沁东北15号煤显微组分对微裂隙的控制作用

郑莲慧，高 倩，曹 超，尹 帅，王倩倩，刘 嫣

(1.成都理工大学 能源学院，四川 成都610059;2.辽河油田特种油开发公司，辽宁 盘锦124010;3.中联煤层气有限责任公司，山西 长治046000)

0 引言

煤层作为储层，微裂隙真实存在，却难于表征，微裂隙能否有效沟通成为煤层气开采过程至关重要的问题，而要解决这个问题首先要考虑“煤层显微组分与微裂隙之间到底呈现怎样一种关系”.毫无疑问，对于以有机质为主的煤层，显微组分对微裂隙具有一定控制作用，但前人对这种控制作用的研究历来看法不一.［1-2］本文通过对该区15#煤储层显微组分与微裂隙之间关系的探索后，希望获得一些有价值的认识，从而为该区煤层气高效开发提供一些参考.

1 区域地质概况

沁水盆地位于陕西省东南部，四周被吕梁隆起、中条山隆起、太行山隆起和五台山隆起环绕，现今面貌为近南北向大型复式向斜，南北长约330km，东西宽约120km，总面积超过3×104km2，是目前国内最具煤层气开发潜力的盆地.

本文研究区位于沁东北，地层自寒武、奥陶系碳酸盐岩基底，向上依次为石炭系本溪组、太原组;二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组;三叠系、第四系等碎屑岩及松散物.［3］区内主要煤层为15#煤(太原组)、3#煤(山西组)等，本文主要研究15#煤，煤层厚度约5m，埋深约400～600m，太原组厚度约120m，上覆山西组厚度约70m.

2 煤岩煤质特征

本区 15#煤 Ro范围主要在 1.8～2.5 之间，煤类为贫煤.宏观煤岩类型以光亮型、半光亮型为主，夹少量半暗、暗淡煤，裂隙较发育;有机显微组分以镜质组为主，平均含量达70%，惰质组平均含量18%，V/I值高，一般在2以上，最高可达25以上.壳质组难以区分且含量少，煤中矿物含量在1%～15%范围内，主要为伊利石、高岭石、石英、黄铁矿和方解石.［4］

图1 煤储层扩散-渗流机理

3 煤层气扩散-渗流机理

高煤级煤储层具有孔隙和裂隙双孔隙特征，同时发育割理，割理分为面割理和端割理(如图1).前人对煤岩孔隙大小有多个分类方案，本文以煤岩按孔隙直径(孔径)1～10nm、10～100nm、100～1000nm、〉1000nm 分为微孔、小孔、中孔、大孔划分方案为依据.通过对本区5件压汞资料的分析，在孔径大于7.6nm入汞范围内，孔径7.6nm到20nm范围内对应的孔隙体积约占75%，且在孔径低于7.6nm范围内孔隙还有相当大的比重，由此可见该区煤岩富含纳微孔.由此分析煤层气的解吸机理如图1，在基质中主要以浓度差为动力，以分子态通过扩散的形式运移到裂隙或割理中，如果裂隙或割理之间可以形成有效沟通，则煤层气会通过渗流最终从煤层中运移出来.

4 显微组分微裂隙表征

研究区15#煤储层曾经历高温热变质，从而演化至高煤级烟煤(贫煤)阶段，有机显微组分中镜质组组分主要为均值镜质体，均质镜质体中可见以一定角度尖灭的裂缝及垂直延展裂缝，其次为基质镜质体;可见张性裂隙惰质组组分主要为半丝质体.微裂隙在煤岩有机显微组分中的形态各异，分布广泛，且在镜质组中的分布无论从数量还是范围都要好于惰质组.镜质组中的微裂隙可以顺层延展，同时在其中尖灭;也可以发育为具一定角度的微裂隙，具有一定沟通能力;同时可以看到一些由于构造作用形成的张性裂隙.有机显微组分中的张性微裂隙对于煤层气的扩散或渗流起到巨大的作用，而压性微裂隙的存在不仅减少了煤层气赋存的空间，而且使煤层气运移的路径减小甚至丧失，因而对煤储层的物性不利.［5］均值镜质体中张性微裂隙密度一般高于基质镜质体，但往往发生尖灭是其共同特征.微裂隙在不同组分之间的界面或弱面条件下往往发生延展，这在一定程度上沟通了不同种组分的联系.惰质组组分为凝胶后又发生丝碳化，因而形态杂乱，往往内生裂隙不发育，且张性裂隙细小且极易发生尖灭，对煤储层物性极为不利，在该区煤岩有机组分中，微裂隙还可呈一定网络状延展.从而大大沟通了基质组分及微裂隙的相互联系.

对于充填矿物，该区割理主要被脉状方解石填充，微裂隙可以截穿方解石，也可以在此发生尖灭，但本区割理被方解石大规模填充，是导致煤储层渗透率急剧降低的重要原因.［6］其它裂隙往往被毛发状伊利石、片状高岭石、短柱状高岭石填充，这些均可以导致该区15#煤储层物性变差.

5 煤储层物性

5.1 压汞特征分析

图2 煤岩压汞曲线型式

研究区煤岩压汞曲线型式如图2，Ф值平均为15.5，歪度平均为-2，对于煤岩来说，Ф值偏小，表示大孔多，歪度偏于正值表示煤储层较好.相较而言，本区煤储层主要偏于小孔和纳微孔，孔喉配置为微孔-微喉组合，储层整体而言物性较差.

5.2 孔渗特征分析

图3 煤岩孔隙度分布直方图

对该区33组15#煤孔渗测试数据进行分析，孔隙度分布直方如图3，通过该图可以看出孔隙度主要分布在9%～15%范围内，孔隙度较高.渗透率根据气测数据显示，主要分布范围为0.001mD～0.22mD，一般认为渗透率高于0.5mD的煤储层较好，相比本区煤储层具有较高孔—低渗/特低渗的特征.

6 讨论

煤岩显微组分研究可以在微观上定性分析影响微裂隙发育的诱因和表征，而物性在宏观上对这种表征和控制作用加以佐证.煤岩中微裂隙的发育受多种地质因素综合作用影响，如构造运动、地应力、变质程度等，而微裂隙的发育是煤层在地质历史时期曾经大量生气的自然结果，正是在这些内因和外因的共同作用下，形成了煤层自身独特的疏导体系.煤是凝胶化作用和丝碳化作用的结果，本区15#煤为海侵成因，且V/I值高，表明凝胶化作用进行的比较彻底，抗击破碎的强度就比较低，易破碎产生裂隙.在煤层形成后，盆地迅速沉降，煤层中的水分和生物气得不到快速排出，不断压实，在高应力下以致煤基质发生破裂，同样可以产生大量裂隙.在漫长的地质历史时期，显微组分生气能力的关系为:壳质组〉镜质组〉惰质组，镜质组具有相当可观的生气能力，会产生大量气体，这些气体在煤层中会产生压力，当汇聚到一定程度就会对煤层结构造成破坏，形成微裂隙，从而释放压力.

7 结论

通过以上论述可以看出，本区高煤级烟煤孔隙结构呈现微孔-微喉型，镜质组中张性微裂隙对煤层气扩散—渗流起到重要作用，压性裂隙对煤层气的扩散作用不大，惰质组中内生裂隙不发育.对于割理充填不严重的中煤级烟煤，割理为渗流的最主要通道，这在国外已经得到证实.但本区高煤级烟煤中割理被脉状方解石严重充填，这是造成该区15#煤储层渗透率呈现低渗—特低渗的主要原因，同时粘土矿物的填充，也会造成煤储层的物性变差，但整体而言本区15#煤中微裂隙十分发育.

［1］王 欣，李忠权，朱德丰.乌尔逊西都断裂构造的挖陷特征［J］.四川文理学院学报，2011(2):76-78.

［2］朱 林，周 文，李生福.镇泾长8油藏裂缝对油气富集的控制作用分析［J］.四川文理学院学报，2012(2):64-66.

［3］尹 帅，单钰铭，王 磊，等.沁水盆地东北部地区15号煤储层物性特征分析［J］.地质与资源，2013(4):64-67.

［4］刘洪林，李贵中，王 烽，等.沁水盆地煤层割理系统特征及其形成机理［J］.天然气工业，2008(3):36-39.

［5］孟召平，王保玉，谢晓彤，等.煤岩变形力学特征及其对渗透率的控制［J］.煤炭学报，2012(8):1342-1347.

［6］张 慧，李小彦，郝 琦，等.中国煤的扫描电子显微镜研究［M］.北京:地质出版社，2003:162.