高、低煤階煤儲層孔隙分布差異性對煤層氣富集與滲透運移的影響

高、低煤階煤儲層孔隙分布差異性對煤層氣富集與滲透運移的影響

0煤儲層孔隙結構的分布高光煤炭包括貧煤和無煙煤，鏡質(zhì)組的最大反射率超過1.90%。低碳煤包括棕色煤和長焦煤，鏡質(zhì)組的最大反射率低于0.65%。高、低煤階煤處于煤變質(zhì)程度的兩端元。煤化作用過程中,從低煤階煤到高煤階煤,其物理、化學性質(zhì)發(fā)生了顯著的變化,反映出質(zhì)變的特征,煤的孔隙分布相應發(fā)生了明顯的改變。煤儲層孔隙是煤層氣的主要聚集場所和運移通道,煤孔隙結構分布是研究煤層氣賦存狀態(tài)、氣、水介質(zhì)與煤基質(zhì)間的相互作用以及煤層氣解吸、擴散和滲流的基礎。因而煤儲層孔隙結構不僅制約煤層含氣量,且對其可采性也有重要影響。前人研究主要集中在開發(fā)程度較高的高煤階煤孔隙系統(tǒng)特征方面,也有學者對某含煤區(qū)各個變質(zhì)階段的煤孔隙分布進行分析,然而很少有文獻對我國高、低煤階典型含煤區(qū)煤孔隙特征進行對比研究,缺乏針對經(jīng)歷完整變質(zhì)階段后的孔隙結構差異性認識,因而導致煤儲層物性特征的認知不足,限制了針對高、低煤階儲層煤層氣的進一步開發(fā)。1開口結構試驗1.1煤中孔徑結構試驗的低煤階(褐煤、長焰煤)煤巖試驗樣品采自內(nèi)蒙古海拉爾盆地、新疆吐哈盆地、準噶爾盆地及河北省萬全煤田,共13個,鏡質(zhì)組最大反射率Ro,max介于0.24%~0.65%;高煤階煤巖試驗樣品(貧煤、無煙煤3號、無煙煤2號)采自沁水盆地和焦作煤田,共10個,Ro,max介于1.89%~4.37%(表1)。23個樣品孔徑結構測定采用汞侵入法(9510型壓汞微孔測定儀),得到煤中孔徑7.2nm以上的各孔徑段孔隙比孔容和比表面積等參數(shù);煤巖孔隙度測試采用比重瓶法。筆者依據(jù)Χoдoт劃分煤孔徑結構,分別對大孔(>1000nm)、中孔(100~1000nm)、過渡孔(10~100nm)和微孔(7.2~10nm)進行煤比孔容和比表積分布的統(tǒng)計(表1)。此外也對其中8個高、低煤階煤巖樣品(HLR-01、HLR-05、HLR-07、WQ1、H1、H2、H3、H4)進行了30℃下等溫吸附試驗測試。測試儀器為IS-300型等溫吸附儀,參考GB/T19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》進行。1.2煤中孔隙度的變化1)孔隙度特征。筆者對13個低煤階煤巖樣品(Ro,max=0.24%~0.65%)的測試結果顯示,低煤階煤樣孔隙度為2.29%~31.91%(表1),平均值12.31%。低煤階煤孔隙度變化范圍較大,平均值較高,其中吐哈盆地樣品孔隙度最低。究其原因,一方面與其惰質(zhì)組分含量少有關。低變質(zhì)程度煤的惰質(zhì)組分具有完整發(fā)達的孔隙系統(tǒng),孔徑分布范圍廣,大孔、中孔以及過渡孔分布的比例相對較高,平均孔徑大。鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組相比,微孔比例相對較高,致使鏡質(zhì)組中的孔隙平均孔徑較小;另一方面為吐哈盆地煤變質(zhì)程度偏高(長焰煤)。隨著煤變質(zhì)程度提高,褐煤發(fā)達的原生孔隙被迅速壓實,至長焰煤時大孔、中孔明顯減少,微孔增多,孔隙度降低,造成吐哈盆地煤儲層孔隙度偏低。至高煤階階段,煤孔隙經(jīng)歷了由中等變質(zhì)程度孔隙度降低到高煤階孔隙度再次升高的過程。10個高煤階煤樣品實測孔隙度介于4.29%~10.00%(表1),平均為6.79%?？傮w來看,孔隙度與煤階的關系表現(xiàn)為褐煤(Ro,max<0.5%)孔隙度最高,其次是無煙煤3號(Ro,max為2.5%~4.0%),長焰煤最低(Ro,max為0.50%~0.65%,圖1a)。2)孔徑分布特征。從比孔容分布特征來看,低煤階煤的總比孔容變化范圍大,且總體較高,而高煤階煤總比孔容較低煤階煤的孔體積減小(圖1b)。低煤階煤大孔、中孔、過渡孔體積均比高煤階煤大,尤以過渡孔為甚。高煤階煤大孔孔容最高,過渡孔、微孔的孔容次之(表2)。研究發(fā)現(xiàn),在Ro,max為2.30%~3.43%時,煤中有一定數(shù)量的微米級熱成孔和裂縫孔(大孔)產(chǎn)生,表現(xiàn)出大孔的容積增大。由于煤大分子的秩理化程度增高,導致高煤階煤中微孔孔容比例也不斷增大。從比表面積來看,呈現(xiàn)低煤階煤的總比表面積大于高煤階煤(圖1c)的規(guī)律。高、低煤階煤比表面積均以過渡孔、微孔為主,大孔比表面積最小(表2)。低煤階煤過渡孔比表面積比最高(59.65%),與比孔容具有較好的一致性。微孔比表面積比(38.19%)僅次于過渡孔,與微孔比孔容比相比升高。而大孔與中孔對比表面積的貢獻很小。高煤階煤比表面積比以微孔最高(51.28%)。理論上,隨變質(zhì)程度提高,微孔含量會大幅增加,微孔比表面積占絕對優(yōu)勢,成為總比表面積的最大貢獻者。由于壓汞測試范圍大于7.2nm,因此無法測得孔徑小于7.2nm的微孔,一定程度上低估了高煤階煤中微孔比表面積。高煤階煤孔容較大的過渡孔,其比表面積僅次于微孔,比表面積百分比為47.90%。大孔、中孔同低煤階煤類似,比表面積比低。3)孔隙形態(tài)及連通性。煤中有效孔隙包括開放孔和半封閉孔2種基本類型。煤壓汞曲線的“孔隙滯后環(huán)”可反映孔隙的基本形態(tài)及其連通性。圖2為高、低煤階典型煤樣的進汞-退汞曲線。圖2a為4個褐煤煤樣的壓汞曲線。HLR-01、WQ1、HLR-05、HLR-07煤樣壓汞回線的進汞、退汞曲線體積差較大,滯后環(huán)寬大,孔隙連通性比較好,且以開放孔為主。圖2b為H1、H2、H3、H4等4個無煙煤樣品的壓汞曲線,其進汞飽和度低,孔隙率小;退汞存在明顯的滯后現(xiàn)象,且壓汞滯后環(huán)窄小,說明煤的孔隙連通性較差,孔隙中多存在類似于“墨水瓶”型的半封閉孔。2煤儲層孔隙分生長規(guī)律煤是一種具有各種級別孔徑的復雜多孔介質(zhì),使用傳統(tǒng)的幾何方法難以精確地描述,且無法用固定的尺度來度量。研究表明煤儲層孔隙系統(tǒng)在不同的尺度上具有明顯的分形特征,應用壓汞測試數(shù)據(jù)可以分析煤儲層孔隙的分形維數(shù),其中Menger提出的海綿構造思想多用來模擬煤巖體孔隙特征。分形維數(shù)Db=lgNb1/lgm,其中m為邊長是R的立方體初始元分成等大的小立方體數(shù)量;Nb1為按照一定規(guī)則去掉部分這樣的小立方體,剩下的小立方體數(shù)。通過Washburn方程可構建進汞體積與進汞壓力之間的雙對數(shù)方程式:其中:p為外加壓力,MPa;V為壓力p時的進汞體積,mm3;r為煤樣孔隙半徑,nm;Db為孔隙分布分形維數(shù)。對lg[dV/dp]與lgp作圖,得到斜率K,則Db-4=K,即:利用式(2)進行分形計算。褐煤HLR-05、無煙煤H4的雙對數(shù)曲線如圖3所示。其他6個典型煤樣的計算結果見表3。以維數(shù)為3分界,4個褐煤煤樣的分形維數(shù)均在3以上;而無煙煤的分形維數(shù)在3以下。煤儲層孔隙體積的分形維數(shù)隨煤變質(zhì)程度的增高而減小。此外,分析孔隙度與分形維數(shù)的關系發(fā)現(xiàn),孔隙度較大時,體積分形維數(shù)也相應較高(表3)。雙對數(shù)曲線最高點對應壓汞法所測巖樣最大孔隙,因此可將壓汞法測試范圍上限1000nm定為煤樣分形上限。各學者對分形上限的確定結論基本一致;前人對于孔隙分形下限還沒有統(tǒng)一的結論。分形尺度是討論煤巖孔滲性的重要參數(shù)。傅雪海等、王文峰等分別研究得到當孔徑大于65、75nm時煤儲層孔隙才具有明顯的分形特征;張松航等將100nm作為煤樣的分形下限。圖4中HLR-05褐煤煤樣不同孔徑的進汞量顯示,孔徑為106.1nm處進汞量出現(xiàn)突變。H4樣品相應孔徑的進汞量則顯示在90.7nm處出現(xiàn)突變。HLR-01、WQ1、HLR-05、HLR-07等4個褐煤分形下限孔徑介于104.5~150.7nm,H1、H2、H3、H4等4個無煙煤分形下限孔徑介于90.1~98.9nm?？梢灶A見,在煤變質(zhì)程度增高的情況下,體積分形下限會持續(xù)降低。3高煤階煤的吸附特性煤層含氣量、解吸量以及滲流能力是煤層氣高效開發(fā)的重要評判指標。其中孔隙結構特征對煤儲層的吸附能力和流動能力均有影響。一般來說,微孔對吸附和擴散起著主要作用,而過渡孔、中孔及大孔對煤儲層的滲透性作用明顯。高、低煤階煤平衡水等溫吸附試驗結果顯示,高煤階煤具有強吸附能力(表3),Langmuir體積高達29.62m3/t,低煤階煤Langmuir體積則為1.13~8.09m3/t。高煤階煤較之低煤階煤的具有強吸附能力,證實了高煤階煤小于7.2nm的微孔含量高、比表面積分布巨大。一般來說,吸附能力與含氣量成正相關關系。高煤階煤微孔含量總體較高,為煤層氣開發(fā)提供了良好的氣體富集基礎。低煤階煤微孔比表面積也較大,但吸附能力低?？紫扼w積分形維數(shù)與水分含量呈正相關關系,低煤階煤分形維數(shù)較高,水分也高,水分一方面降低了吸附能力,另一方面阻擋了煤的吸附通道。煤層氣解吸量直接影響煤層氣井的單井產(chǎn)量。解吸一方面與吸附氣含量的高低有關,另一方面與煤層氣在儲層中的流動能力相關。煤儲層孔徑結構的連續(xù)性越好,流動能力越強。對比圖6中高、低煤階的孔隙分布特征以及孔隙體積分形下限孔徑可以發(fā)現(xiàn),高煤階煤的滲流孔發(fā)育程度較低,煤巖滲透能力低下,排水采氣時不容易持續(xù)穩(wěn)定降壓。因而,流動能力的強弱是判別高煤階煤儲層煤層氣有利開發(fā)區(qū)域的決定因素。低煤階各個階段孔隙發(fā)育較為均衡,存在高滲流能力的天然優(yōu)勢,極大地降低了煤層氣開采的難度。此時,尋找煤層氣含氣量高的富集區(qū)將是開發(fā)低煤階煤層氣的關鍵。4煤的變質(zhì)程度及滲流能力1)高、低煤階煤孔隙系統(tǒng)發(fā)育特征存在著明顯的差異。低煤階煤孔隙度平均為12.31%,而高煤階煤的孔隙度平均值為6.79%。低煤階煤大孔、中孔、過渡孔比孔容均較大,尤以過渡孔為甚;高煤階煤則以大孔孔容最大,而過渡孔、微孔的孔容次之;高、低煤階煤比表面積均以過渡孔、微孔為主。低煤階煤孔隙連通性較好,以開放孔為