中–高煤级煤岩孔隙发育特征_吴双.pdf

第 44 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 44 No.6 2016 年 12 月COALGEOLOGY 2. Coal Reservoir Laboratory of National Engineering Research Center of Coalbed Methane Development capillary pressure curve; medium-high rank coal; pore structure in coals; pore origin 煤储层孔隙系统的发育特征直接关系到煤层气 在其中的储运模式，对于煤层气的开发具有重要的 现实意义。毛管压力曲线是研究孔隙发育特征的基 本资料，其测定方法主要包括半渗透隔板法、压汞 法、离心法、蒸气压法及动力法等[1]。目前实验室 常用压汞毛管压力曲线来区分煤岩不同的孔隙结 构，进而划分不同的储层类型，而对其他毛管压力 测定方法鲜有涉及。离心机测毛管压力曲线的方法 最早是由 G L Hassler 等[2]根据重力排出法原理设想 提出，该方法实验周期短、测定速度快并且所采用 的驱替流体气体比较接近煤储层实际情况，在储 层物性研究方面很有前途[2]。 本次实验研究尝试用离心法取代常规压汞法对 中–高煤级煤岩孔隙系统发育情况进行表征， 同时结 合扫描电镜实验对各类煤岩孔隙发育成因作一定探 究，以期查明煤层气在不同煤岩类型及不同级别孔 隙中的储运方式， 进一步为现场排采提供理论指导。 1样品采集与实验方法 本次实验的样品共计 6 块，采自于鄂尔多斯盆地 ChaoXing 70煤田地质与勘探第 44 卷 东缘的庞庞塔煤矿PPT，沁水盆地的永安煤矿YA、 唐安煤矿TA及伯方煤矿BF，黔西格目底向斜玉舍 煤矿YS和织纳地区牛房煤矿NF，煤样的基本测试 数据如表 1 所示。 中–高煤级煤岩由于力学强度和内聚 力较大，在饱和蒸馏水及离心前后无明显形变和破坏 现象，故成为本次实验的主要研究对象；而低煤级煤 岩性脆，力学强度和内聚力较小，浸水或离心都会引 起样品破碎，因测量误差大而不纳入研究范围。 实验仪器是 XY 59-HY-10S 超级岩心离心机。 实验前先将煤样放入烘干箱干燥 72 h， 取出后称重； 再将煤样和蒸馏水同时抽真空 3 h，之后在 16 MPa 压力下用蒸馏水饱和煤样，静置 15 h，取出后称重。 将6块煤样进行离心， 依次设置离心机转速为1 000、 2 000、4 000、6 000、8 000、9 000 r/min，每个转 速下进行离心操作 20 min，并在每次离心结束后取 出煤样分别称重。 表 1煤样基本参数 Table 1Basic parameters of coal samples 样品 代号 Rmax / 工业分析/润湿 角/ MadAadVadFCad PPT1.340.3518.7324.7456.1861.58 YS1.890.216.9416.8965.9798.98 NF2.511.0612.845.7880.3267.84 YA3.041.5913.585.5779.2674.85 TA3.120.7124.058.3466.972.99 BF3.150.3410.838.1867.2873.62 2煤岩孔隙系统的表征 2.1孔隙结构各参数的计算 离心毛管压力按式1计算[3-5]。 92 cie 1.097 10 2 L PL Rn      1 式中 Pci为岩样驱替毛管压力，MPa； L 为岩样长度， m；Re为岩样的外旋转半径，cm；△ρ为两相流体密 度差，g/mL；n 为离心机转速，r/min。其中，Re取离 心机型号参数中10号转子的外旋转半径11.6 cm；由 于空气密度相对水的密度来说可忽略不计，取水的 密度1.0 g/mL。 进入岩样中的非湿相空气饱和度按式2计算 g 0 100 i i mm S mm    2 式中Sgi为离心机某一转速之后的非湿相饱和 度，；m 为岩样饱和水后的质量，g；m0为未饱和 水的干燥岩样质量，g；mi为岩样经离心机某一转速 旋转之后的质量，g。 离心毛管压力对应的岩样孔隙半径按式3计算。 c 2cos i i r p  3 式中 ri为毛管半径，即岩样孔隙半径，nm；σ为蒸 馏水–空气系统的表面张力，mN/m；θ为蒸馏水对岩 样表面的润湿角，； pci为岩样驱替毛管压力，MPa。 其中，σ值一般取72 mN/m。 表 2煤样离心实验测试结果 Table 2Data of centrifugation test for coal samples 样品代号 孔隙度 / 最大非湿相 饱和度/ 最大孔隙 半径/nm 平均孔隙 半径/nm 各孔径段孔容体积百分比/离心毛管压力 曲线类型 大孔中孔微–小孔 PPT2.5344.72 015.7384.718.42.679.0 Ⅰ YS3.6533.91 346.8273.819.41.679.0 NF5.0014.11 416.3171.911.30.588.2 Ⅱ YA11.5914.21 031.876.37.10.592.4 TA7.445.9853.925.20.22.497.3 Ⅲ BF5.334.21 054.116.50.80.299.0 2.2煤岩离心毛管压力曲线分类 通过分析离心毛管压力曲线可以更加直观、全 面地掌握煤岩的孔隙结构特征，本次实验研究将6 块煤岩的离心毛管压力曲线总结划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三种类型图1，离心实验的计算分析数据见表2。 类型Ⅰ以PPT和YS样品为代表，二者均属中 煤级煤，毛管压力曲线具有明显连续的平台，表明 孔隙结构相对均匀且连通性较好，最大非湿相饱和 度为3545，最大孔隙半径一般大于2 000 nm， 平均孔隙半径约270380 nm，可见中煤级煤的大– 中孔比较发育，储层渗透性较好，比较有利于煤层 气的产出。 类型Ⅱ以NF和YA样品为代表， 将二者自定义 为A等高煤级煤，毛管压力曲线相比类型Ⅰ更加陡 直，没有宽缓的平台部分，表明孔隙结构复杂，连 通性一般，最大非湿相饱和度为14，最大孔隙半 径约1 500 nm，平均孔隙半径约80170 nm，可见 A等高煤级煤以微–小孔发育为主， 且具有一定比例 ChaoXing 第6期吴双等中–高煤级煤岩孔隙发育特征71 的大孔储层同时具备允许气体吸附、解吸和渗流扩 散能力，对煤层气的储集和产出都较为有利。 图 1煤样离心毛管压力曲线 Fig.1The capillary pressure curves of centrifugation for coal samples 类型Ⅲ以TA和BF样品为代表， 将二者自定义 为B等高煤级煤，毛管压力曲线陡峭，最大非湿相 饱和度仅有5，说明孔喉系统的连通性极差，最大 孔隙半径1 000 nm左右， 平均孔隙半径约1525 nm， 可见B等高煤级煤主要发育微–小孔，非均质性较 强，储层致密，比表面积大，气体吸附性能增强， 有利于煤层气的储集，而对煤层气的产出运移较为 不利[6-8]。 2.3煤岩孔径分布特征 煤储层的孔隙特征包括孔隙类型、结构、大小、 数量等，它是衡量煤层气储存和运移性能的重要参 数之一[9]。B B Hodot[10]按照空间尺度，将煤的孔隙 系统分成大孔＞1 000 nm、中孔1001 000 nm、小 孔或过渡孔10100 nm、微孔＜10 nm四个等级。该 分类在工业吸附剂的基础上提出，主要依据孔隙与 气体分子的相互作用特征气体在大孔中主要以层 流或紊流方式渗透扩散，在微孔中以毛细管凝结、 物理吸附、解吸等方式存在。考虑到煤层气中主要 成分甲烷分子有效分子直径为0.38 nm的运移聚集 特征等因素，对煤孔隙采用B B Hodot的分类[10-11]。 煤样饱和水后，由于水分子直径约为0.4 nm， 进入纳米级微孔所需的毛管压力约几到十几个兆 帕， 故在抽真空并加高压的条件下可近似认为水能 够进入孔径大于其分子直径的煤孔隙中。 实验计算 结果表明， 非湿相空气在离心作用下能够进入孔径 在十几个纳米以上的孔隙， 却难以进入孔径在十几 个纳米以下的孔隙，因此孔径大于十几个纳米的 大、 中、 小孔孔容百分比之和为最大非湿相饱和度， 孔径小于十几个纳米的微孔孔容百分比则由残余 水饱和度（100减去煤样最大非湿相饱和度）求 得。根据以上离心毛管压力曲线的类型划分，可计 算对应每种类型曲线的煤岩储层各孔径段的孔容 体积分数图2。 图 2煤样孔径分布直方图 Fig.2The distribution histogram of pore size of coal samples 类型Ⅰ所代表的中煤级煤岩储层各级别孔隙均 较为发育，从大–中孔到小孔再到微孔，各孔径段的 孔容体积分数相差不大，孔隙结构的分选性一般， 但 具备良好的储层物性；类型Ⅱ所代表的A等高煤级 煤的微–小孔比大–中孔发育，微孔比小孔发育， 大孔 比中孔发育，微–小孔的发育增强了气体在储层中的 吸附、解吸能力，而适当含量的大–中孔发育将有利 于流体在储层中的渗流扩散[12]；类型Ⅲ所代表的B 等高煤级煤中孔比大孔发育，小孔比中孔发育， 微孔 比小孔发育， 微孔在各级别孔径中占绝对优势， 孔隙 系统的分选程度很高，表明B等高煤级煤由于煤化 程度高，储层致密均匀，非常有利于气体的吸附。整 体分析三类煤岩储层可以发现大–中孔含量之和与 小孔含量呈逐渐下降的趋势， 而微孔含量则呈逐渐上 升的趋势，并在各类型煤岩储层中都占据主导地位。 3煤岩离心与压汞实验对比分析 为验证离心实验测试结果的准确性，另外选取 PPT、YA、TA 3块 煤 样 进 行 压 汞 实 验 ， 采用 Micromeritics proesizer 9310压汞仪，控制进汞压力 由小到大逐渐增加，最大增至40 MPa；在某一进汞 压力下，已注入的水银体积就是煤样中孔隙半径大 于或等于该进汞压力对应毛管半径的孔隙总体积。 由图3知，各类型下孔隙结构特征，压汞和离 心曲线表现出一致性。在压汞实验过程中，驱替压 力连续且缓慢增大，汞逐渐由大中孔向小孔蔓延， 进汞量持续增加，因此毛管压力曲线完整性好，曲 线都从非湿相饱和度为0的点开始； 离心实验在操作 上只能取几个不同的转速， 相应孔隙中的水在各转速 下几乎为一次性甩出， 整个驱替过程不连续， 因此毛 管压力曲线的完整性较差， 曲线起点只对应第一个离 心转速下进入岩样的非湿相空气饱和度。 ChaoXing 72煤田地质与勘探第44卷 图 3煤样离心和压汞毛管压力曲线 Fig.3The capillary pressure curves of centrifugation and mercury-injection for coal samples 此外，类型Ⅱ和类型Ⅲ的压汞最大非湿相饱和度 都远大于离心最大非湿相饱和度，而类型Ⅰ的压汞最 大非湿相饱和度与离心最大非湿相饱和度接近；这是 由于压汞的驱替压差能够加到很大高达40 MPa，进 汞量大，而离心即便在10 000 r/min下，驱替压差还不 足10 MPa，空气进入量很少；但对于类型Ⅰ煤样，渗 流孔即大–中孔相对发育，离心时空气更容易进入。 在毛管压力曲线形态和走势上，压汞曲线呈现 出缓–陡–缓的变化趋势；较低毛管压力下，水银能 快速进入煤样并优先占据较大孔隙空间，此时进汞 饱和度增长速度快，随着大空间被占据，更高压力 下，水银开始缓慢进入较小的孔隙空间，进汞饱和 度增长速度减慢，在水银逐渐由大中孔向小孔过渡 的过程中，会产生贾敏效应，即液珠卡在粗细吼道 的交界处，要进入细吼道需要克服液珠变形带来的 阻力，因此压汞法通过增加驱替压差来克服贾敏效 应，当水银进入细吼道流通顺畅后，进汞饱和度增 长速度再次变快。贾敏效应巨大的叠加阻力导致压 汞驱替压差急剧增大。离心曲线的形态呈现由陡变 缓的特点，与压汞曲线相比缺失最初平缓段，这是 由离心曲线的不完整引起，若将坐标系原点与曲线 起点相连接，则离心曲线大致呈现与压汞曲线一样 的变化规律，其中原因类似。 图 4煤样离心和压汞孔径分布直方图 Fig.4The distribution histogram of pore size of coal samples through centrifugation and mercury injection 由图4知，两种实验方法在评价煤样孔隙分布 特征上具有一致性从类型Ⅰ到类型Ⅲ，大孔孔容 百分含量都逐渐减少， 微–小孔孔容体积分数都逐渐 增加，变化规律一致；对同一类型煤岩，通过离心 和压汞测得到的大孔、 中孔及微–小孔的孔容体积分 数相近，计算数量一致。 4煤岩孔隙发育成因 变质作用是控制煤岩孔隙发育的首要因素[13-14]， 由 图5a知， 煤的微–小孔孔容体积分数和孔隙度都随着镜 质体反射率的增高而增加。随着煤级升高，煤岩所受的 地层压实作用增强，各等级孔隙的体积都不断减小，但 大–中孔的体积减小幅度比微–小孔大，减小速度更快， 因此在孔容百分含量上表现为随煤级升高，大–中孔比 例下降，微–小孔比例升高的现象，这也对图2中煤储 层从类型Ⅰ到类型Ⅲ各等级孔径孔容体积分数的变化 规律作出解释。一些学者[15-16]研究认为在高变质阶段 随煤级升高，大量气体释放导致热成因孔数量增多，煤 中的次生孔隙主要包括热成因孔和裂缝孔增加使得孔 隙度有所增大。由图5b可知，煤中的微–小孔孔容体积 分数与挥发分呈负相关性，与固定碳呈正相关性，这是 因为挥发分产率越低，固定碳含量越高，煤化程度就越 强，同样反映出变质作用对煤岩孔隙结构的重要影响。 图 5变质作用各因素对煤岩孔隙发育的影响 Fig.5The effect of various metamorphism factors on pore development in coals ChaoXing 第6期吴双等中–高煤级煤岩孔隙发育特征73 经扫描电镜发现， 类型Ⅰ煤岩受地质构造作用破 坏， 微区发育有角砾孔， 大小以210 μm为主图6a， 由于煤岩内部层与层之间缝合性不好， 还形成沿层面 分布，间距性质变化大的层间孔图6b。在构造变形 轻微的煤层中， 角砾孔吼道发育， 局部连通性也比较 好， 有利于提高煤储层的渗透性， 而层间孔的发育更 使得各类孔隙在纵向上连通性增强， 因此曲线类型Ⅰ 煤离心时的最大非湿相饱和度最高， 气体以游离态赋 存居多，流动方式主要为缓慢渗流。 类型Ⅱ煤岩胞腔孔较为发育图6c，图6d，部 分孔隙空间被矿物充填，同时还零星存在煤变质过 程中由生气或聚气作用形成的气孔。胞腔孔属中孔 级孔隙，其连通性一般比较差，有的局部较好，气 体赋存状态既有吸附态，也有游离态，煤层气在曲 线类型Ⅱ煤储层中流动方式有扩散， 也有缓慢渗流。 曲线类型Ⅲ煤岩在同生沉积或是后生压实作用 阶段遭受过破坏，其结构不完整，碎粒孔相对发育 图6e，此外还局部可见呈带状分布的热成因气孔 群图6f。高煤阶无烟煤中的碎粒粒级小且密集， 易堵塞孔隙和裂隙，影响煤储层渗透性；小孔–中孔 级气孔大多以孤立形式存在，在煤岩高成熟阶段， 气孔大小比较均匀，破裂与连通较少。为此曲线类 型Ⅲ煤储层中气体主要以吸附状态存在，通过缓慢 扩散的方式流动[17-20]。 图 6不同类型煤样的扫描电镜照片 Fig.6The SEM photos of different types of coal samples 5结 论 a. 根据离心毛管压力曲线将中–高煤级煤划分为三 种类型，同时计算每种类型储层中各等级孔径所占的孔 容体积分数，结果表明从类型Ⅰ到类型Ⅲ，煤的大–中 孔含量减小，微–小孔含量增加，煤储层物性从适于煤 层气运移产出逐渐向适于煤层气富集保存过渡。 b. 压汞法和离心法的对比进一步确认了离心测 试数据的准确性。 压汞法在绘制毛管压力曲线方面具 有一定优势， 并且压汞结束后还有退汞过程， 退汞效 率可以评价岩样孔隙的连通情况； 两种方法表征孔径 分布特征具有相同效果，但水银是有毒物质， 不益于 人体健康，而离心无毒无害，操作方便快捷。 ChaoXing 74煤田地质与勘探第44卷 c. 煤岩孔隙发育特征主要受变质作用控制，中 –高煤级煤岩孔隙度和微–小孔孔容体积分数都随着 镜质体反射率的增高而增加， 微–小孔孔容体积分数 还与挥发分呈负相关性，与固定碳呈正相关性。扫 描电镜照片揭示出孔隙成因类型与煤层生储气性能 及渗透率之间关系， 角砾孔占优势的煤层渗透率好， 胞腔孔保存完整的煤体兼具储渗性，碎粒孔为主的 煤层渗透率低，气孔发育的煤层生气储气性能好。 参考文献 [1] 秦积舜，李爱芬. 油层物理学[M]. 东营中国石油大学出版 社，2006223–226. 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