基于压汞法的低阶煤储层孔隙结构表征——以准噶尔盆地南缘为例

李昌峰，魏迎春，王安民，曹代勇

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 10083)

0 引言

低阶煤层气是指赋存在低阶煤(Ro,max<0.65%)中的煤层气[1]。我国煤层气资源比较丰富，中高阶煤层气已经获得了较大的发展，但是低阶煤层气仍处于实验及小规模商业阶段[2]。煤储层孔隙结构不仅制约煤层含气性，而且是煤层气评价与开发的基础[3]。前人对中高阶煤储层研究较多，对低阶煤储层研究相对较少。

准南是我国重要的低阶煤层气研究区域，前人对准南的研究主要集中在煤层气成藏条件与选区上，包括煤系水矿化度对低阶煤层气的影响[4]，分析煤层气赋存规律，优选有利区[5]等。对煤储层方面的研究相对较少，低煤阶煤储层的孔隙结构特征仍需要进一步的精细表征。煤储层孔隙结构测试方法很多[7]，压汞法是较为常见的一种，通过压汞数据分析煤储层孔隙体积具有明显的分段分形特征[8]，分形维数可以很好的反应煤储层的复杂程度和非均质性[9]，分析其与煤岩特征的关系，可以提高准南低煤阶煤层气的理论认识。

1 地质背景

准噶尔盆地南缘地处准噶尔盆地与天山造山带的结合部位，自晚古生代以来，经历了多期构造运动，是由多个时期不同类型原型盆地叠加而成的大型叠合盆地，形成了如今构造地质格局[5]。研究区主要构造如图1所示，构造变形具有南北分带、东西分段和上下分层的变形特点[6]。现今南缘的构造变形主要在喜山期形成，煤系主要发育在伊林哈比尔尕山前陆褶皱冲断带及博格达北缘断褶带之中。含煤地层主要为侏罗系中统西山窑组和下统的八道湾组，主要煤层埋深在400～1 200m，煤层整体演化程度不高。

图1 准南构造纲要图(据[2]修改)Figure 1 Structural outline map of southern Junggar Basin (after[2], modified)

2 样品制备及其实验

2.1 样品制备

实验所用样品均采自新疆准噶尔盆地南缘，样品均为低阶煤，编号分别为1-7。依据国家标准GB/T212-2008、GB/T6948-2008、GB/T8899-2013将煤样品破碎至粉末，采用缩分法筛选0.2mm、20g左右以上的粉煤样用于煤的工业分析样品；筛选1mm以下、20g左右粉煤样制备煤砖光片；钻取直径2.5cm，高2～2.5cm的小圆柱煤样。

2.2 实验原理及方法

汞具有不浸润性，对液态汞施压能够克服汞表面张力带来的阻力从而将其注入样品，记录进汞量与对应的压力，可得到压力与进汞量的曲线图，通过分析该曲线可得到煤样一系列孔隙参数[10]。采用全自动压汞仪(PoreMaster)，可从真空开始的可连续或步进加压，最小测试孔径为9nm。对样品抽真空后，全自动计算机控制两个内置注汞站同时连续向样品池充汞，其Autospeed自动控制系统可针对样品注汞/排汞的特性调节变压速，并利用Windows软件自动数据采集和生成报告。

3 实验结果及分析

3.1 低阶煤工业分析结果

样品工业分析及其煤岩显微组分如表2所示。Ro为0.38%～0.63%，平均为0.49%，样品都为低阶煤；煤样Mad为1.44%～10.06%，平均为5.06%，变化范围较大，水分含量整体较低；Ad为1.32%～30.31%，平均值为11.00%，灰分含量普遍较低；挥发分Vdaf为32.08%～54.37%，均值为40.60%，挥发分含量较高。测试结果反映了低阶煤的“低水、低灰、高挥发分”的特性。镜质组含量较高，均值为68.7%，惰质组含量次之，壳质组含量最少。

表1 煤样工业分析及煤岩显微组分Table 1 Data sheet of coal sample proximateanalysis results and macerals %

注：V表示镜质组含量；I表示惰质组含量；E表示壳质组含量；Ro,max表示镜质组最大反射率。

3.2 低阶煤孔隙结构特征

孔隙结构反映的是孔隙和吼道发育的整体特征，对煤储层吸附性和渗透性有重要影响。采用霍多特提出的煤岩孔隙划分方法， 将煤岩孔隙划分为压汞数据如表3所示， 低阶煤孔隙度为1.70%～18.89%，平均为7.55%，姚艳斌等[11]认为孔隙度达到7%，较利于煤层气的储集和开发，因此研究区煤储层孔隙度较高； 最大进汞饱和度SHg反映了孔裂隙系统的连通性和孔隙的发育程度，SHg值为43.37%～74.21%，平均值为59.89%，表明煤储层较好的连通性。所测煤样以小孔和微孔为主，中孔次之，大孔含量最低，平均值分别为39.74%，34.60%，14.75%，10.90%，微小孔是煤层气吸附的主要场所，微小孔含量高，利于煤层气的储集。

表2 压汞所得数据Table 2 Data from mercury intrusion

注：φ为孔隙度；P排为排驱压力；K为渗透率；Vin为单位质量进汞体积；ω为退汞效率；SHg为最大进汞饱和度；r为孔径中值；V1，V2，V3，V4分别为大孔，中孔，小孔和微孔的孔隙所占比例。

微孔(<10nm)， 小孔或过渡孔(10～100nm)， 中孔(100～1 000nm)，大孔(>1 000nm)。

实验测得的压汞曲线如图2所示，根据进汞体积、进退汞曲线以及退汞效率，将7件低阶煤样品进汞曲线分为两类。第一类曲线，主要是编号为1、2、4的样品，这三组样品进汞量低，为0.008 7～0.011 5ml/g，均值为0.010 0ml/g，汞饱和度均值为58.2%，退汞率高达74.18%。该类样品在压力低于0.13MPa(对应孔径大于1000 0nm)时，进汞缓慢，压力在0.13～13MPa时，进汞量迅速增加，压力达到13MPa(对应孔径100nm左右)后，进汞曲线近似直线，此阶段进汞量最大，进汞增加迅速，说明各阶段孔隙均发育，微小孔相对更发育。压力大于13MPa时，进汞曲线和退汞曲线几乎重合，说明微小孔和中孔的连通性较好。此类曲线整体，总进汞量不高，但进汞饱和度和退汞效率较高，微小孔较为发育，且微小孔和中孔的连通性较好，利于煤层气的运移。

第二类曲线，主要是编号为3、5、6和7的样品，该类曲线进汞量高，均值为0.059 2ml/g，退汞效率很低，均值为22.52%，进汞曲线和退汞曲线分离，具有明显的“滞后环”。该类曲线进汞和退汞都较稳定，进汞曲线可看作是两段式，在压力小于0.7MPa(对应孔径为2 000nm)时， 进汞量较少， 此后进汞一直稳定增加。该类曲线各孔径均较发育，退汞效率低，利于煤层气的富集。

图2 压汞和退汞曲线Figure 2 Mercury intrusion and withdrawal curves

综上所述，两类曲线均较为发育微小孔，但第一类曲线微小孔和中孔的连通性较好，汞饱和度与退汞率相对较高，利于煤层气的产出；而第二类曲线的汞饱和度与退汞率整体相对偏低，较第一类曲线较不利于煤层气的产出，但利于煤层气的储集。

3.3 压汞法分形维数

3.3.1 分形维数原理

根据压汞数据可以分析煤样孔隙体积的分形特征。傅雪海等[12]研究发现当孔径大于65nm时才有明显的分形特征，其他学者认为分形孔径下限值也不一样[13-14]。文俭慧等[15]研究认为根据汞饱和度可以计算煤储层孔隙体积的分形维数，进而反映储层物性。根据毛细管模型和分形理论有：

VHg∝r2-Df

(1)

其中，VHg为汞流经半径为r的毛细管对应进汞累计体积，Df为分形维数。由Laplace方程可知：

pc=(-2σcosθ)/r

(2)

其中，pc为毛管压 力，σ为界面张力，θ为接触角。

将(2)式带入(1)式得

(3)

煤样中汞饱和度计算公式：

SHg=VHg/Vp

(4)

3.3.2 分形维数计算结果

样品在10～2 100nm孔隙体积具有明显的分段分形特征(如图3)，分形维数计算结果如表4所示。D2为2.08～2.72，平均为2.37，D2较为分散，表明小孔在煤储层中分布较为复杂，可能与其孔径小数量多有关；D3为2.27～2.55，均值为2.35；D4为2.63～3.32，均值为2.97，整体值最高。大孔分形维数整体比中小孔的高，说明随孔径的增加，孔隙结构复杂性和非均质性有增强趋势，这与李振等[16]的研究结果一致。综合分形维数D为2.44～2.49，均值为2.47，整体差值较小，D与D2具有正相关性，相关系数为0.757，与D3、D4相关性较低，说明D主要与小孔相关。

图3 样品1的分形维数Figure 3 Fractal dimension of sample No.1

编号D2D3D4D12.722.552.632.7022.502.212.802.5332.132.372.922.4342.492.233.102.5652.362.493.052.4562.322.342.992.4672.082.273.322.47均值2.372.352.972.51

注：D2，D3，D4分别代表小孔，中孔，大孔的分形维数，D是根据不同孔隙孔径对应孔隙度加权算得的综合分形维数。

图4 分形维数与煤岩特征关系Figure 4 Relationship between fractal dimension and coal petrological features

3.3.3 分形维数与煤岩特征关系

压汞法对大孔和中孔的测试较为有优势，对小孔及微孔的测试误差相对较大[17]，因此选择D4作为主要研究对象，而分形维数越高，代表着孔隙结构越复杂。通过D4与各煤岩参数的相关性分析，发现D4随Rmax的增加而增大(图4)，相关系数为0.813，即在低阶煤阶段随着煤阶的升高，分形维数也在增加，孔隙非均质性也在增加，孔隙结构变得越加复杂；D4与灰分含量呈负相关，相关系数为0.715，灰分是影响孔隙系统发育的重要因素之一，灰分含量高对应矿物含量高，矿物可能会充填部分储层中的孔隙，从而使储层结构变的相对简单，使其分形维数降低；D4与惰质组含量呈正相关，相关系数为0.731，可能原因是惰质组显微组分以丝质体为主，而丝质体孔径为大孔，对D4影响较大；此外，D4与镜质组含量、Vdaf都呈负相关，相关系数分别为0.754，0.715，相关性较为明显。

因此，从分形维数的角度来看，低煤阶煤储层的演化程度越高，则其孔隙结构越复杂，，镜质组和灰分含量越低，分形维数越高，煤储层非均质性越强。

4 结论

1)通过压汞数据分析，认为准南低阶煤微小孔较为发育，根据压汞退汞曲线，汞饱和度以及退汞效率将研究区压汞曲线分为两类，第一类曲线，最大进汞量较低，为0.010 0ml/g，退汞效率高达74.18%，微小孔和中孔连通性相对较好，利于煤层气的产出。第二类曲线退汞效率很低，均值为22.52%较第一类曲线较不利于煤层气的产出，但利于煤层气的储集。整体来看，准南低阶煤储层孔隙连通性较好，利于煤层气的开发。

2)研究区低阶煤储层孔隙体积在10～2000nm范围内具有明显的分段分形特征，并呈现出随孔径增大而增大的趋势。大孔分形维数与Rmax、惰质组含量呈正相关，但与灰分含量、镜质组含量、挥发分含量呈负相关。而分形维数越高，孔隙结构越复杂，因此，在研究区，高演化程度的富惰质组煤储层孔隙结构较差，而高灰分、按发分、富镜质组的煤储层孔隙结构较好。

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