呼和湖凹陷煤储层孔隙特征及其对吸附能力的影响

王有智，王世辉，吴刚

（1.中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712；2.中国石油大港油田公司勘探开发研究院，天津 300280）

0 引言

由于多孔介质极其复杂的自然结构和物理性质，造成传统的数学方法在定量描述方面显得苍白无力。20世纪70年代创立的分形几何学，为定量研究和描述自然界中具有复杂孔隙结构的储集体提供了有效方法［1-2］。 Krohn［3-4］利用统计法和扫描电镜观察，发现砂岩、页岩及碳酸盐岩在一定的孔径范围内具有良好的分形特征，分形维数小于 3。 文慧俭［5］、刘波［6］等分析了砂岩等储层孔隙结构的分形特征，认为分形维数可以表征储层物性的变化。鲁新便等［7-8］发现储层非均质性同样可以用分形维数进行描述。贺炜［9］等认为随着分形维数的增大，孔隙表面的粗糙度、孔喉的不规则性和结构复杂程度相应增加。因此，分形理论是描述孔隙微观粗糙性、突变性和非均质性的有效工具。

呼和湖凹陷煤层气预测资源量超 7 000×108m3［10］，煤层主要发育在下白垩统的大二段和南二段，大二段埋藏适中，是目前煤层气勘探的重点层位。大二段煤层累计厚度在60 m以上，最大可超过120 m，单层平均厚度在5 m左右。虽然具备较好的煤层基础，但由于煤岩变质程度较低，自身生气能力受限，尚未有工业气流发现。笔者应用扫描电镜观察和低温氮吸附法，研究呼和湖凹陷不同构造部位煤岩储层孔隙类型，并从微观角度，定量评价孔隙结构特征，建立孔隙分形维数与煤岩吸附能力之间的关系，为寻找有利的煤层气富集区提供科学证据。

1 构造背景及样品采集

海拉尔盆地基底在海西期褶皱之上，受燕山构造运动的影响，形成北东向断裂，此时期呼和湖凹陷将军庙和辉索木断裂带已形成，构成凹陷的雏型［11-13］。呼和湖凹陷的构造演化经历了早期断陷—快速充填、中期大幅度沉降—稳定沉积、晚期回升—湖盆萎缩3个阶段，最终形成现今东断西超的构造格局。从南到北依次划分为东南陡坡带、南部洼槽、中央凸起、北部洼槽、西南缓坡带和北部斜坡带6个二级构造单元。

煤岩样品主要采集于凹陷南部洼槽和西南缓坡带大二段煤层（见图1），均为褐煤。通过对12块样品进行扫描电镜和低温氮吸附实验，系统研究了呼和湖凹陷南部煤储层孔隙变化特征。呼和湖凹陷主要发育碎裂煤，局部可见原生结构煤［14］。原生结构煤（见图2a，2c）木质结构发育，植物组织痕迹清晰可见，整体性较好，呈块状构造，割理无法观测，手试强度大；碎裂煤（见图2b，2d）原生结构保存相对完整，可见条带状构造，可观测到2组割理，层状裂缝较为发育，手试强度较硬，局部可见小碎块。

图1 煤岩样品构造位置

2 孔隙扫描电镜特征

储层中微孔隙在油气运聚过程中起到至关重要的作用。扫描电镜是揭示其类型的有效手段，且可以研究不同岩石的孔隙类型和孔隙结构，通过分析孔隙结构特征的改变，进一步了解储层的孔渗变化规律。

图2 呼和湖凹陷南部煤岩类型

原生结构煤与碎裂煤在外观上区分存在一定困难，但在微观上的差异特征较为明显。原生结构煤在镜下可见大量的保存完整的植物组织孔［15］（见图3a），排列有序（见图3b），形状规则，显示植物组织特征；局部发育屑间孔和晶间孔（见图3c，3d），气孔十分少见，证明褐煤未到大量生气阶段；局部可见微细层理及裂缝（见图3e，3f）。原生结构煤孔隙之间相对独立，裂缝多为顺层发育，对改善渗透性意义不大，煤层气运聚难度较大。碎裂煤由于受到构造作用的影响，煤层的层间滑动会导致煤岩不同程度的变形，使得煤岩的孔隙结构发生变化。从扫描电镜照片可以发现，碎裂煤煤中虽然还残余部分植物组织孔（见图4a），但孔隙形状受到构造作用的影响，发生严重变形或部分被破坏掉；粒间孔逐渐增多（见图4b）。碎裂煤与原生构造煤最主要的区别是裂缝的数量和类型开始增多。裂缝分为自生裂缝和外生裂缝2种类型［15］。自生裂缝以镜质组凝胶化程度增高形成的缩聚缝（见图4c）和受上覆岩层压力作用形成与层理垂直的裂缝（见图4d）为主。其中，自生裂缝在外力作用下发生一定程度放大；外生裂缝包括受张应力和剪应力影响产生的张性裂缝 （见图4e）与剪性裂缝（见图4f）。碎裂煤中原生结构受到破坏，大量微裂缝的出现，为微孔隙之间建立连通渠道，在一定程度上改善了煤岩孔隙的渗流能力。

3 构造煤低温氮吸附曲线

根据12个样品比表面积和孔径分布的测试结果，将低温氮气吸附、脱附曲线区分为3种类型。不同类型的曲线反映了煤岩不同的表面性质和孔隙分布特点。Ⅰ类曲线（见图 5a，5b，5c）的吸附、脱附曲线相对平行，不存在明显的滞后环，表明煤岩的孔隙系统主要由一端封闭的不透气构成［16］；Ⅱ类曲线（见图 5d，5e，5f）的吸附、脱附曲线出现明显的滞后环，显示孔隙系统较为复杂，多种孔隙形态的并存，包含开放性的透气孔和一端封闭的不透气孔；Ⅲ类曲线（见图 5g，5h，5i）的吸附曲线呈线性上升，脱附曲线在相对压力0.5附近急剧下降。这种现象产生的原因是煤的孔隙系统中墨水瓶孔较为发育，当相对压力下降到0.5附近，瓶型孔中气体突然释放，导致产生拐点。滞后环现象的产生与煤岩变形程度存在密切关系。

由实验获取的孔隙结构参数 （洼槽区样品HHH-1—7，斜坡带样品HHH-8—12）可知，洼槽区煤岩主要以Ⅰ类曲线为代表，少量存在Ⅱ类曲线；斜坡带以Ⅲ类曲线为主，伴随过渡型的Ⅱ类曲线。斜坡带相对于洼槽区煤岩而言，平均孔直径逐渐减小，而比表面积则以数量级增加，总孔体积也表现出逐渐增大的趋势。

图3 原生结构煤扫描电镜特征

图4 碎裂煤扫描电镜特征

图5 呼和湖凹陷煤岩低温氮吸附、脱附曲线

上述现象产生的原因是煤储层的孔隙结构受到变形程度的影响而发生改变，中孔和小孔逐渐被大量出现的微孔取代。其中以墨水瓶孔的大量出现为拐点，突出了煤岩对气体吸附能力的差异性。

4 分形维数特征及其与吸附能力关系

4.1 分形维数与孔隙结构的关系

分形维数是评价煤岩孔隙结构的重要参数［17-18］。由图6a，6b，6c可以看出，分形维数与孔隙平均孔直径具有较好的负相关关系，与比表面积和总孔体积呈正相关关系，即分形维数增加，煤岩平均孔直径变小，微孔逐渐增多，总孔体积变大，比表面积增加。

上述特征表明，构造变形作用改变了孔隙结构，导致煤岩结构复杂，孔隙类型从一端封闭的不透气孔向开放性孔过渡，最终被墨水瓶孔取代，使得孔隙之间连通不畅通。研究表明，呼和湖斜坡带与洼槽区煤岩的分形维数较好地反映了不同变形程度下煤岩孔隙结构的复杂程度。一方面体现出煤岩横向和纵向上的非均质性，另一方面可定量评价孔隙结构和吸附特征。

4.2 分形维数与吸附能力的关系

煤层气以吸附形式为主，孔隙组合形式和结构形态会对煤岩的吸附能力起到一定控制作用［19-20］。由分形维数与兰氏体积的关系（见图6d）可以看出，随着分形维数的变大，对甲烷的吸附能力也随之增强。这种现象说明，构造变形会导致孔隙系统发生重组，使得微孔的数量和类型随变形程度加大而增多，增加了孔隙的比表面积；与此同时，变形作用增加了孔隙表面的粗糙度，复杂化孔隙间喉道关系。两者的变化在一定程度上提供更多甲烷分析排列的空间，增加了对甲烷的吸附能力，因此，分形维数可以反映煤岩的吸附能力。

整体而言，呼和湖凹陷由于变质程度较低，自身的生气能力有限，煤层气富集成藏条件更加苛刻。仅从储层吸附能力而言，缓坡带的煤岩相对于洼槽区经历了更强的构造变形，其分形维数较大，因此吸附能力更强，具备较好的储层条件。在今后的煤层气勘探过程中，应将适当的构造活动区作为勘探的重要方向。

图6 分形维数与吸附能力和孔隙结构的关系

5 结论

1）研究表明，呼和湖凹陷南部煤层受构造活动的影响，在纵向和横向上存在较强的非均质性，导致煤储层孔隙结构产生差异。随着变形程度的增加，大量的植物组织孔被破坏，微孔开始增多；裂缝的数量和类型朝多样化转变，既增加孔隙之间的连通性起到积极作用，又改善了孔隙间的渗流能力。

2）在构造应力的作用下，低温氮吸附、脱附曲线表现出3种形态，代表了不同的表面性质和孔隙分布特征。随变形程度增加，煤储层中的孔隙由一端封闭的不透气孔向开放孔过渡，最后墨水瓶型孔占主导地位。

3）从原生结构煤到碎裂煤，分形维数与比表面积、总孔体积和兰氏体积表现出线性正相关关系，与平均孔直径呈负相关关系。上述特征证，实煤储层的孔隙结构受到变形程度的影响而发生改变，中孔和小孔被大量的微孔取代，孔径变小，比表面积增大，孔隙表面粗糙度增加，为甲烷提供更多的吸附空间，使得煤岩吸附能力更强。

4）呼和湖凹陷南部斜坡带相对于洼槽区，构造活动更多活跃，无论是孔隙类型、裂缝发育程度还是煤层吸附能力都更具优势，应作为大庆探区今后煤层气勘探的重点突破区。

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