jí)外生裂縫、內(nèi)生割理、微米尺度孔縫以及納米孔隙。研究表明[12-17]：宏觀毫米級(jí)的高角度裂縫和割理發(fā)育為氣體大規(guī)模運(yùn)聚提供了優(yōu)勢(shì)的滲流通道，是煤層氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的主要滲流通道；微米級(jí)孔縫組合為小規(guī)模的氣體擴(kuò)散及滲流提供條件，主要發(fā)育有微裂縫及礦物溶蝕孔隙；納米級(jí)孔隙主要提供氣體的賦存空間，主要發(fā)育氣孔和組織孔。

圖1 全直徑CT掃描宏觀毫米裂縫-割理發(fā)育圖Fig.1 The macroscopic millimeter fracture-cleat development by full-diameter CT scanning

圖2 煤巖顯微光片、微米CT微米孔縫發(fā)育圖Fig.2 The micro pore-fracture development of coal rock by microscopic light film and micro-CT

3.2 煤巖全直徑CT掃描孔縫發(fā)育特征

巖心孔縫評(píng)價(jià)是現(xiàn)場(chǎng)試油試采、壓裂選層的重要參考因素，對(duì)煤巖段毫米級(jí)孔縫結(jié)構(gòu)的定量表征，可為現(xiàn)場(chǎng)壓裂及選層提供有利指導(dǎo)[18-19]。煤巖儲(chǔ)層具有復(fù)雜的多尺度孔縫結(jié)構(gòu)特征，姚軍朋等[20-21]運(yùn)用測(cè)井曲線組合特征來(lái)判斷煤巖宏觀孔縫結(jié)構(gòu)特征，但由于受縱向分辨率的限制，毫米級(jí)的裂縫和割理在測(cè)井曲線上無(wú)法有效識(shí)別，此次運(yùn)用全直徑CT掃描技術(shù)，分辨率可達(dá)到146 μm，能夠有效解決這一問(wèn)題。

以D20井為例，D20井2 280.37～2 280.82 m段煤巖，長(zhǎng)度為0.45 m。對(duì)選取的直徑為8 cm的煤巖樣品進(jìn)行全直徑CT掃描，利用PerGeos專業(yè)軟件完成巖心毫米級(jí)三維表征(圖4a—c)，并建立孔縫模型(圖4d)，再提取裂縫模型(圖4e)，后計(jì)算孔縫參數(shù)。巖心密度越大，掃描灰度圖像上越接近白色。煤巖在掃描圖像上顯示為黑褐色，碳酸鹽和黃鐵礦等高密度礦物顯示為白色、亮白色。由圖4可知：煤巖樣品發(fā)育毫米級(jí)高角度縫、水平縫、內(nèi)生割理及溶孔。經(jīng)計(jì)算，裂縫孔隙度為1.55%，裂縫密度為22.5條/m，裂縫平均開(kāi)度為1.1 mm；發(fā)育4條高角度縫，傾角為65.5～78.0 °，延伸長(zhǎng)度最大為96 mm；煤巖內(nèi)部割理發(fā)育，呈網(wǎng)狀分布，部分被黃鐵礦及碳酸鹽礦物充填；橫截面上可見(jiàn)毫米級(jí)溶孔，最大孔徑為2.2 mm。

圖3 煤巖掃描電鏡納米孔發(fā)育圖Fig.3 The nano-pore development of coal rock by scanning electron microscope

3.3 煤巖微、納米多尺度孔縫發(fā)育特征

對(duì)選取的煤巖樣品進(jìn)行微米級(jí)CT掃描和納米級(jí)FIB-SEM掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，掃描分辨率分別為1 μm和10 nm，并利用專業(yè)的數(shù)字巖心分析軟件PerGeos完成煤巖微、納米級(jí)孔縫結(jié)構(gòu)的三維表征(圖5)。骨架模型中黑色部分為微孔和微裂縫，灰色及白色為巖石骨架；孔隙模型直觀展示了巖石中孔-縫的三維空間展布；孔喉分布球棍模型中球狀部分為孔隙，棍狀部分為喉道，煤巖中的微裂縫往往以大量喉道網(wǎng)狀分布的形式存在，為基質(zhì)微孔間的連通提供通道。根據(jù)煤巖微、納米數(shù)字巖心橫型，分別對(duì)煤巖微米和納米孔喉空間進(jìn)行定量計(jì)算，微米孔喉樣品孔隙度為3.68%～7.11%，平均孔隙半徑為2.99～4.15 μm，平均喉道半徑為1.16～1.80 μm，平均配位數(shù)為0.038 1～0.462 2個(gè)(表1)；納米孔喉的孔隙、喉道半徑主要分布在10～100 nm(表2)，煤巖納米孔是氣體主要的吸附空間，納米孔體積小但數(shù)量多，為煤層氣的吸附提供了大量的表面積。微裂縫孔隙度為0.11%～0.30%，裂縫貢獻(xiàn)率(微裂縫體積占孔-縫總體積的比例)為2.65%～6.80%，裂縫平均開(kāi)度為3.75～4.84 μm(表3)。微裂縫對(duì)孤立微孔的連通起到至關(guān)重要的作用，微裂縫的形態(tài)、條數(shù)、開(kāi)度和連續(xù)性是評(píng)價(jià)其有效性的關(guān)鍵因素。

圖4 D20井煤巖毫米數(shù)字巖心模型圖Fig.4 The millimeter digital core model of coal rock in Well D20

圖5 2號(hào)煤巖微、納米數(shù)字巖心模型圖Fig.5 The micro and nano digital core model of No.2 coal rock

表1 煤巖微米孔隙結(jié)構(gòu)定量參數(shù)Table 1 The quantitative parameters of micro-pore structure of coal rock

表2 煤巖納米孔隙結(jié)構(gòu)定量參數(shù)Table 2 The quantitative parameters of nano-pore structure of coal rock

表3 微裂縫發(fā)育定量參數(shù)Table 3 The quantitative parameters of micro-fracture development

煤巖儲(chǔ)層孔隙發(fā)育具有復(fù)雜的多尺度特征，研究煤巖孔隙發(fā)育的多尺度分布特征對(duì)探究煤層氣儲(chǔ)層滲透性及高產(chǎn)控制因素具有重要意義。將3塊煤巖(7、9、10號(hào))不同尺度的孔隙數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，獲得多尺度的孔隙分布數(shù)據(jù)，采用霍多特(1996)十進(jìn)制分類方法進(jìn)行孔隙類型的劃分(表4)：微孔(小于10 nm)、小孔(10～102 nm)、中孔(102～103 nm)、大孔(大于103 nm)。分析得出，微孔和小孔在數(shù)量上具有較高的占比，小孔占比可達(dá)68.24%，同時(shí)這部分孔隙也為吸附氣提供了絕大部分的表面積，平均表面積占比為63.68%。大孔包括了微米孔和微米縫，其數(shù)量占比低，但貢獻(xiàn)了大部分的孔隙體積，微米孔-縫的發(fā)育為煤層氣的解吸、擴(kuò)散及滲流提供了通道。

表4 煤巖多尺度孔隙聯(lián)合定量表征數(shù)據(jù)Table 4 The joint quantitative characterization data of multi-scale pores in coal rock

4 結(jié) 論

(1) 應(yīng)用多尺度數(shù)字巖心掃描技術(shù)，獲得了多尺度的巖心孔-縫發(fā)育圖像，分析認(rèn)為煤巖儲(chǔ)層孔-縫系統(tǒng)發(fā)育具有復(fù)雜的多尺度特征，納米尺度發(fā)育有較多氣孔和組織孔；微米尺度發(fā)育有礦物溶孔、組織孔及微裂縫；毫米尺度發(fā)育高角度外生裂縫及內(nèi)生割理組合。

(2) 通過(guò)全直徑CT掃描實(shí)驗(yàn)對(duì)D20井煤巖段巖心進(jìn)行毫米級(jí)三維表征，建立孔-縫模型，計(jì)算孔-縫參數(shù)得到裂縫孔隙度為1.55%，裂縫密度為22.5條/m，裂縫平均開(kāi)度為1.1 mm，發(fā)育4條高角度縫，傾角為65.5～78.0 °，延伸長(zhǎng)度最大為96 mm。

(3) 通過(guò)微米級(jí)CT掃描和FIB-SEM納米掃描實(shí)驗(yàn)，得出微米孔隙平均半徑為2.99 ～4.15 μm，微米喉道平均半徑為1.16～1.80 μm；微裂縫平均開(kāi)度為3.75～4.84 μm；納米孔隙平均半徑為51.21～80.65 nm，納米喉道平均半徑為19.44～32.06 nm。

(4) 通過(guò)微、納米孔隙數(shù)據(jù)拼接，得出微孔和小孔在數(shù)量上具有較高的占比，其中，小孔數(shù)量占比最高，平均表面積占比為63.68%，為吸附氣提供了絕大部分的表面積；大孔數(shù)量占比低，但貢獻(xiàn)了大部分的孔隙體積，微米孔-縫的發(fā)育為煤層氣的解吸、擴(kuò)散及滲流提供了通道。