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      沁東北15號(hào)煤顯微組分對(duì)微裂隙的控制作用

      2013-12-17 00:38:26鄭蓮慧王倩倩
      關(guān)鍵詞:鏡質(zhì)顯微組分本區(qū)

      鄭蓮慧,高 倩,曹 超,尹 帥,王倩倩,劉 嫣

      (1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院,四川 成都610059;2.遼河油田特種油開(kāi)發(fā)公司,遼寧 盤錦124010;3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治046000)

      0 引言

      煤層作為儲(chǔ)層,微裂隙真實(shí)存在,卻難于表征,微裂隙能否有效溝通成為煤層氣開(kāi)采過(guò)程至關(guān)重要的問(wèn)題,而要解決這個(gè)問(wèn)題首先要考慮“煤層顯微組分與微裂隙之間到底呈現(xiàn)怎樣一種關(guān)系”.毫無(wú)疑問(wèn),對(duì)于以有機(jī)質(zhì)為主的煤層,顯微組分對(duì)微裂隙具有一定控制作用,但前人對(duì)這種控制作用的研究歷來(lái)看法不一.[1-2]本文通過(guò)對(duì)該區(qū)15#煤儲(chǔ)層顯微組分與微裂隙之間關(guān)系的探索后,希望獲得一些有價(jià)值的認(rèn)識(shí),從而為該區(qū)煤層氣高效開(kāi)發(fā)提供一些參考.

      1 區(qū)域地質(zhì)概況

      沁水盆地位于陜西省東南部,四周被呂梁隆起、中條山隆起、太行山隆起和五臺(tái)山隆起環(huán)繞,現(xiàn)今面貌為近南北向大型復(fù)式向斜,南北長(zhǎng)約330km,東西寬約120km,總面積超過(guò)3×104km2,是目前國(guó)內(nèi)最具煤層氣開(kāi)發(fā)潛力的盆地.

      本文研究區(qū)位于沁東北,地層自寒武、奧陶系碳酸鹽巖基底,向上依次為石炭系本溪組、太原組;二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組;三疊系、第四系等碎屑巖及松散物.[3]區(qū)內(nèi)主要煤層為15#煤(太原組)、3#煤(山西組)等,本文主要研究15#煤,煤層厚度約5m,埋深約400~600m,太原組厚度約120m,上覆山西組厚度約70m.

      2 煤巖煤質(zhì)特征

      本區(qū) 15#煤 Ro范圍主要在 1.8~2.5 之間,煤類為貧煤.宏觀煤巖類型以光亮型、半光亮型為主,夾少量半暗、暗淡煤,裂隙較發(fā)育;有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主,平均含量達(dá)70%,惰質(zhì)組平均含量18%,V/I值高,一般在2以上,最高可達(dá)25以上.殼質(zhì)組難以區(qū)分且含量少,煤中礦物含量在1%~15%范圍內(nèi),主要為伊利石、高嶺石、石英、黃鐵礦和方解石.[4]

      圖1 煤儲(chǔ)層擴(kuò)散-滲流機(jī)理

      3 煤層氣擴(kuò)散-滲流機(jī)理

      高煤級(jí)煤儲(chǔ)層具有孔隙和裂隙雙孔隙特征,同時(shí)發(fā)育割理,割理分為面割理和端割理(如圖1).前人對(duì)煤巖孔隙大小有多個(gè)分類方案,本文以煤巖按孔隙直徑(孔徑)1~10nm、10~100nm、100~1000nm、〉1000nm 分為微孔、小孔、中孔、大孔劃分方案為依據(jù).通過(guò)對(duì)本區(qū)5件壓汞資料的分析,在孔徑大于7.6nm入汞范圍內(nèi),孔徑7.6nm到20nm范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的孔隙體積約占75%,且在孔徑低于7.6nm范圍內(nèi)孔隙還有相當(dāng)大的比重,由此可見(jiàn)該區(qū)煤巖富含納微孔.由此分析煤層氣的解吸機(jī)理如圖1,在基質(zhì)中主要以濃度差為動(dòng)力,以分子態(tài)通過(guò)擴(kuò)散的形式運(yùn)移到裂隙或割理中,如果裂隙或割理之間可以形成有效溝通,則煤層氣會(huì)通過(guò)滲流最終從煤層中運(yùn)移出來(lái).

      4 顯微組分微裂隙表征

      研究區(qū)15#煤儲(chǔ)層曾經(jīng)歷高溫?zé)嶙冑|(zhì),從而演化至高煤級(jí)煙煤(貧煤)階段,有機(jī)顯微組分中鏡質(zhì)組組分主要為均值鏡質(zhì)體,均質(zhì)鏡質(zhì)體中可見(jiàn)以一定角度尖滅的裂縫及垂直延展裂縫,其次為基質(zhì)鏡質(zhì)體;可見(jiàn)張性裂隙惰質(zhì)組組分主要為半絲質(zhì)體.微裂隙在煤巖有機(jī)顯微組分中的形態(tài)各異,分布廣泛,且在鏡質(zhì)組中的分布無(wú)論從數(shù)量還是范圍都要好于惰質(zhì)組.鏡質(zhì)組中的微裂隙可以順層延展,同時(shí)在其中尖滅;也可以發(fā)育為具一定角度的微裂隙,具有一定溝通能力;同時(shí)可以看到一些由于構(gòu)造作用形成的張性裂隙.有機(jī)顯微組分中的張性微裂隙對(duì)于煤層氣的擴(kuò)散或滲流起到巨大的作用,而壓性微裂隙的存在不僅減少了煤層氣賦存的空間,而且使煤層氣運(yùn)移的路徑減小甚至喪失,因而對(duì)煤儲(chǔ)層的物性不利.[5]均值鏡質(zhì)體中張性微裂隙密度一般高于基質(zhì)鏡質(zhì)體,但往往發(fā)生尖滅是其共同特征.微裂隙在不同組分之間的界面或弱面條件下往往發(fā)生延展,這在一定程度上溝通了不同種組分的聯(lián)系.惰質(zhì)組組分為凝膠后又發(fā)生絲碳化,因而形態(tài)雜亂,往往內(nèi)生裂隙不發(fā)育,且張性裂隙細(xì)小且極易發(fā)生尖滅,對(duì)煤儲(chǔ)層物性極為不利,在該區(qū)煤巖有機(jī)組分中,微裂隙還可呈一定網(wǎng)絡(luò)狀延展.從而大大溝通了基質(zhì)組分及微裂隙的相互聯(lián)系.

      對(duì)于充填礦物,該區(qū)割理主要被脈狀方解石填充,微裂隙可以截穿方解石,也可以在此發(fā)生尖滅,但本區(qū)割理被方解石大規(guī)模填充,是導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率急劇降低的重要原因.[6]其它裂隙往往被毛發(fā)狀伊利石、片狀高嶺石、短柱狀高嶺石填充,這些均可以導(dǎo)致該區(qū)15#煤儲(chǔ)層物性變差.

      5 煤儲(chǔ)層物性

      5.1 壓汞特征分析

      圖2 煤巖壓汞曲線型式

      研究區(qū)煤巖壓汞曲線型式如圖2,Ф值平均為15.5,歪度平均為-2,對(duì)于煤巖來(lái)說(shuō),Ф值偏小,表示大孔多,歪度偏于正值表示煤儲(chǔ)層較好.相較而言,本區(qū)煤儲(chǔ)層主要偏于小孔和納微孔,孔喉配置為微孔-微喉組合,儲(chǔ)層整體而言物性較差.

      5.2 孔滲特征分析

      圖3 煤巖孔隙度分布直方圖

      對(duì)該區(qū)33組15#煤孔滲測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,孔隙度分布直方如圖3,通過(guò)該圖可以看出孔隙度主要分布在9%~15%范圍內(nèi),孔隙度較高.滲透率根據(jù)氣測(cè)數(shù)據(jù)顯示,主要分布范圍為0.001mD~0.22mD,一般認(rèn)為滲透率高于0.5mD的煤儲(chǔ)層較好,相比本區(qū)煤儲(chǔ)層具有較高孔—低滲/特低滲的特征.

      6 討論

      煤巖顯微組分研究可以在微觀上定性分析影響微裂隙發(fā)育的誘因和表征,而物性在宏觀上對(duì)這種表征和控制作用加以佐證.煤巖中微裂隙的發(fā)育受多種地質(zhì)因素綜合作用影響,如構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地應(yīng)力、變質(zhì)程度等,而微裂隙的發(fā)育是煤層在地質(zhì)歷史時(shí)期曾經(jīng)大量生氣的自然結(jié)果,正是在這些內(nèi)因和外因的共同作用下,形成了煤層自身獨(dú)特的疏導(dǎo)體系.煤是凝膠化作用和絲碳化作用的結(jié)果,本區(qū)15#煤為海侵成因,且V/I值高,表明凝膠化作用進(jìn)行的比較徹底,抗擊破碎的強(qiáng)度就比較低,易破碎產(chǎn)生裂隙.在煤層形成后,盆地迅速沉降,煤層中的水分和生物氣得不到快速排出,不斷壓實(shí),在高應(yīng)力下以致煤基質(zhì)發(fā)生破裂,同樣可以產(chǎn)生大量裂隙.在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期,顯微組分生氣能力的關(guān)系為:殼質(zhì)組〉鏡質(zhì)組〉惰質(zhì)組,鏡質(zhì)組具有相當(dāng)可觀的生氣能力,會(huì)產(chǎn)生大量氣體,這些氣體在煤層中會(huì)產(chǎn)生壓力,當(dāng)匯聚到一定程度就會(huì)對(duì)煤層結(jié)構(gòu)造成破壞,形成微裂隙,從而釋放壓力.

      7 結(jié)論

      通過(guò)以上論述可以看出,本區(qū)高煤級(jí)煙煤孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)微孔-微喉型,鏡質(zhì)組中張性微裂隙對(duì)煤層氣擴(kuò)散—滲流起到重要作用,壓性裂隙對(duì)煤層氣的擴(kuò)散作用不大,惰質(zhì)組中內(nèi)生裂隙不發(fā)育.對(duì)于割理充填不嚴(yán)重的中煤級(jí)煙煤,割理為滲流的最主要通道,這在國(guó)外已經(jīng)得到證實(shí).但本區(qū)高煤級(jí)煙煤中割理被脈狀方解石嚴(yán)重充填,這是造成該區(qū)15#煤儲(chǔ)層滲透率呈現(xiàn)低滲—特低滲的主要原因,同時(shí)粘土礦物的填充,也會(huì)造成煤儲(chǔ)層的物性變差,但整體而言本區(qū)15#煤中微裂隙十分發(fā)育.

      [1]王 欣,李忠權(quán),朱德豐.烏爾遜西都斷裂構(gòu)造的挖陷特征[J].四川文理學(xué)院學(xué)報(bào),2011(2):76-78.

      [2]朱 林,周 文,李生福.鎮(zhèn)涇長(zhǎng)8油藏裂縫對(duì)油氣富集的控制作用分析[J].四川文理學(xué)院學(xué)報(bào),2012(2):64-66.

      [3]尹 帥,單鈺銘,王 磊,等.沁水盆地東北部地區(qū)15號(hào)煤儲(chǔ)層物性特征分析[J].地質(zhì)與資源,2013(4):64-67.

      [4]劉洪林,李貴中,王 烽,等.沁水盆地煤層割理系統(tǒng)特征及其形成機(jī)理[J].天然氣工業(yè),2008(3):36-39.

      [5]孟召平,王保玉,謝曉彤,等.煤巖變形力學(xué)特征及其對(duì)滲透率的控制[J].煤炭學(xué)報(bào),2012(8):1342-1347.

      [6]張 慧,李小彥,郝 琦,等.中國(guó)煤的掃描電子顯微鏡研究[M].北京:地質(zhì)出版社,2003:162.

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