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)

摘　要:随着对天然气资源需求量的增大,煤层气逐渐成为勘探开发的热点。煤层具有双重孔隙系统,基质孔隙是主要储集场所,裂隙则是运移的通道。孔隙和裂隙的微观特征,直接影响煤层气在储层中的赋存和运移。本文回顾了煤层气储层微观结构的研究成果,分析了煤岩微观结构特征,展示了研究方法的应用。在系统总结微观结构研究现状的基础上,提出了对该研究方向的展望。深入研究煤层气储层微观结构,对认清煤层气传质机理和高效开发具有重要意义。关键词:煤层气　孔隙　裂隙　微观结构　研究方法

AdvancesintheMicro-structuralFeaturesandResearchMethodologyofCoalbedMethaneReservoirLiXiangchen,KangYili(StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Sichuan610500)

Abstract:Withtheincreasingdemandforconventionalnaturegasresource,peoplearepayingmoreattentiontotheexplorationandexploitationofcoalbedmethane.Coalseamisakindofdualporositysystemreservoirs,andmethanewillbecontainedinmatrixporesandflowedbyfracture.Coalbedmethanestorageandtransportwillbeaffectedbythemicroscopicfeaturesofporeandfracture.Thispaperreviewsthestudyresultsonmicro-structureofcoalbedmethanereservoir,analysesthemicroscopicfeatureofcoalandindicatestheapplicationofresearchmethods.Theprospectofthisstudyispresentedonthebasisofasystemicsummaryoftheresearchstatus.Thefurtherstudyofcoalmicro-structuralfeatureshasgreatsignificanceforgasmasstransfermecha2nismandefficientdevelopmentofcoalbedmethane.Keywords:Coalbedmethane;pore;fracture;micro-structure;researchmethod 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36181×1012m3,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。 基金项目　国家重大专项“低渗透油气田储层保护技术”(2008ZX05022-04)、四川省杰出青年学科带头人培养基金项目(07ZQ026-113)、中国石油天然气集团公司应用基础研究项目(07A20402)。 作者简介　李相臣,男,博士研究生,现从事非常规天然气开发、储层保护理论与技术研究。第7卷第2期 中国煤层气 Vol17No122010年4月 CHINACOALBEDMETHANE April12010 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111　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)研究者微孔小孔(或过度孔)中孔大孔霍多特(1961)<1010～100100～1000>1000Gan(1972)<112—112～30>30朱之培(1982)<1212～30—>30抚顺所(1985)<88～100—>100Girish等(1987)国际理论和应用化学联合会(1972)<018(亚微孔)018～2(微孔)2～50>50

112　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。113　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211　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41中国煤层气 第2期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　割理外生裂隙1割理通常在张应力状态下形成张应力或剪应力状态下外生裂隙均可形成2割理只局限于亮煤中,终止于暗煤外生裂隙可以出现在任何煤岩类型中3相互垂直且垂直于层面外生裂隙可以任意角度与层面相交4方解石、粘土矿物和黄铁矿充填于裂缝,少见煤粒充填除了方解石、粘土矿物和黄铁矿充填外,外生裂隙通常被煤粒充填212　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。213　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。214　割理的作用煤中割理的孔隙度大概为015%～215%,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311　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715nm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016nm左右,但其所能测到的最大孔的孔直径一般只能达到100～150nm。312　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51第2期 煤层气储层微观结构特征及研究方法进展