鶴崗煤田構(gòu)造煤孔隙分形特征

王有智，王世輝

(大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

鶴崗煤田構(gòu)造煤孔隙分形特征

王有智，王世輝

(大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

基于鶴崗煤田北部區(qū)塊典型構(gòu)造煤樣的低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析不同變形程度下構(gòu)造煤的分形維數(shù)與孔隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和氣體吸附能力的關(guān)系.結(jié)果表明，受變形程度影響，碎裂煤和碎粒煤的孔隙系統(tǒng)發(fā)生變化，導(dǎo)致低溫氮吸附、解吸曲線表現(xiàn)出不同形態(tài).在相對(duì)壓力為0.5～1.0時(shí)，分形維數(shù)可以有效表征碎裂煤與碎粒煤的孔隙結(jié)構(gòu)和吸附能力.隨著分形維數(shù)變大，煤巖變形程度增加，微孔含量增加，孔徑變小，比表面積增大，孔表面粗糙度增加，使得煤巖孔隙系統(tǒng)復(fù)雜化，最終煤巖吸附能力增強(qiáng).因此，煤巖孔隙分形維數(shù)可以表征煤巖孔隙結(jié)構(gòu)和吸附能力.

分形維數(shù)；孔隙結(jié)構(gòu)；吸附能力；構(gòu)造煤；鶴崗煤田；低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)

0 引言

煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣吸附和滲流能力起重要控制作用[1-4].在產(chǎn)出過(guò)程中，煤層氣首先從煤巖孔隙表面解吸出來(lái)成為游離態(tài)，孔徑大小和孔隙形態(tài)決定煤層氣解吸的難易程度，因此系統(tǒng)研究煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)至關(guān)重要[5-8].煤巖儲(chǔ)層的非均質(zhì)性較強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且形狀不規(guī)則，很難定量評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[9].

傳統(tǒng)意義上的幾何學(xué)定量評(píng)價(jià)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)結(jié)果不盡如人意，分形幾何理論的創(chuàng)立為描述具有分形特征的復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)儲(chǔ)集體提供簡(jiǎn)單而有效方法[10].Pfeifer P、Katz A J和Kroch C E等研究[11-13]表明，煤巖、砂巖、頁(yè)巖和碳酸鹽巖等儲(chǔ)集巖中孔隙結(jié)構(gòu)具有良好的“自形似性”，在一定孔隙尺度范圍內(nèi)顯示較好分形特征，可以通過(guò)計(jì)算分形維數(shù)定量描述[14].Shen P等通過(guò)研究分形維數(shù)與儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性的關(guān)系，得出分形維數(shù)與儲(chǔ)層非均質(zhì)性呈正相關(guān)關(guān)系[15].文慧儉、賀偉等研究砂巖等儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征，認(rèn)為分形維數(shù)在2～3之間，隨著分形維數(shù)的增大，孔隙表面的粗糙程度、孔吼不規(guī)則性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度相應(yīng)增大[16-17].因此，根據(jù)局部微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征與整體具有的相似性，可以將分形維數(shù)作為定量表征儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的重要參數(shù)[18].

鶴崗煤層氣勘探始于1998年，中聯(lián)煤層氣公司、大慶油田有限責(zé)任公司等開(kāi)工多口煤層氣參數(shù)井，由于受到構(gòu)造煤困擾，煤層氣勘探進(jìn)展緩慢.人們對(duì)鶴崗盆地的研究主要集中在煤層氣成藏條件分析方面[19-21]，忽略構(gòu)造煤背景下孔隙結(jié)構(gòu)的改變對(duì)儲(chǔ)層非均質(zhì)性和煤層氣吸附能力的影響.筆者研究鶴崗煤田北部地區(qū)構(gòu)造煤儲(chǔ)層，計(jì)算煤巖孔隙分形維數(shù)，探討孔隙分形特征與煤巖吸附能力之間的關(guān)系，為研究煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性的形成機(jī)理提供指導(dǎo).

1 地質(zhì)背景及煤樣采集

鶴崗盆地位于吉黑褶皺系、老爺嶺隆起、青黑山隆起帶上的鶴崗斷陷內(nèi).區(qū)域構(gòu)造演化研究表明，鶴崗盆地經(jīng)歷多期性質(zhì)不同的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力場(chǎng)方向多次發(fā)生大的改變，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)張性斷裂密集發(fā)育，相互截切，使得構(gòu)造格局更加復(fù)雜.鶴崗煤田位于盆地西側(cè)，呈現(xiàn)向東傾斜的半掩蓋式單斜構(gòu)造形態(tài).

鶴崗煤田北部的益新、鳥(niǎo)山和南山礦為煤層氣有利勘探區(qū)，15#、18#和21#等3套煤層為主要目的層[21].為研究鶴崗煤田煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征，煤巖樣品采集于煤田北部益新礦、鳥(niǎo)山礦的3套主力煤層.基于構(gòu)造煤分類方案中對(duì)煤巖宏觀特征的描述[22]，所采集煤巖樣品屬于脆性變形系列的碎裂煤(見(jiàn)圖1(a)、(c))和碎粒煤(見(jiàn)圖1(b)、(d)).碎裂煤原生結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，可見(jiàn)條帶狀構(gòu)造，可觀測(cè)兩組割理，手試強(qiáng)度較硬，局部可見(jiàn)小碎塊；無(wú)法觀測(cè)碎粒煤原生結(jié)構(gòu)和割理，在少數(shù)塊狀煤中可見(jiàn)構(gòu)造面擦痕，形成光亮鏡面，手試強(qiáng)度較差，輕捏即成細(xì)小顆粒，一般碎粒直徑為1～5 cm.

圖1 鶴崗煤田北部構(gòu)造煤類型Fig.1 Tectonic coal types of north Hegang coal field

2 構(gòu)造煤低溫氮吸附曲線

根據(jù)9個(gè)樣品的測(cè)試結(jié)果，將低溫氮吸附、脫附曲線劃分為兩種類型.Ⅰ類曲線(見(jiàn)圖2(b)、(d)、(g)、(h))的主要特點(diǎn)是吸附、脫附曲線不存在明顯的滯后環(huán)，反映煤的孔隙系統(tǒng)主要為開(kāi)放性的透氣孔.Ⅱ類曲線(見(jiàn)圖2(a)、(c)、(e)、(f)、(i))的主要特點(diǎn)是吸附、脫附曲線出現(xiàn)明顯的滯后環(huán).這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在吸附、脫附氣體過(guò)程中，煤的孔隙系統(tǒng)中瓶型孔隙較為發(fā)育[1]，隨著相對(duì)壓力下降到0.5附近，瓶型孔隙中氣體大量解吸，導(dǎo)致曲線產(chǎn)生拐點(diǎn).

鶴崗煤田構(gòu)造煤孔隙以微孔為主，比例為60.23%～86.70%，平均為67.84%；過(guò)渡孔比例為20.70%～29.03%，平均為24.48%；中孔比例為5.31%～11.31%，平均為7.66%.其中，碎裂煤表現(xiàn)為Ⅰ型曲線特征，微孔比例為60%左右，平均孔徑為22.31 nm；碎粒煤表現(xiàn)為Ⅱ型曲線特征，微孔比例在70%以上，平均孔徑為14.29 nm.隨著變形強(qiáng)度加大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，微孔比例增加，比表面積隨之變大.

圖2 鶴崗煤田構(gòu)造煤低溫氮吸附、脫附曲線Fig.2 Adsorption/desorption isothermals of Hegang coal field tectonic coal by low-temperature nitrogen

3 分形維數(shù)特征

式中：V為平衡壓力p下的吸附氣體體積；V0為單分子層的吸附氣體體積；p為平衡壓力；p0為氣體吸附的飽和蒸汽壓；A為對(duì)數(shù)曲線斜率；constant為常量.

式中：D為分形維數(shù).

繪制ln V與ln(ln(p0/p))雙對(duì)數(shù)圖，得到擬合直線斜率A，即可計(jì)算孔隙分形維數(shù)D.針對(duì)2個(gè)相對(duì)壓力段(p/p0＜0.5和p/p0＞0.5)求取分形維數(shù).由煤巖樣品微小孔的分形計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖3)可知，在2個(gè)相對(duì)壓力段，碎裂煤和碎粒煤的雙對(duì)數(shù)曲線擬合關(guān)系較好，分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果介于2～3之間，符合孔表面孔結(jié)構(gòu)的分形意義[24].比較不同相對(duì)壓力的分形維數(shù)D1和D2，證實(shí)滯后環(huán)的存在對(duì)孔隙系統(tǒng)的影響(見(jiàn)表1)，在相對(duì)壓力小于0.5時(shí)，D1與曲線類型沒(méi)有規(guī)律性；在相對(duì)壓力超過(guò)0.5時(shí)，存在滯后環(huán)的D2均比不存在滯后環(huán)的D2要高.這說(shuō)明由于煤樣變形程度不同，導(dǎo)致自身孔隙系統(tǒng)發(fā)生變化，從而表現(xiàn)不同的分形特征.因此，研究相對(duì)壓力大于0.5的分形維數(shù)特征對(duì)了解煤層孔隙系統(tǒng)更有意義.

煤巖孔隙的分形維數(shù)計(jì)算方法較多[23]，其中FHH[1]模型應(yīng)用較為廣泛，計(jì)算方法基于

圖3 鶴崗煤田低溫氮吸附體積和相對(duì)壓力(p/p 0＞0.5)的雙對(duì)數(shù)曲線Fig.3 Plots of ln V and ln(ln(p 0/p))(p/p 0＞0.5)reconstructed from the N2 gas adsorption isotherms

表1 鶴崗煤田構(gòu)造煤微小孔分形維數(shù)Table 1 Pore fractal dimensions for Hegangtectonic coal

3.1 煤分形維數(shù)與吸附能力的關(guān)系

甲烷在煤中的存在形式以吸附為主，因此孔隙形狀與結(jié)構(gòu)對(duì)煤巖的吸附能力產(chǎn)生一定影響[25-26].分形維數(shù)可以表征煤巖孔隙的不規(guī)則性或粗糙性，因此分形維數(shù)與煤巖的吸附能力具有相關(guān)性.由分形維數(shù)D2與蘭氏體積的關(guān)系(見(jiàn)圖4(a))可知，分形維數(shù)D2與蘭氏體積大體上呈線性正相關(guān)，即甲烷的吸附能力隨分形維數(shù)的增大而增強(qiáng).隨著煤巖變形程度增加，煤巖中孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，微孔數(shù)量增加，比表面積變大，同時(shí)孔隙的形狀和粗糙程度增加，使得分形維數(shù)變大.煤巖對(duì)煤層氣的吸附以表面吸附為主，因此煤巖的吸附能力增強(qiáng).

3.2 煤分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系

分形維數(shù)與煤巖孔隙結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系[27-28].分形維數(shù)D2與煤巖微孔體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系，即分形維數(shù)越大，微孔體積分?jǐn)?shù)越多；分形維數(shù)與比表面積大體呈正相關(guān)關(guān)系，與平均孔徑呈相反趨勢(shì)(見(jiàn)圖4(b)、(c)、(d)).

圖4 分形維數(shù)與吸附能力和孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系Fig.4 Relationships between the fractal dimension adsorptive capacity and pore structure

分形維數(shù)與比表面積、微孔體積分?jǐn)?shù)和平均孔徑具有顯著的相關(guān)性，表明隨著分形維數(shù)增加，一方面煤巖孔隙形態(tài)發(fā)生較大變化，從開(kāi)放性孔隙向瓶型孔過(guò)渡，孔隙吼道逐漸復(fù)雜化，連通性變差；另一方面孔隙表面也由光滑向粗糙轉(zhuǎn)化，比表面積增加，甲烷分子附著排列的空間增大.因此，分形維數(shù)能夠較為準(zhǔn)確地反映在不同變形程度下的煤巖孔隙結(jié)構(gòu)和吸附特征.

4 結(jié)論

(1)鶴崗煤田北部地區(qū)碎裂煤和碎粒煤孔隙以微孔為主，低溫氮吸附、脫附曲線在相對(duì)壓力p/p0＞0.5時(shí)表現(xiàn)兩種類型.碎裂煤低溫氮吸附、脫附曲線相對(duì)平行，孔隙以開(kāi)放孔為主；碎粒煤低溫氮吸附、解吸曲線間存在明顯的滯后環(huán)，孔隙以瓶型孔為主.

(2)構(gòu)造煤分形維數(shù)在相對(duì)壓力p/p0＞0.5時(shí)更具有研究意義，碎粒煤的分形維數(shù)高于碎裂煤的.

(3)分形維數(shù)既能反映吸附能力強(qiáng)弱，又能表征孔隙結(jié)構(gòu).分形維數(shù)變大，煤巖變形程度增加，微孔體積分?jǐn)?shù)增加，平均孔徑變小，比表面積增大，孔表面粗糙度增加，導(dǎo)致煤巖孔隙系統(tǒng)復(fù)雜化，最終煤巖吸附能力增強(qiáng).

[1] 陳萍，唐修義.低溫氮吸附法與煤中微孔隙特征的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2001，26(5)：552-556.

Chen Ping，Tang Xiuyi.The research on adsorption of nitrogen in low temperature and micro-pore properties in coal[J].Journal of China Coal Society，2001，26(5)：552-556.

[2] 陳富勇，琚宜文，李小詩(shī)，等.構(gòu)造煤中煤層氣擴(kuò)散—滲流特征及其機(jī)理[J].地學(xué)前緣，2010，17(1)：195-201.

Chen Fuyong，Ju Yiwen，Li Xiaoshi，et al.Diffusion-osmosis characteristics of coalbed methane in tectonically deformed coals and theirmechanism[J].Earth Science Frontiers，2010，17(1)：195-201.

[3] 段東，高坤，唐春安，等.孔隙壓力在瓦斯突出過(guò)程中的作用機(jī)理研究[J].煤礦安全，2009，40(1)：3-6.

Duan Dong，Gao Kun，Tang Chun'an，et al.Study on mechanism of pore pressure in coal and gas outburst process[J].Safety in Coal Mines，2009，40(1)：3-6.

[4] 孟憲明.煤孔隙結(jié)構(gòu)和煤對(duì)氣體吸附特性研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2007.

Meng Xianming.Study on the pore structure of coals and characteris-tics of gases adsorption on coals[D].Qingdao：Shandong University of Science and Technology，2007.

[5] 陶云奇.含瓦斯煤THM藕合模型及煤與瓦斯突出模擬研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

Tao Yunqi.Study on the gassy coal THM coupling model and coal and gas outburst simulation[D].Chongqing：Chongqing University，2009.

[6] 張松航.鄂爾多斯盆地東緣煤層氣儲(chǔ)層物性研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2008. Zhang Songhang.Study on coal reservoir physical properties in eastern margin of ordos basin[D].Beijing：China University of Geosciences，2008.

[7] 張瑜.沁水盆地南部高階煤產(chǎn)氣機(jī)理與產(chǎn)氣規(guī)律研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

Zhang Yu.Study on gas production mechanism and discipline of highrank coalbed methane in southern of Qinshui basin[D]. Chongqing：Chongqing University，2009.

[8] Gülbin Gürdal，M Nam?k Yal??n.Pore volume and surface area of the carboniferous coals from the Zonguldak basin(NW Turkey)and their variations with rank and maceral composition[J].International Journal of Coal Geology，2001，48(1/2)：133-144.

[9] 李大勇，臧士賓，任曉娟，等.用分形理論研究低滲透儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)[J].遼寧化工，2010，39(7)：723-726.

Li Dayong，Zang Shibin，Ren Xiaojuan，et al.Study on pore structure of low permeability reservoirs with fractal theory[J].Liaoning Chemical Industry，2010，39(7)：723-726.

[10] 李留仁，趙艷艷，李忠興，等.多孔介質(zhì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)分形特征及分形系數(shù)的意義[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，8(3)：105-108.

Li liuren，Zhao Yanyan，Li Zhongxing，et al.Fractal characteristics of micropore structure of porous media and the meaning of fractal coefficient[J].Journal of the University of Petroleum：Edition of Natural Science，2004，8(3)：105-108.

[11] Pfeifer P，Colem W.Fractals in surface science：Scattering and thermo-dynamics of adsorbed films(Ⅱ)[J].New J.Chem.，1990，14：221-232.

[12] Katz A J，Thompson A H.Fractal stone poresimplications for conductivity and formation[J].Phys.Rev.Lett.，1985，54(3)：1325 -1328.

[13] Kroch C E.Sandstone fractal and Euclidean pore volume distributions[J].Geo.Phys.Res.，1988，93(B4)：3286-3296.

[14] 劉方.廊東油田低滲透油藏?fù)p害機(jī)理研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2010.

Liu Fang.Researches on the damage mechanism of low permeability reservoir in Langdong oilfield[D].Xi'an：Xi'an Shiyou University，2010.

[15] Shen P，Li K.Quantitative desciption for heterogeneity of pore structure by using mercury capillary pressu curves[C]∥Proceedings of the SPE Internation Meeting Held in Beiing.SPE 29996，1995：14-17.

[16] 文慧儉，閆林，姜福聰，等.低孔低滲儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分形特征[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，31(1)：15-18.

Wen Huijian，Yan Lin，Jiang Fucong，et al.The fractal characteristics of the pore texture in low porosity and low permeability reservoirs[J].Journal of Daqing Petroleum Institute，2007，31(1)：15-18.

[17] 賀偉，鐘孚勛，賀承祖，等.儲(chǔ)層巖石孔隙的分形結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2000，20(2)：67-70.

He Wei，Zhong Fuxun，He Chengzu，et al.Fractal texture research on the poresin reservoir rocks and its application[J].Natural Gas Industry，2000，20(2)：67-70.

[18] 張婷，徐守余，楊珂.儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)應(yīng)用[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，34(3)：43-48.

Zhang Ting，Xu Shouyu，Yang Ke.Application of fractal dimension of micro-pore structure[J].Journal of Daqing Petroleum Institute，2010，34(3)：43-48.

[19] 劉靖陽(yáng).鶴崗礦區(qū)煤層氣利用與展望[J].煤炭技術(shù)，2002，21(11)：3-4. Liu Jingyang.Application and forecast of coal seam gas in Hegang mine field[J].Coal Technology，2002，21(11)：3-4.

[20] 趙淑榮.鶴崗煤田煤層氣利用初步評(píng)價(jià)[J].煤炭技術(shù)，2009，28(3)：144-145.

Zhao Shurong.Preliminary valuation on use of Hegang coal seam gas[J].Coal Technology，2009，28(3)：144-145.

[21] 王世輝，王有智，許承武，等.鶴崗盆地煤層氣資源潛力分析[J].中國(guó)煤層氣，2012，9(1)：18-22.

Wang Shihui，Wang Youzhi，Xu Chengwu，et al.Study of potentials of CBM resources in Hegang basin[J].China Coalbed Methane，2012，9(1)：18-22.

[22] 琚宜文，姜波，侯泉林，等.構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)—成因新分類及其地質(zhì)意義[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004，29(5)：513-517.

Ju Yiwen，Jiang Bo，Hou Quanlin，et al.The new structure-genetic classification system in tectonically deformed coals and its geological significance[J].Journal of China Coal Society，2004，29(5)：513-517.

[23] 宋曉夏，唐躍剛，李偉，等.中梁山南礦構(gòu)造煤吸附孔分形特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(1)：134-139.

Song Xiaoxia，Tang Yuegang，Li Wei，et al.Fractal characteristics of adsorption pores of tectonic coal from Zhongliangshan southern coalmine[J].Journal of China Coal Society，2013，38(1)：134-139.

[24] Rigby S P.Predicting surface diffusivities of molecules from equilibrium adsorption isotherms[J].Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2005，262：139-149.

[25] Xu L，Zhang D，Xian X.Fractal dimensions of coals and cokes[J].Journal of Colloid and Interface Science，1997，190(1)：357-359.

[26] Pfeifer P，Avnir D.Chemistry in noninteger dimensions between two and three.I.Fractal theory of heterogeneous surfaces[J].The Journal of Chemical Physics，1983，79：3369-3558.

[27] 降文萍，宋孝忠，鐘玲文.基于低溫液氮實(shí)驗(yàn)的不同煤體結(jié)構(gòu)煤的孔隙特征及其對(duì)瓦斯突出影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(4)：609-614.

Jiang Wenping，Song Xiaozhong，Zhong Lingwen.Research on the pore properties of different coal body structure coals and the effects on gas outburst based on the low-temperature nitrogen adsorption method[J].Journal of China Coal Society，2011，36(4)：609-614.

[28] 秦躍平，傅貴.煤孔隙分形特性及其吸水性能的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000，25(1)：55-59.

Qin Yueping，F(xiàn)u Gui.Study on fractal characteristic of pore in coal and moisture-absorbing property of coal[J].Journal of China Coal Society，2000，25(1)：55-59.

TD31

A

2095-4107(2014)05-0061-06

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.05.008

2013-10-14；編輯任志平

國(guó)家重大科技專項(xiàng)(2010E-2201)

王有智(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事煤層氣勘探與部署方面的研究.

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