沁北阳泉区块煤储层孔隙分布对吸附特征的影响

薛园园， 邵长奎， 刘辰琛， 张 伟， 任志扬， 郑娇娇

1.中国地质大学长城学院， 河北 保定 071000； 2.中国地质工程集团有限公司， 河北 保定 071000

0 引 言

煤层气不同于常规的天然气， 它主要以吸附态、水溶态和游离态三种状态储存在煤储层中。 在储层原位状态下， 绝大部分气体被吸附在煤基质颗粒的表面之上［1］。 而煤的孔隙结构特征、 分布规律等储层特征影响吸附解吸特征， 进而关系到煤层气的含量。 在总结并归纳以往的研究成果的基础上， 结合扫描电镜实验、 压汞实验及等温吸附实验， 探讨了沁水盆地北部阳泉含气区块上石炭统太原组15＃煤储层的显微组分、孔隙分布规律及其对煤储层吸附能力的影响［2］。 这是地质评价的主要内容之一， 也是煤层气勘探开发工作之重要组成部分， 对于指导、 优化煤储层开发等具有十分重要的意义［3］。

1 样品采集与测试

实验研究所用样品采自沁水盆地北部阳泉含气区块上石炭统太原组15＃煤储层， 采集样品充分考虑了采样点分布的多样性及均匀性。 为确保各项实验的准确性， 样品采集后进行了密封保存。

1.1 扫描电镜实验

作为煤层气主要的储集空间及运移流通通道， 煤储层中的孔隙、 裂隙的发育程度、 分布规律等物性特征不仅直接关系到煤层气的含量， 也对后期煤层气排采效果产生影响。 通过扫描电镜可以更加直观地观察到煤体中的微观孔隙和裂隙， 进一步了解煤体的形态、 大小和发育程度的特征， 从而为更加深入地研究煤层气的赋存规律提供依据［4］。 见图1。

1.2 压汞实验

压汞实验法是分析煤孔隙的常用方法之一。 孔隙在毛细管中的非湿润性特征， 是压汞实验测定介质孔尺寸的基本原理。 受汞的表面张力的影响， 接触角＞90°的小孔， 液体不能自发地进入。 这种阻力可通过施加压力予以克服， 施加压力大小与孔径的大小密切相关， 两者之间的关系符合Washurn 方程：

式中， p 为施加的压力； r 为半径； σ 为汞的表面张力； θ 为接触角。

式（1） 表明， 孔隙的孔径与压力成反比例关系，即：

若取汞的表面张力为480 达因／f， 接触角取141.3°， 可得

在常压下， 即p ＝l bar （kgf／c） 时， 汞可进入半径为75 000 以上的孔隙［5］。

通过上述公式， 可以得到不同汞压下煤的孔半径r， 亦能得出煤孔隙中各孔半径所占比例。 由压汞实验中汞的变化侵入量以及煤样品的孔径可得出煤样的比表面积， 进而对煤储层进行孔隙分析。

本次压汞实验采用美国Micpomeritics 公司生产的AutoPore IV 9500 V1.09 型压汞仪。 仪器压力范围0.69～4.37 Mpa， 孔径测量范围3～360 μm， 进汞体积测试精度可达0.1 μL［6］。 汞表面张力为485×10-5N／m， 汞与测试样品表面的接触角为130°。

1.3 等温吸附实验

在等温吸附实验仪上测定了煤层气的吸附常数，用压力法测定了等温吸附实验（表1）。 实验采用中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室的由荷兰Ankersmid 生产的ISOSORP-GASSC 高压磁悬浮重量法等温吸附实验仪， 对煤样进行破碎加工后，选用60～80 目矿筛， 筛选出粒度为0.2 ～0.25 mm 的煤样。 经真空干燥后， 将样品置于30°恒温的吸附缸中进行真空脱气。 为了使吸附气缸内的压力达到平衡， 将一定体积的甲烷气体注入气缸内， 部分气体被吸附， 一部分气体仍以游离状态处于死体积之内， 已知所注入的甲烷气体体积， 减去死空间内游离气的体积， 即可得到吸附气的体积。

表1 研究区样品实验数据统计表Table 1 Statistical table of sample experimental data in research area

在本次等温吸附实验中， 分别在0.5 MPa、 1.5 MPa、 3 MPa、 4 MPa、 5 MPa、 6 MPa、 7 MPa、 8 MPa八个压力点对各个样品进行测定［7］。 重复上述实验测定， 即得到各压力段所对应的吸附气量xi与平衡压力pi， 从而得出朗格缪尔等温吸附曲线， 将 （pi， xi）按式（4） 进行最小二乘法回归， 可计算出煤层气的吸附常数a 和b。

式中， p-吸附平衡状态下煤层气的压力， MPa；V-压力p 下的吸附气量， ml／g； a-朗格缪尔体积， 反应煤储层的最大吸附潜力， ml／g； b ＝1／PL（PL为朗格缪尔压力， 为解吸速度常数与吸附速度常数之比），反应煤的内表面的吸附能力， MPa-1［8］。

2 实验结果分析

2.1 扫描电镜分析

扫描电镜结果显示（图1）， 15＃煤主要由各种类型的镜质组组成， 见有粒状及片状之惰质组、 壳质组， 偶见有少量矿物质微粒。 孔隙较为发育， 镜质组组分中最常见的孔隙为气孔， 多以椭圆形、 圆形呈现， 气孔内未见填充物。 孔隙大多以条带状分布且孔径相差较大， 孔隙连通性良好， 十分有利于煤层气的输导［9］。

研究区15＃煤中不仅存在有众多的孔隙， 裂隙也十分发育。 而煤层气最重要的渗流通道就是发育于煤储层中的裂隙系统， 它是煤化作用以及后期改造过程中，受到构造应力的作用后， 煤体发生破裂而形成的。

15＃煤储层中裂隙发育大小多样， 多数贯穿于煤储层内或整个煤层， 少部分仅于镜质体的条带中分布。 研究区总体位于一单斜构造上， 其走向为北西向， 倾向为南西向。 研究区内褶皱群及局部陡倾挠曲较发育， 其构造线主体以北东向、 北北东向为主， 并于局部发生复合变异。 相对复杂的构造， 形成了本区15＃煤储层复杂且不规则的裂隙网络。

2.2 压汞实验分析

由压汞试验结果可知（表1、 图2）， 15＃煤煤样的排驱压力平均高达98 MPa， 最高驱替压力达413 MPa， 最小孔隙半径为3 mm。 孔隙度介于4.07 ～7.83%， 平均为5.43%， 孔隙度相对较高， 表明研究区15＃煤储层的孔隙十分发育， 且孔容较大， 为煤层气提供了充足的富集储存空间［10］。

实验结果显示（表1、 图2）， 15＃煤孔隙较发育且分布十分广泛， 自大孔至微孔均有分布， 其中， 过渡孔所占比例最大， 孔容比均值为50.66%， 微孔孔容比亦达19.84%。 由此可知， 15＃煤中孔隙类型多为以渡孔， 过渡孔和微孔总孔容比近70%， 它们使得煤的表面积增大， 这为煤层气赋存储集提供了空间， 增强了煤储层的吸附能力， 有利于煤层气的赋存［11］。 此外，大孔和中孔的孔容比分别达17.38%、 12.11%， 发育程度也较理想， 此类型孔隙结构发育及分布特征既有利于煤层气的储集且利于其在储层内的渗流［6］。

图2 压汞实验曲线图Fig.2 Curve of mercury injection test

2.3 吸附特征分析

分析等温吸附实验数据可知， 在朗格缪尔体积a值中， Y14 最小为29.41 cm3／g； Y1 最大为38.76 cm3／g， 主要集中于33 ～35 cm3／g 之间， 平均值为33.85 cm3／g， 标准差为2.33， a 值越大反应煤层气含量越高， 表明同一煤储层不同位置煤层气吸附能力存在着一定差异； 朗格缪尔压力PL中， Y11 最小， 为0.55 MPa， 而Y18 最大， 达0.79 MPa， 平均值为0.66 MPa， 标准差为0.061， 分散度较低， b 值越大，表明朗格缪尔压力PL越小（如图3）。 本次等温吸附实验中， 朗格缪尔压力PL＜1， 说明15＃煤储层中， 煤层气解吸速度小于其吸附速度。 综上可知， 15＃煤储层对煤层气具有较强的吸附能力［12］。

图3 样品Y1-Y10 等温吸附曲线Fig.3 Isothermal adsorption curve of sample Y1-Y10

3 结 论

通过对采集的沁水盆地东北部阳泉区块15＃煤储层样品进行储层物性特征研究， 取得了以下认识：

（1） 通过扫描电镜实验发现， 15＃储层孔隙较为发育， 镜质组组分中最常见的孔隙为气孔， 多以椭圆形、圆形呈现， 气孔内未见填充物。 孔隙大多以条带状分布且孔径相差较大， 孔隙连通性良好； 15＃煤储层中裂发育有复杂且不规则的裂隙网络， 多数贯穿于煤储层内或整个煤层。 这些均有利于煤层气的赋存、 运移。

（2） 压汞实验显示， 15＃煤储层孔隙较为发育，且以过渡孔、 微孔为主， 它们使得煤的表面积增大，这为煤层气赋存储集提供了空间， 增强了煤储层的吸附能力， 有利于煤层气的赋存。 此外， 煤储层大孔、中孔发育也较理想， 既有利于煤层气的赋存又利于其在煤储层中的渗流。

（3） 等温吸附实验结果显示， 15＃煤煤层气的吸附量介于33 ～35 cm3／g 之间， 朗格缪尔压力PL＜1，说明15＃煤储层中， 煤层气解吸速度小于其吸附速度。综上可知， 15＃煤储层对煤层气具有较强的吸附能力。