李 玲 姚海鵬 李 正 李鳳春 林海濤

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010000； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)非常規(guī)天然氣工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010000； 3.內(nèi)蒙古煤勘非常規(guī)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010000)

二連盆地煤層氣已成為低階煤層氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)之一，但目前勘探開發(fā)程度較低，僅在吉爾嘎朗圖凹陷取得突破。煤層氣儲(chǔ)層物性研究是煤層氣勘探開發(fā)的重要組成部分，是煤層氣的勘探選區(qū)、井位選擇及設(shè)計(jì)、井網(wǎng)布置、完井方案的基礎(chǔ)。很多學(xué)者根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行了定性或者定量研究，建立了孔隙系統(tǒng)模型或多層次模糊綜合評(píng)價(jià)體系，但多數(shù)集中在高階煤儲(chǔ)層，尚未建立低階煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)體系。

煤儲(chǔ)層物性研究是分析中低階煤層氣必不可少的部分，對(duì)后續(xù)煤層氣的勘探開發(fā)至關(guān)重要。本次煤巖樣品主要來自二連盆地霍林河、白音華和吉爾嘎朗圖凹陷露天礦和鉆井巖心。借助工業(yè)分析、低溫液氮、壓汞、顯微裂隙、掃描電鏡、核磁共振等實(shí)驗(yàn)室測(cè)試手段，分析煤儲(chǔ)層的成煤植物、環(huán)境，納米級(jí)、微米級(jí)、厘米級(jí)的孔隙結(jié)構(gòu)、形態(tài)、成因以及孔滲特征等儲(chǔ)層參數(shù)，建立二連盆地低階煤儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)體系，為本區(qū)煤層氣有利層位優(yōu)選和勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 二連盆地煤巖特征

1.1 巖石學(xué)特征

煤儲(chǔ)層巖石學(xué)特征是煤層氣生成及后期產(chǎn)能的重要影響因素。二連盆地煤樣品鏡質(zhì)體反射率(Ro)在0.34%～0.54%之間，平均值為0.42%，屬于褐煤、長焰煤，煤巖成熟度低，煤層產(chǎn)氣能力較低。

二連盆地煤樣品主要發(fā)育木質(zhì)煤和碎屑煤，其他類型較少。顯微組分以腐植組為主，惰質(zhì)組和穩(wěn)定組較少。腐植組含量在68.9%～98.8%之間，平均值為88.78%，惰質(zhì)組含量在0.3%～29.7%之間，平均值為6.97%，穩(wěn)定組含量在0.2%～13.1%之間，平均值為4.25%，煤中有機(jī)組分占96.2%～99.2%，平均值為97.62%，如表1所示。

表1 二連盆地煤顯微組分定量分析結(jié)果表

1.2 煤相特征

煤相即煤原始成因類型，取決于成煤植物群落和泥潭的聚集方式、覆水條件等。煤相研究對(duì)恢復(fù)成煤的沉積環(huán)境、分析不同煤巖類型和煤中礦物質(zhì)的分布規(guī)律及其成因具有重要意義。

本次研究主要采用凝膠化指數(shù)(GI)、植物保存指數(shù)(TPI)、植被指數(shù)(VI)、骨基比(F/M)、地下水指數(shù)(GWI)來分析煤相特征。

(1)GI-TPI煤相圖。凝膠化指數(shù)(GI)、植物保存指數(shù)(TPI)是由Dissel(1986)提出的用來指示成煤條件的參數(shù)，是研究成煤沼澤類型主要參數(shù)，TPI>1表示成煤植物以木本為主，TPT<1表示成煤植物以草本植物為主，表示一種極端干燥的氧化或極端潮濕的成煤環(huán)境；GI值越大表示成煤環(huán)境越潮濕且沼澤覆水也較深，GI值越小反映成煤環(huán)境相對(duì)干燥且沼澤覆水淺。按照本次參數(shù)點(diǎn)落的位置，二連盆地發(fā)育4種沼澤類型：較深覆水森林沼澤、低位沼澤、較淺覆水森林沼澤及潮濕森林沼澤，如圖1所示。

(2)GWI-VI圖和GWI-F/M圖。地下水流動(dòng)指數(shù)(GWI)反映地下水對(duì)成煤泥炭沼澤的控制程度、礦物含量及水位變化，植被指數(shù)(VI)反映成煤植物及其保存程度，骨基比(F/M)反映水流活動(dòng)性強(qiáng)弱。二連盆地GWI-VI圖、GWI-F/M圖見圖2和圖3。由圖2和圖3可知，二連盆地總體騰格爾組覆水較深，成煤植物以木本為主；賽漢塔拉組覆水較淺，局部地區(qū)或?qū)酉党擅褐参镆圆荼局参餅橹?。成煤期水?dòng)力環(huán)境總體為滯留環(huán)境，局部地區(qū)成煤環(huán)境為徑流環(huán)境。

圖1 二連盆地GI-TPI煤相圖

圖2 二連盆地GWI-VI圖版

圖3 二連盆地GWI-F/M圖版

2 不同尺度低階煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及成因

2.1 納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)分析

納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)、形態(tài)研究主要通過低溫液氮測(cè)試和壓汞測(cè)試來分析，前者分析孔徑小于20 nm的微孔、小孔分布，后者測(cè)定稍大的中孔和大孔的孔徑分布、孔隙結(jié)構(gòu)。

(1)低溫液氮分析。低溫液氮吸附法是判定孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙形態(tài)和研究細(xì)小微孔有效方法之一，通過觀察吸附曲線和脫附曲線的重疊關(guān)系而得到的吸附回線，能夠判定孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙形態(tài)類型，同時(shí)利用BET模型和BJH模型分別求出煤樣孔隙比表面積及總孔體積。本次對(duì)二連盆地24個(gè)煤樣進(jìn)行低溫液氮試驗(yàn)，獲得3種吸附、脫附曲線類型，如圖4所示。圖中類型I為無回線型，曲線無回線或回線微弱，孔隙類型一端封閉的平行板狀孔或圓柱孔、錐形或楔形孔；類型II具有明顯滯后環(huán)型，孔隙類型為細(xì)瓶頸孔；類型III呈微弱滯后環(huán)型，其吸附—脫附曲線比類型I分離幅度大，同時(shí)吸附—脫附曲線存在微弱的滯后環(huán)，該類型曲線代表典型的“雙峰”孔隙結(jié)構(gòu)，即小孔和微孔含量均較高，該種煤樣一般孔體積較大，而比表面積較小，同時(shí)兩者的相關(guān)性差。

研究區(qū)不同煤巖類型煤樣以小孔和微孔為主；小孔段和微孔段體積分別占總孔體積的69.93%和24.95%，小孔段和微孔段比表面積分別占總比表面積的39.07%和60.39%，如表2所示。

(2)壓汞法測(cè)試分析。壓汞測(cè)試結(jié)果顯示煤巖樣品排驅(qū)壓力均為0.01 MPa，排驅(qū)壓力小，表明滲流孔比例較大；孔喉半徑均值為1.69～18.01 μm，平均為12.64 μm；最小非飽和孔隙體積為0.1%～84.7%，平均為37.31%，表明孔隙結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；退汞效率分布于9.6%～32.7%，平均為13.21%。

圖4 二連盆地典型煤樣低溫液氮吸附等溫線

樣品編號(hào)煤巖類型總孔體積/ml·g-1各孔徑段體積比/%中孔小孔微孔BET比表面積/m2·g-1各孔徑段表面積比/%中孔小孔微孔平均孔徑/nmJDE4(1)木質(zhì)煤0.00606.3674.5119.131.28300.7440.7458.5218.72JDE4(2)木質(zhì)煤0.00696.6174.8518.541.23450.7943.0956.1222.34JDE5(1)碎屑煤0.01434.1582.5813.273.18230.5449.6049.8717.97JDE5(2)碎屑煤0.01833.2979.7117.014.29600.4045.9353.6717.06JDE6(1)木質(zhì)煤0.01145.6482.3512.012.96400.8150.9648.2315.40JDE6(2)木質(zhì)煤0.01196.0982.9910.922.70460.8052.0347.1717.53JXY6-2(1)木質(zhì)煤0.00695.7781.7212.511.26340.8760.2038.9321.83JXY6-2(2)木質(zhì)煤0.01253.7080.9115.392.33290.5152.9546.5421.47J2-2(1)碎屑煤0.03473.0364.4632.529.25190.2631.6868.0714.99J2-2(2)碎屑煤0.04811.1566.3132.5414.67450.0927.6572.2613.12J2-3(1)碎屑煤0.07261.1070.2028.7020.98920.0934.4765.4413.84J2-3(2)碎屑煤0.02521.9056.2441.867.43100.1426.3873.4813.55J2-6(1)碎屑煤0.06350.9436.9262.1428.85650.0511.0488.918.81J2-6(2)碎屑煤0.041622.0145.2232.7620.82711.9120.2878.197.99

壓汞曲線發(fā)育4類，如圖5所示。類型I孔隙結(jié)構(gòu)好，排驅(qū)壓力小，孔喉半徑均值大于12 μm，進(jìn)汞飽和度高，在75%～95%之間，最小非飽和孔隙體積一般小于25%。這種類型曲線呈兩段式或非典型三段式，孔隙連通性較好，該類孔隙對(duì)煤層氣的富集和產(chǎn)出非常有利。類型II孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育一般，排驅(qū)壓力小，孔喉半徑均值大于14 μm，累計(jì)進(jìn)汞飽和度高，介于60%～70%，最小非飽和孔隙體積介于20%～40%。壓汞曲線呈典型的三段式，表明微孔、小孔、中孔、大孔均發(fā)育，且中孔含量較高。退汞效率較高，孔隙連通性較好。類型III排驅(qū)壓力小，孔喉半徑均值最小為9 μm，累計(jì)進(jìn)汞飽和度較低，介于30%～50%，最小非飽和孔隙體積較大，在40%～70%之間。壓汞曲線呈兩段式結(jié)構(gòu)，表明中孔和大孔較發(fā)育，而小孔和微孔不發(fā)育。退汞效率較高，反映了孔隙結(jié)構(gòu)不均勻，連通性較差。類型IV排驅(qū)壓力大，孔喉道半徑均值小于9 μm，累計(jì)進(jìn)汞飽和度小于20%，最小非飽和孔隙體積大于70%，表明此類孔隙以大孔和微小孔為主，中孔不發(fā)育，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，排驅(qū)效率低，利于煤層氣儲(chǔ)集，不利于產(chǎn)出。

整體而言二連盆地煤巖主要發(fā)育I、II、III類孔隙類型，以大孔和中孔為主，孔隙連通性較好，如表3所示。

圖5 二連盆地壓汞曲線類型圖

樣號(hào)排驅(qū)壓力Pd/MPa最小非飽和孔隙體積Smin/%最大連通孔喉半徑Rd/μm孔喉半徑均值Rm/μm曲線類型HZ3-1(1)0.0140.19.1216.56IIH2-30.0584.70.231.69IVH2-20.0184.00.188.22IVHZ1-1(1)0.0166.41.769.95IIIHB3-1(1)0.0147.45.7315.60IIIHB3-1(2)0.0147.34.6015.90IIIHY21(1)0.0156.41.2010.17IIIHB3(1)0.0123.011.914.40IHY21(2)0.0153.77.209.84IIIJDE4(1)0.0121.88.2016.75IIJDE50.011.014.7011.87IJDE6(1)0.010.113.6012.41IJXY6-2(1)0.010.112.4014.08IJXY6-2(2)0.013.015.4018.01I

2.2 微米級(jí)孔隙成因

掃描電鏡是直觀觀察微米級(jí)孔隙成因類型、孔裂隙特征和礦物大小及形態(tài)的有利工具之一，為研究煤層氣的生成、富集、保存提供更為詳細(xì)的微觀資料支持。

通過掃描電鏡鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，二連盆地煤儲(chǔ)層主要發(fā)育植物組織孔、礦物粒間孔(粘土礦物、脆性礦物)、晶間孔、有機(jī)質(zhì)(氣)孔、溶蝕孔等類型。植物組織孔大小均一、排列有序，孔隙多被礦物質(zhì)部分充填。氣孔在鏡質(zhì)組中最發(fā)育，其大小不一、排列無序。外形多為渾圓狀、管狀，一般不被次生礦物充填。溶蝕孔由煤中可溶礦物質(zhì)在地下水循環(huán)中形成。晶間孔是指原生礦物或次生礦物晶粒間的孔隙。粒間孔是成巖作用過程中煤物質(zhì)顆粒壓實(shí)脫水后仍保留下來的孔隙，這類孔隙褐煤中最多，孔徑最大，形態(tài)各異、大小不等，如圖6所示。

圖6 掃描電鏡下的孔隙特征

2.3 厘米級(jí)孔裂隙特征

通過鏡下觀測(cè)，二連盆地煤層中主要發(fā)育割理、剪性外生裂隙、張性外生裂隙、溶蝕裂隙等。煤儲(chǔ)層主裂隙長度平均為0.26 cm，平均高度0.33 cm，平均寬度11.5 μm，平均密度16條/cm；次裂隙長度平均為0.16 cm，平均高度0.31 cm，平均寬度6.25 μm，平均密度7條/cm。裂隙參數(shù)顯示煤層裂隙的發(fā)育極高和連通性中等，對(duì)煤層氣的運(yùn)移和開采比較有利，如表4所示。

3 孔滲性特征

二連盆地煤巖樣品孔隙度在10.67%～38.46%之間，平均值為24.35%，主要集中在10%～25%之間。

煤儲(chǔ)層孔隙度與煤的變質(zhì)程度、礦物含量有關(guān)。研究區(qū)煤巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)均小于0.45%，屬于低階煤中的褐煤。隨著Ro的增高，孔隙度整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诘碗A煤范圍內(nèi)，孔隙主要為原生大孔隙，含有大量的羥基和羧基官能團(tuán)，孔隙度較大。隨著Ro增高，煤中的原生大孔隙急劇減少，熱變氣孔逐漸增多，相對(duì)于微孔的增加，大孔的減少占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此低階煤孔隙度隨Ro的增大而降低。煤的灰分是煤中礦物質(zhì)的衍生物，雖然不是煤中的固有組分，但在一定程度上反映礦物含量的高低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示煤孔隙度與灰分含量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，這主要是礦物質(zhì)充填了部分孔隙而使孔隙度降低，如圖7所示。

圖7 孔隙度與鏡質(zhì)體反射率及灰分的關(guān)系圖

研究區(qū)滲透率數(shù)據(jù)較少，根據(jù)吉爾嘎朗圖凹陷煤層氣井注入壓降測(cè)試滲透率在0.1～4 mD之間，總體滲透率較低，這與孔隙以大孔和中孔為主相矛盾，推測(cè)為孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連通性差導(dǎo)致滲透率低。

4 孔隙分形維數(shù)分析

分形的重要特征是自相似性，定量描述這種具有自相似性研究對(duì)象的參數(shù)成為分形維數(shù)。本次研究采用FHH模型方法。根據(jù)分形幾何理論，在三維歐氏空間內(nèi)分形維數(shù)在2～3之間，越接近2說明孔隙表面越光滑，儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能越好；分形維數(shù)值越接近3，說明孔隙表面越不光滑，儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能越差；若大于3，說明該孔隙在該尺寸范圍內(nèi)不具有分形結(jié)構(gòu)。巖樣的分形維數(shù)反映了孔喉分布結(jié)構(gòu)性，分形維數(shù)越大，其微觀孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性越強(qiáng)。

二連盆地煤巖分形維數(shù)主要分布在2.46～2.64，煤巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度中等，具有部分復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 二連盆地煤樣典型FHH曲線圖

5 二連盆地低階煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)體系

在綜合分析以上測(cè)試化驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了二連盆地低階煤儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)體系。由煤相特征和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)兩大部分組成，前者包括成煤植物、水動(dòng)力條件、組織孔保存條件和凝膠化指數(shù)，后者包括孔滲特征、孔徑分布、孔隙填充、孔隙形態(tài)、排驅(qū)壓力、孔喉半徑均值、累計(jì)進(jìn)汞飽和度、最小非飽和孔隙體積、分形維數(shù)。具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 二連盆地低階煤儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

二連盆地低階煤儲(chǔ)層根據(jù)煤相參數(shù)和儲(chǔ)層參數(shù)分為I、II、III共3類儲(chǔ)層，其中，I類儲(chǔ)層成煤植物以木本植物為主，處于滯留水動(dòng)力環(huán)境，組織孔保存較好(F/M>1)，凝膠化指數(shù)大于10，孔隙度大于15%，滲透率大于1 mD，小孔、中孔、大孔均發(fā)育，孔隙無充填，以開放孔為主，排驅(qū)壓力小，孔喉半徑均值大于12 μm，累計(jì)進(jìn)汞飽和度大于60%，最小非飽和孔隙體積小于40%，分形維數(shù)小于2.5；II類儲(chǔ)層在成煤植物、水動(dòng)力條件、組織孔保存條件、孔滲特征、分形維數(shù)5個(gè)參數(shù)上與I類儲(chǔ)層相似，其他參數(shù)低于I類儲(chǔ)層，凝膠化指數(shù)大于5，以半開放小孔為主，孔隙有充填，排驅(qū)壓力較小，孔喉半徑均值大于9 μm，累計(jì)進(jìn)汞飽和度20%～60%，最小非飽和孔隙體積40%～70%；低于I類、II類儲(chǔ)層參數(shù)的均為III類煤儲(chǔ)層。

本次建立的低階煤儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是在大量試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)比分析建立起來的，對(duì)于煤層氣勘探開發(fā)程度低、儲(chǔ)層物性數(shù)據(jù)較少的二連盆地具有較強(qiáng)的適用性和應(yīng)用性。

6 結(jié)論

二連盆地煤巖樣品以低階煤中的褐煤、長焰煤為主，宏觀煤巖類型主要為木質(zhì)煤和碎屑煤。發(fā)育4種沼澤類型：較深覆水森林沼澤、低位沼澤、較淺覆水森林沼澤及潮濕森林沼澤，成煤期水動(dòng)力環(huán)境總體為滯留環(huán)境，局部地區(qū)為徑流環(huán)境。二連盆地發(fā)育納米級(jí)、微米級(jí)、厘米級(jí)3種尺度孔裂隙，發(fā)育無回線型、明顯滯后環(huán)型、微弱滯后環(huán)型3種孔隙形態(tài)，4種孔隙結(jié)構(gòu)類型，大中孔為主，分形維數(shù)較高，孔隙結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤巖孔隙度較高，滲透率低。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試分析總結(jié)出13個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)，即成煤植物、水動(dòng)力條件、組織孔保存條件、凝膠化指數(shù)、孔滲特征、孔徑分布、孔隙充填、孔隙形態(tài)、排驅(qū)壓力、孔喉半徑均值、累計(jì)進(jìn)汞飽和度、最小非飽和孔隙體積、分形維數(shù)，對(duì)于煤層氣勘探開發(fā)程度低、儲(chǔ)層物性數(shù)據(jù)較少的二連盆地具有較強(qiáng)的適用性和應(yīng)用性。