煤中储集层的孔隙特征.doc

中国矿业大学资源与地球科学学院

煤
中
集
气
层
孔
隙
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特
征

煤中储集层的孔隙特征

摘要：煤层气储集层即煤层本身, 它是一种双孔隙岩石, 由基质孔隙和裂隙组成, 二者对煤层气赋存、运移和产出起决定作用.
关键词：　煤层气　基质孔隙　裂隙
1 　煤中孔隙研究概况
煤层既是煤层气的源岩, 又是其储层. 作为储层, 它有着与常规天然储层明显不同的特征. 最重要的区别在于煤储层是一种双孔隙岩石, 由基质孔隙和裂隙组成, 二者对煤层气的赋存、运移和产出起不同作用. 因此系统研究和正确认识煤中的孔隙, 对煤层气的勘探开发至关重要. 从人们认识到煤中裂隙的存在, 至今已有百余年 . 在这一漫长的历史进程中, 煤中裂隙的研究逐渐分化为两个领域: 煤田地质学领域和煤层气领域. 这两个领域因研究的出发点和目的不同而各具特色.
2 　煤中孔隙的分类与成因
作为煤层气储集层的煤层是一种双孔隙岩石, 由基质孔隙和裂隙组成. 所谓裂隙是指煤中自然形成的裂缝. 由这些裂缝围限的基质块内的微孔隙称基质孔隙. 裂隙对煤层气的运移和产出起决定作用, 基质孔隙主要影响煤层气的赋存.
2. 1 　基质孔隙的分类
基质孔隙可定义为煤的基质块体单元中未被固态物质充填的空间, 由孔隙和通道组成. 一般将较大空间称孔隙, 其间连通的狭窄部分称通道.基质孔隙可根据成因和大小进行分类. 按成因可将孔隙区分为气孔、残留植物组织孔、溶蚀孔、晶间孔、原生粒间孔等. 可按多孔介质孔隙大小进行的分类虽有多种方案. 但因研究对象、目的不同而有所差别, 分类方案如表1 所示.

表1 　煤孔隙分类方案
研究者
微孔小孔
小孔(或过度孔)
中孔
大孔

B. B. 霍多特(1961)
< 100
100～1 000
1 000～10 000
> 10 000

Gan 等(1972)
< 12

12～300
> 300
抚顺所(1985)
< 80

80～1 000
> 1 000
Girish 等(1987)
< 8 (亚微孔)
8～20 (微孔)
20～500
> 500

其中Girish 等人的分类是依据煤的等温吸附特性进行的, 并得到国际理论与应用化学联合会的认可. 霍多特的分类是依工业吸附剂研究提出的, 认为微孔构成煤的吸附容积, 小孔构成煤层气毛细凝结和扩散区域, 中孔构成煤层气缓慢层流渗透区域, 而大孔则构成剧烈层流渗透区域, 这是目前煤层气领域普遍采用的方案.
2. 2 　基质孔隙的影响因素
2. 2. 1 　煤化程度
煤的基质孔隙特征与煤化程度有着密切关系. 随煤化程度升高, 基质孔隙的总孔容、孔面积和孔径分布出现有规律的变化. 在Romax < 1. 5 %时, 该阶段内随煤化程度升高, 总孔容、孔面积和各级孔隙体积均急剧下降, 尤其是大中孔隙体积减小更为迅速. 在Romax = 1. 0 %～ 5. 0 %时变动较大, 可能是煤中内生裂隙发育的影响. 在Romax = 1. 5 %～5. 0 %时, 该区间内小孔体积和微孔体积随Romax 增高而增大. 在Romax = 5. 0 %时形成第2 高峰, 但大、中孔的关系体积仍持续下降. 在Romax > 5. 0 %时,小孔、微孔面积、孔面积又开始下降, 大、中孔体积持续缓慢下降.煤的基质孔隙结构特征的变化, 是煤在温度、压力作用下长时间内部结构物理化学变化的结果.因此, 其变化与煤化作用跃变有着良好的对应关系. 这种现象可从煤在外部因素作用下, 内部分子结构重组变化的角度来解释。
2. 2. 2 　显微组分的影响
不同的显微组分含不同级别的孔隙. 如镜质组中的基质镜质体和均质镜质体, 多含一些小孔或微孔. 对残留植物组织孔而言多属中大孔, 如丝质体.
2. 2. 3 　矿物含量的影响
对煤的孔隙的影响有两方面: 一是它充填了一部分大中孔隙, 使孔隙总孔容下降; 另一方面是矿物本身可能存在一些孔隙, 如晶间孔, 对煤的孔隙度有微弱贡献, 但矿物对煤层气的吸附能力远低于煤. 虽然矿物含量高, 内部可能含许多孔隙, 但总体是不利于煤层气吸附储存的. 研究表明, 随矿物含量增高, 煤的孔隙度逐渐降低, 特别是大中孔隙的减少更为迅速.
2. 2. 4 　断裂的影响
断裂可使煤的孔隙度增加. 距断裂越近, 大中孔隙体积和总孔容值越大, 而小孔和微孔体积变化不大. 另外张性断层使煤的大中孔隙增多, 压性断层使煤的中孔增加.
2. 3 　基质孔隙的研究方法
2. 3. 1 　形貌观测
基质孔隙的形貌特征可以在光学显微镜和电子显微镜( TEM 或SEM) 下观测. 这种观测不仅能确定孔隙形态、大小和联通性, 更重要的是确定其成因类型以及它们与裂隙的关系.
2. 3. 2 　压汞法
煤的基质孔隙定量研究方法很多, 这里只简要介绍压汞法.压汞法是根据毛细管现象而设计的, 由描述这一现象的Laplace 方程表示. 该原理认为, 接触角大于90°的水银在无外界压力的条件下是不能自动进入煤基质孔隙中的, 利用外加压力克服水银表面张力带来的阻力, 就可建立充满一定孔隙所需压力和孔径大小间的函数关系, 即Laplace 方程. 由压汞实验中得出的孔径与压力的关系曲线称压汞曲线或毛细管压力曲线.
3. 1 　内生裂隙(割理)
煤中有两组大致相互垂直的内生裂隙, 名为主内生裂隙(面割理) 和次内生裂隙(端割理) . 主内生裂隙延伸较远(可达数m) ; 次内生裂隙仅发育在两条相邻的内生裂隙之间. 两组内生裂隙与煤层层面垂直或陡角相交, 从而把煤体切割成一系列的斜方形基质块.
煤中内生裂隙与煤岩组分和煤化程度密切相关. 一般只发育在镜煤和亮煤分层中, 不切穿上下分层, 裂隙面平坦, 无擦痕. 中变质阶段的煤内生裂隙最发育, 每5cm 达40～60 条, 而低变质烟煤和高变质无烟煤阶段逐渐减少. 不同变质阶段、不同煤岩组成的煤, 具不同的力学性质, 内生裂隙的发育程度自然不同.
关于内生裂隙的成因有不同的认识, 一般认为是煤中凝胶化物质在煤化作用过程中受温度、压力的影响, 内部结构变化, 体积收缩, 引起内张力而形成的. 这一观点以内生裂隙多集中在凝胶化组分为主的分层中为佐证. 另有一些资料表明, 主内生裂隙的走向与褶皱轴向垂直, 显然是构造应力作用所致. 实际上凝胶化组分是内生裂隙形成的物质基础, 它在整个演化过程中必定留下古构造应力场的记录. 也就是说凝胶化物质体积收缩引起的内张力的方向, 与它所受的古构造应力场的张力方向大体一致. 同时凝胶化组分脆性强, 中变质阶段最强, 因此镜煤或亮煤分层便成为构造应力优先破坏的对象. 灰分、稳定组分、惰性组分含量较高的暗煤分层, 因韧性和强度大, 在应力的作用下不易破裂. 可见内生裂隙的形成不仅是由煤的力学性质这一内在因素决定的, 而且受凝胶化物质体积收缩产生的内张力作用和构造应力作用, 但这种构造应力要比形成外生裂隙的应力弱得多.
3. 2 　外生裂隙
外生裂隙是指煤层在较强的构造应力下产生的裂隙. 按成因可分为3 种: 剪性外生裂隙、张性外裂隙和劈理.
剪性外生裂隙与煤层面以各种角度相交可出现在煤层任何部分, 裂隙凹凸不平, 且有滑动痕迹,多呈羽毛状、波状, 裂隙间距较宽, 常两组或多组并存. 张性外生裂隙与岩石的张节理一样, 规模较小, 雁行排列, 煤中少见. 劈理是指煤层存在层间滑动时, 形成的一系列波状的相互平行的裂隙.
外生裂隙的成因与岩石节理的成因相近, 剪性和张性外生裂隙是煤脆性形变阶段的产物. 从煤中以剪性外生裂隙为主、张性外生裂隙少见这一现象分析知, 它可能与煤的力学性质有关. 因煤体的强度远远低于岩石, 且脆性强, 在外部应力作用下, 以剪性外生裂隙的形成、使煤体遭到破坏来消减构应力, 很难形成对应的张应力. 劈理是岩石塑性形变阶段的产物. 煤中的劈理与岩石一样, 是塑性滑动的结果, 常与煤层小褶皱伴生. 煤层以其特有的力学性质, 在含煤岩系中最易成为滑动面. 煤层内各分层因其煤岩组成不同, 力学性质也不尽相同, 滑动面优先选择的是软分层. 因此, 煤中可同时出现多个滑动面, 滑动面之间可出现劈理. 对岩石而言, 劈理是在较高的温度、压力和强烈的构造应力作用下形成的. 但对煤层而言, 其力学性质决定了它在远远低于岩石所受的温度、压力和构造应力的条件下就可发生塑性变形, 从而形成劈理.
3. 3 　继承性裂隙
继承性裂隙兼其内生裂隙和外生裂隙的双重性质, 属过渡类型. 如果内生裂隙形成前后的构造应力场方向不变, 早先的内生裂隙就会进一步强化, 表现为部分内生裂隙由其发育的煤分层向相邻分层延伸扩展, 但方向保持不变, 这部分裂隙就称为继承性裂隙.
4 　煤中裂隙研究方法
煤中裂隙的研究是以采集裂隙参数为途径, 以认识裂隙的类型、空间分布规律和形成机制为目的的. 裂隙参数包括张开度、长度、高度、产状、充填特征、裂隙密度及空间组合特征等. 这些参数可通过野外井下煤壁或岩芯的直接观测和室内光学显微镜或扫描电镜的观测实现.

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