煤层气储层微观结构特征及研究方法进展

李相臣 康毅力

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川 610500)

随着科学技术的快速进步, 能源问题、环境问题和煤矿安全问题的日益突出, 人们认识到煤层气的开发利用, 可以较好地改善煤矿安全、保护生态环境, 并能提供一种优质洁净的新能源。据最新煤层气资源评估结果, 我国埋深2000m 以浅的煤层气资源总量为36．81 ×1012m3, 与陆地常规天然气资源量相当, 位列世界前三位, 占世界前12 个国家煤层气资源总量的13%。在我国对天然气需求逐年增加的背景下, 将煤层气作为常规天然气的接替或补充能源最为现实和有利。

煤层既是烃源岩又是储集岩, 与常规油气储层相比具有明显不同的特征。煤层是由孔隙和裂隙组成的双重介质, 其基质孔隙是煤层气的主要储集场所, 裂隙则是煤层气运移的通道。煤层气储层的微观结构特征直接影响煤层气的赋存和运移, 深入对储层微观结构的研究对煤层气的开发具有重要意义。

1 煤岩基质孔隙结构特征

1．1 煤孔隙的大小分类

根据不同的研究对象和目的, 煤的孔隙结构分类方案有所差别, 表1 是几种常见的分类方案。其中Girish 等的分类是依据煤的吸附特性进行的, 并且得到国际理论与应用化学联合会的认可。霍多特的分类是依据对工业吸附剂的研究提出的, 认为微孔构成煤的吸附容积, 小孔构成煤层气的毛细管凝结和扩散区域, 中孔构成煤层气的缓慢层流渗透区域, 而大孔则构成剧烈层流渗流区域, 这是煤层气开采中普遍采用的方法。

表1 煤的孔隙分类方案 (单位： 10- 9m)

1．2 煤孔隙的成因分类

Gan (1972) 按成因将其划分为分子间孔、煤植体孔、热成因孔和裂缝孔。郝琦 (1987) 划分的成因类型为植物组织孔、气孔、粒间孔、晶间孔、铸模孔、溶蚀孔等。苏现波 (1998) 将孔隙分为气孔、残留植物组织孔、次生孔隙、晶间孔、原生粒间孔等。张素新等 (2000) 划分为植物细胞残留孔隙、基质孔隙和次生孔隙三类。张慧 (2001) 以较大量的扫描电镜观测结果为依据, 将煤孔隙的成因类型划分为原生孔、外生孔、变质孔、矿物质孔。这些划分有些将孔隙和裂隙一并考虑; 有些在某些方面借用了砂岩储层和灰岩储层的名称。煤孔隙成因类型多, 形态复杂, 大小不等, 各类孔隙都是在微区发育或微区连通, 它们借助于裂隙而参与煤层气的渗流系统。孔隙的成因类型及发育特征是煤储层生气储气能力和渗透性能的直接反映。

1．3 孔隙的作用

(1) 储集性

煤中的原生孔、气孔及其他各种空隙, 都发挥其储集性能。低煤级煤的储气任务主要由原生孔来担当, 原生孔孔径大, 储存的气体以游离状态存在。低煤级煤中的游离气成为潜力巨大的煤层气资源。中- 高煤级煤中孔隙类型多, 级别多, 储存的气体赋存状态复杂。外生孔在形成初期, 储气作用可能很小或没有, 随后可以接受分子扩散或微裂隙渗流而输入的气体, 逐步增加储气量。

(2) 连通性和渗透性

没有一种孔隙能够在整个煤层中连通, 各类孔隙之间也没有明显的连通关系。虽然各类孔隙空间连通性差, 但它们与裂隙一起构成煤的双重孔隙系统。无论哪种孔隙发育, 都有利于增加煤的孔隙体积, 有利于煤中气体的扩散和储存。在围压和裂隙环境适宜的条件下, 孔隙也有利于煤层气的渗流。煤中的孔隙体积远大于裂隙体积, 煤层气的储存和运移由多级孔隙和裂隙联合作用来完成, 孔隙渗流作用不可忽略。

2 煤岩裂隙结构特征

2．1 煤岩裂隙系统

裂隙是煤中常见的自然现象, 但不同国家、不同学科、不同学者对此有不同的称谓, 名称的使用尚不统一。裂隙的近义词和同义词有： 节理、割理、裂缝、断裂等, “节理”指没有明显位移的小型断裂构造 (徐开礼, 1984) , 常用于沉积岩石学中, 与煤中裂隙含义一致;“断裂”“裂缝”多用于区域构造地质, 其规模相对大得多; 而“割理”一词来源于美国 (GRI, 1991) , 主要指由煤化作用形成的内生裂隙。“裂隙”一词是引用苏联的概念,最早在中国煤田地质学 (杨起, 1979) 上出现, 有内生和外生之分, 并已在我国煤田地质领域应用多年。

煤层中一般有两种裂隙系统, 一是由地质构造作用造成的, 其力学性质可以是压性、张性或剪性的; 二是在煤化作用过程中, 煤中凝胶化物质受温度和压力等因素影响, 体积均匀收缩产生内张力而形成的, 力学性质是张性的。按成因分类, 前者为外生裂隙, 后者为割理。割理通常被划分为相互垂直的两组： 连续性好的面割理和连续性不太好的终止于面割理的端割理, 这两组割理通常垂直于或接近垂直于煤层层理面, 共同组成了煤层的割理系统。由于割理和外生裂隙的成因不同, 它们的地质特征和分布规律的地质控制因素也不完全相同, 产出特征上表现出重要区别 (表2) 。

表2 割理和外生裂隙的区别

2．2 割理特征描述参数

割理系统具有割理的长度、高度、密度、形态和壁距等属性。割理长度是在平行于层面的断面或煤岩类型界面上割理的横向连续延伸长度, 而割理高度指的是垂向上割理的连续延伸长度。割理密度是在平行于层面的断面或煤岩类型界面上, 与一条垂直于割理延伸方向的一定长度的直线相交的割理的条数, 该直线的长短视割理的疏密而定, 一般以5cm 较合适。割理的面密度是在平行于层面或煤岩类型界面上, 一定平面面积内的面割理和端割理的总条数, 一般使用两边分别与面割理和端割理平行的四边形来进行统计。割理面形态是指煤岩沿割理裂开后, 割理的两壁是光滑平整的, 还是参差不齐的。由于割理为张性裂隙, 所以, 参差不齐的割理面形态并非少见。割理壁距是同一条割理的两壁之间的距离。

2．3 割理发育影响因素及平面组合类型

煤层割理的发育程度受很多煤层因素影响, 包括煤阶、煤岩类型 (显微组分和岩石力学性质) 、宏观煤岩组分和煤层厚度等方面。通常低煤阶煤的割理不甚发育, 演化到烟煤时割理发育, 割理面最密集的主要发生在低挥发分烟煤煤阶附近, 高于低挥发分烟煤煤阶, 割理反而变得不发育。一般煤层厚度越小, 割理密集度越大。在大多数情况下, 割理间隔煤岩厚度相等或略小。割理通常存在于富含镜质显微组分的光亮型镜煤条带中, 极少出现在暗煤 (丝质组及惰性组) 中。大量的观察和实验数据显示： 割理通常开始于煤层灰分显著变化或煤岩的微裂缝处。割理的平面组合形态可以大致划分为网状、孤立- 网状和孤立状三种类型。

2．4 割理的作用

煤中割理的孔隙度大概为0．5%～2．5%, 储集能力小, 但渗透率却很高, 是气、水渗流的主要通道。割理系统是影响煤储层渗透性的主要因素, 其中又以割理密度、割理壁距、割理走向和平面组合特征对煤层的渗透性影响最为明显。一般割理密度越大, 煤层渗透性越好, 反之则越低。割理壁距愈小, 渗透性越差, 反之越好; 割理面形态的不规则性有利于部分割理在高应力环境下仍保持开启状态。沿面割理方向渗透率最大, 通常是其它方向的3～10 倍, 与端割理渗透率之比高达17∶1。割理长度是实现煤层气井井间干扰的必要条件。在其它条件, 如现今地应力、地层压力、煤体结构、外生裂隙特征和充填程度相近时, 网状割理的煤层渗透性好。

3 煤岩微观结构研究方法

3．1 压汞法和低温氮吸附法

常规压汞技术研究岩石孔隙结构具有快速、准确的特点, 且能够涉及较高的毛管压力范围, 便于对细小孔喉分布进行测量。常规压汞技术是利用一定压力条件下, 进入岩样的汞体积对应一定大小的孔喉, 进汞压力越高测量的孔喉越小, 最高进汞压力可达200MPa。压汞法可以定量得到孔径大于7．5nm 以上范围内有关孔隙大小、孔隙分布、孔隙类型等孔隙结构信息。

低温氮吸附法是利用低温氮 (液氮) 的吸附-凝聚原理, 通常采用77K 氮气的吸附来测出煤的比表面积和孔径分布。低温氮吸附法可以测到的最小孔径达0．6nm 左右, 但其所能测到的最大孔的孔直径一般只能达到100～150nm。

3．2 散射法

小角X 射线散射 (SAXS) 和小角中子散射(SANS) 。小角X 射线散射方法是研究多孔材料孔隙结构的有效方法之一, 它具有制样简单、适用范围宽等优点, 如不管所研究样品是干态还是湿态,也不管其内孔隙是开孔还是闭孔, SAXS 都适用。采用同步辐射作X 射线源, 强度高, 可提高实验的分辨率, 缩短实验时间。小角中子散射是通过分析长波长中子 (0．2～2nm 左右) 在小角度范围(大约在2°以下) 内的散射强度来研究大小在几到几百纳米范围内的物质结构的一种专门的测量技术。A．P．Radlinski 等应用这两项技术成功地测定了煤样的孔隙度、孔隙大小分布和内表面积。

3．3 二维图像分析法

光学显微镜 (Optical Microscopy) ： 光学显微镜法识别组分方便, 准确性高, 并可作定量分析, 但其放大倍数至多达到几千倍, 识别矿物质能力有限, 可获得的信息量少。

扫描电镜 (Scanning Electron Microscope, SEM) ：扫面电镜有较高的放大倍数, 5～30 万倍之间连续可调, 分辨率可达到了0．5nm 左右, 图像富有立体感, 可直接观察各种样品凹凸不平表面的细微结构; 同时, 扫描电镜与X 射线能谱配合使用, 不仅可以看到样品的微观结构, 还能分析样品的元素成分及在相应视野的元素分布。但是, SEM 的分辨率虽高, 它只能在真空中对导电样品进行观察, 否则, 电子在到达样品之前将被介质吸收, 无法达到观察的目的, 对液体、特殊环境下才存在的一些现象, SEM 无法进行观察。

原子力显微镜 (Atomic Force Microscope,AFM) ： 原子力显微镜具有原子级分辨率, 其横向分辨率和纵向分辨率可达到0．1nm 和0．01nm, 即可以分辨出单个原子; 可实时地得到在实空间中表面的三维图像, 可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究, 这种可实时观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究; 可以观察单个原子层的局部表面结构, 而不是体相或整个表面的平均性质, 因而, 可以直接观察表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置等; 可以测量样品表面的硬度、粗糙度、磁场力、电场力、温度分布和材料表面组成等样品的物理特性, 提供不同样品的成分信息; 可在真空、气体空气或液体多种环境下进行实验。但是, AFM 的工作区域选择非常盲目, 而且工作区域非常有限, 只能在微米尺度范围进行扫描, 对较大样品表面进行扫描非常困难。

3．4 三维图像分析法

核磁共振成像技术 (Nuclear Magnetic Resonance Imaging, NMRI) 。其实质上就是通过受检物体各种组成成分和结构特征的不同弛豫过程, 根据观测信号的强度变化, 利用带有核磁性的原子与外磁场的相互作用引起的共振现象而进行实验和检测的。唐巨鹏等利用核磁共振成像技术研究煤层气渗流规律, 建立了核磁渗透率和煤储层渗透率的关系表达式, 指出核磁T2分布谱与煤孔隙结构具有较好的对应关系。杨正明等研究表明, 核磁共振所测试的孔隙度和渗透率与实验室常规所测试的孔隙度和渗透率基本一致, 两者的相关性很好。

X-CT 岩心扫描三维成像技术。利用X 射线计算机层析 (Computerized Tomography, CT) 对岩石样品进行三维成像, 空间分辨率达到几个微米, 能直观地描述岩石微观孔隙结构特征和流体运动特征,同时可以定量分析。国外一些学者应用该技术, 对煤中割理的间距、宽度和角度分布等方面进行了研究。

3．5 分形法

自1975 年Mandelbort 首先提出分形概念以来,分形几何被用来研究自然界中没有特征长度而又有自相似性的形体和现象, 成为定量描述不规则形体的有力工具。应用分形理论可获得煤岩破碎程度分布和煤中孔隙、裂隙分布的近似定量信息, 评价煤层气的吸附- 解吸、扩散、渗流及煤层有效渗透率估算。国内很多学者将分形应用于煤储层的孔隙物性研究中, 指出可以用分形维数来定量表征孔隙结构的特征, 煤岩成分越复杂分形维数越大, 分形维数与煤变质程度具有较好的相关性, 随煤级增加,分形维呈线性逐渐减少。

4 展望

煤的孔径结构分类将为研究煤中气体吸附和运移特征提供重要信息。限于实验方法、认识水平等因素, 不同方案间的孔径分级、同一级别孔的孔径大小多不一致, 孔类型术语比较混乱, 给研究工作带来了不便。建议从煤层气解吸- 扩散- 渗流三个产出过程出发, 形成一套能够反映产出机理的孔隙分类体系, 以利于资料的对比应用。

现在大家习惯使用埃作为表征孔隙大小的单位, 建议采用法定计量单位纳米 (nm) 作为计量单位, 这样可以为煤层气储层中的纳微流动描述提供方便。

不同国家、不同学科、不同学者对煤中裂隙的称谓不同, 名称的使用尚不统一。建议在煤层气藏开发中, 应用“裂隙 (fracture)”一词指代煤中的各类裂隙, 将割理统称为内生裂隙。

各种测试技术已被应用于煤岩的微观结构研究中, 但各测试方法的原理不同, 得到的结果各有异同, 对比性差。应该将各种方法的数据综合分析,充分利用各项技术测得数据的优越性, 更加准确地反映储层微观结构。

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