基于壓汞及圖像處理技術(shù)的高階煤孔裂隙特征研究

魏江，潘結(jié)南，劉發(fā)義，王凱，翟迎銓，王相龍

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454000；2.山西沁水晉煤集團(tuán) 胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

0 引 言

煤層氣是賦存在煤層中的一種高效、清潔能源，開發(fā)煤層氣對(duì)于國家的能源結(jié)構(gòu)和煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義[1-2]。煤儲(chǔ)層不同于常規(guī)天然氣儲(chǔ)層，它是由孔隙、顯微裂隙和宏觀裂隙組成的三元孔裂隙系統(tǒng)[3]。其中孔隙是煤層氣的主要儲(chǔ)存場所，宏觀裂隙是煤層氣的主要滲流通道，而顯微裂隙則是溝通孔隙與宏觀裂隙的主要橋梁。煤層氣高效開發(fā)的理想儲(chǔ)層應(yīng)是不同孔徑段的孔隙合理分布，而且孔、裂隙連通性較好[4]。因此，對(duì)煤儲(chǔ)層的孔裂隙特征進(jìn)行深入研究，對(duì)于煤層氣的高效開發(fā)具有重要意義。

學(xué)者們采用不同方法對(duì)煤中孔裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究。李月云等[5]采用壓汞法對(duì)阜康礦區(qū)的孔隙形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，阜康礦區(qū)煤層孔隙以微孔和小孔為主，孔容和比表面積較大，有利于煤層氣的吸附和解吸；陶樹等[6]基于核磁共振的方法對(duì)沁水盆地南部煤儲(chǔ)層的孔隙進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，煤儲(chǔ)層孔隙直徑總體較小，大孔徑孔隙比例較少，與常規(guī)測試方法結(jié)果一致。而對(duì)于煤中裂隙的研究方法主要有井下煤巖觀測[7]、手標(biāo)本觀測、顯微鏡觀測[8]和CT掃描法[9-10]等。王生維等[11]采用井下煤巖觀測法,對(duì)成莊礦大裂隙系統(tǒng)的頻率和方向進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析；姚艷斌等[12]采用熒光顯微鏡對(duì)沁水盆地的煤儲(chǔ)層微裂隙的發(fā)育程度和裂隙的形態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，微裂隙非常發(fā)育，且多以寬度小于5 μm，長度小于300 μm的裂隙為主。

沁水盆地南部是我國煤層氣商業(yè)開發(fā)最為成功的地區(qū)，與其他低滲儲(chǔ)層相比，孔隙、割理系統(tǒng)普遍發(fā)育是其煤層氣高產(chǎn)的重要原因，因此，對(duì)沁水盆地的儲(chǔ)層特征進(jìn)行深入研究具有重要意義。本文綜合采用壓汞試驗(yàn)、掃描電鏡和手標(biāo)本描述方法對(duì)沁水盆地南部的煤儲(chǔ)層孔、裂隙發(fā)育特征進(jìn)行研究，以期對(duì)該地區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)提供借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

沁水盆地南部位于山西省的東南部，北部以沁縣、東南西部以盆地邊緣為界(圖1)，總面積約為1 500 km2，區(qū)域構(gòu)造主要發(fā)育NNE向的正斷層，區(qū)內(nèi)褶皺比較發(fā)育，主要為小型向斜及背斜，走向主要為近北東向和近南北向[13-14]。沁水盆地南部含有豐富的煤炭資源，主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，山西組含煤地層厚45～86 m，包括砂巖、泥巖和煤，其中3號(hào)煤層為主要可采煤層，其單層厚度5.3～8.6 m。煤層氣儲(chǔ)量為19×1011m3,是我國煤層氣開發(fā)最具有前景的地區(qū)之一。

圖1 沁水盆地南部構(gòu)造綱要圖及礦區(qū)分布

2 樣品的選擇與試驗(yàn)

本文的研究區(qū)域在沁水盆地南部3號(hào)煤層，綜合考慮煤層埋深、區(qū)塊的分布等條件，分別在晉城礦區(qū)的成莊礦(CZ)、長平礦(CP)、趙莊礦(ZZ)和潞安礦區(qū)的高河礦(GH)采集煤樣，采集礦區(qū)位置如圖1所示。對(duì)煤樣進(jìn)行鏡質(zhì)組反射率Ro測試、顯微組分分析、壓汞孔隙測試、掃描電鏡和手標(biāo)本描述等試驗(yàn)，其中壓汞試驗(yàn)采用AUTOPORE 9505壓汞儀，其加壓0～228.0 MPa，測試孔徑5.5 nm～360 μm，壓汞試驗(yàn)過程參照《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度》(GB/T 21650.1-2008)。掃描電鏡試驗(yàn)利用FEI Quanta 250 場發(fā)射掃描電子顯微鏡，加速電壓為0.02～30 kV，放大倍數(shù)(12～40)萬倍，聚焦工作距離0.1～50 mm，分辨率0.8 nm @ 15 kV，1.6 nm @ 1 kV。鏡質(zhì)組反射率測試和煤巖顯微組分分析采用Zeiss Axio 1 Imager MI光度顯微計(jì)，測定步驟參照GB/T6948-2008即《煤的鏡質(zhì)組反射率顯微鏡測定方法》進(jìn)行，其測定結(jié)果如表1所示。

表1 沁水盆地南部煤樣基礎(chǔ)信息

3 煤孔隙發(fā)育特征

如表1所示，本次所采集的煤樣反射率Ro在1.91%～2.68%間，變質(zhì)程度較高，且區(qū)間變化不大。煤巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主，僅含少量惰質(zhì)組分，不含殼質(zhì)組。所含礦物以黏土類和碳酸鹽礦物為主，宏觀煤巖類型為光亮煤。

許多學(xué)者根據(jù)成因或孔徑對(duì)煤中孔隙的分類提出不同的劃分方案，目前多采用霍多特[15]的劃分方案：微孔(<10 nm)、小孔(≥10～100 nm)、中孔(≥100～1 000 nm)和大孔(≥1 000 nm)。綜合前人的研究成果，把孔隙分為兩類：孔徑小于100 nm的稱為吸附孔，孔徑大于100 nm的稱為滲流孔。氣體在微、小孔中以毛細(xì)管凝結(jié)、物理吸附等方式存在，而在大孔中以層流和紊流形態(tài)進(jìn)行滲透。吸附孔是煤層氣的主要吸附和儲(chǔ)存空間，主要影響煤層氣的賦存和儲(chǔ)存性能，而滲流孔是煤層氣擴(kuò)散和滲流的通道，其發(fā)育程度影響著煤儲(chǔ)層的滲流能力。

3.1 孔容特征

沁水盆地南部不同孔徑段的孔容分布特征見表2。從表2可知，沁水盆地南部煤層的孔容為0.021 9～0.028 4 cm3/g,平均0.024 3 cm3/g。另外還可以看出，微孔的孔容為0.006 5～0.008 7 cm3/g，平均0.007 6 cm3/g，小孔和中孔孔容分布于0.008 1～0.009 7 cm3/g和0.001 2～0.002 5 cm3/g，平均孔容分別為0.008 6 cm3/g和0.001 9 cm3/g，而大孔的孔容為0.004 4～0.007 8 cm3/g，平均0.005 9 cm3/g。圖2為根據(jù)表2繪制的沁水盆地南部煤太孔隙類型和孔容分布。從圖2可以看出，沁水盆地南部煤樣微、小孔的孔容占總孔容的63%～75%，其次為大孔，占總孔容的19%～28%，中孔孔容最不發(fā)育，結(jié)果表明，沁水盆地南部的微小孔最為發(fā)育，中孔和大孔不發(fā)育，說明該地區(qū)的煤儲(chǔ)層對(duì)甲烷有較好的吸附性能，而不利于煤層氣在儲(chǔ)層中的運(yùn)移。

表2 不同孔徑段孔容分布

圖2 沁水盆地南部煤樣孔隙類型和孔容分布

3.2 孔隙比表面積特征

假設(shè)煤中孔隙為圓柱形孔，從孔容分布可以導(dǎo)出比表面積分布，根據(jù)Rootare和prenzlow的研究，借助孔模型就可以從壓力/體積曲線中計(jì)算出進(jìn)汞的比表面積，表3為沁水盆地南部煤樣的比表面積分布。

由表3可知，該地區(qū)不同煤礦的孔隙比表面積在5.159～6.265 m2/g間，平均為5.557 m2/g。微孔比表面積為3.517～4.469 m2/g，平均比表面積為3.876 m2/g，而小孔和中孔的比表面積為1.51～1.753 m2/g和0.022～0.037 m2/g，平均為1.646 m2/g和0.027 m2/g，大孔比表面積為0.003～0.016 m2/g，平均為0.007 3 m2/g。另外，從圖3可以看出，沁水盆地南部煤樣微孔和小孔的比表面積最為發(fā)育，而中孔和大孔不發(fā)育，其中，長平礦煤樣的總孔比表面積最大，趙莊礦次之，高河礦和成莊礦最小。研究結(jié)果表明,沁水盆地南部煤層的吸附孔發(fā)育，滲流孔不發(fā)育，其孔隙類型導(dǎo)致研究區(qū)煤層吸附能力較強(qiáng)而滲流能力較弱。

表3 不同孔徑段比表面積分布

圖3 沁水盆地南部煤樣的不同孔比表面積分布

3.3 孔隙的形貌特征

按照發(fā)育形態(tài)將煤的儲(chǔ)存空間類型分為孔隙和裂隙，作為煤層氣重要的儲(chǔ)存空間和滲流通道，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)類型和發(fā)育特征具有重要研究意義。本次研究中，利用FEI Quanta 250 場發(fā)射掃描電子顯微鏡分別對(duì)成莊礦、高河礦和趙莊礦20余件煤樣表面孔隙、裂隙進(jìn)行了定性觀察和分析。結(jié)合前人研究成果，煤中孔隙可根據(jù)成因分為組織孔、氣孔、礦物溶蝕孔、礦物鑄?？譡16-17]。

如圖4(a)和(e)所示，組織氣孔主要是植物殘余細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的孔隙，植物組織孔主要發(fā)育在鏡質(zhì)體和絲炭體中，圖4中組織孔的直徑接近于6 μm。觀察到的氣孔一般呈圓形或橢圓形等，連通性好，其孔徑大小為6～7 μm。鑄模孔多為黏土礦物充填后脫落形成的漏斗狀孔。在方解石等碳酸鹽礦物中發(fā)現(xiàn)大量溶蝕孔，孔徑為納米級(jí)至微米級(jí)。

圖4 孔隙類型發(fā)育情況

4 煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育特征

4.1 亞微觀裂隙特征

裂隙是煤層氣的主要運(yùn)移通道，其發(fā)育程度對(duì)于煤儲(chǔ)層滲透率有重要的影響。以往許多學(xué)者對(duì)于儲(chǔ)層裂隙研究大多集中在宏觀尺度和顯微尺度，但對(duì)介于宏觀尺度和顯微尺度間的亞微觀尺度卻很少研究。本試驗(yàn)把采自沁水盆地南部的煤樣根據(jù)GB/T 16773-2008，即《煤巖分析樣品制備方法》制成約50 mm×50 mm的煤巖光片，并對(duì)煤巖光片進(jìn)行水力拋光，隨后使用立體顯微鏡對(duì)煤巖光片的裂隙進(jìn)行觀察和拍攝，可以觀察到10 μm以上開度的裂隙，并對(duì)所獲取的裂隙原始圖片使用image-proplus軟件對(duì)其進(jìn)行二值化處理，圖5為煤樣裂隙的二值化圖像。采用image-pro plus軟件對(duì)裂隙的面密度、張開度等裂隙參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，裂隙的連通性對(duì)于煤層的滲透性具有重要的影響，本試驗(yàn)把裂隙的連通性定義為煤樣裂隙交叉點(diǎn)的總數(shù)與煤樣的橫截面面積的比值，表4為煤樣裂隙參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表4 不同礦區(qū)煤樣的裂隙參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖5 不同煤樣裂隙二值化圖像

圖6是根據(jù)表4繪制的內(nèi)、外生裂隙分布直方圖。從圖6可以看出，4個(gè)礦區(qū)的煤樣裂隙發(fā)育程度差異性很大。整體上，內(nèi)生隙發(fā)育，而外生裂隙不甚發(fā)育，證明試驗(yàn)所用煤樣受構(gòu)造作用微小，可排除構(gòu)造對(duì)本次研究煤樣孔裂隙特征的影響。4個(gè)不同礦區(qū)的煤樣內(nèi)生裂隙面密度從小到大分別為成莊礦、高河礦、長平礦和趙莊礦。此外，裂隙的張開度對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率有重要的影響，煤儲(chǔ)層滲透率與裂隙張開度的三次方成正比[18]，從表4可以看出，4個(gè)礦區(qū)的煤樣裂隙張開度為87.90～154.54 μm，張開度最大的為趙莊礦，其次為長平礦和成莊礦，最小的為高河礦。從圖1中礦區(qū)的位置分布可以看出，對(duì)于裂隙張開度，整體上沁水盆地南部煤樣的裂隙張開度大于北部的裂隙張開度，這可能與沁水盆地從南到北煤層埋深逐漸加大有關(guān)，隨著煤層埋深的加大，上覆巖層壓力越來越大，裂隙在上覆巖層壓力的作用下，裂隙逐漸被壓實(shí)，直至閉合，導(dǎo)致裂隙的張開度越來越小。根據(jù)裂隙張開度與儲(chǔ)層滲透率的關(guān)系，4個(gè)礦區(qū)煤樣的儲(chǔ)層滲透率從小到大依次為高河礦、成莊礦、長平礦和趙莊礦。

圖6 不同煤樣內(nèi)外生裂隙分布直方圖Fig.6 Histogram of endogenous or exogenous fracture distribution in different coal samples

4.2 顯微裂隙特征

孔隙是煤層氣主要儲(chǔ)存空間，宏觀裂隙是煤層氣主要滲流通道，而顯微裂隙則是溝通孔隙與宏觀裂隙的主要橋梁，顯微裂隙的發(fā)育程度對(duì)煤層氣的勘探開發(fā)具有重要意義。因此，本試驗(yàn)利用掃描電鏡對(duì)4個(gè)礦區(qū)煤樣的新鮮斷面進(jìn)行拍攝，對(duì)顯微裂隙的形態(tài)和發(fā)育程度等進(jìn)行研究。圖7(a)為高河礦的裂隙掃描電鏡圖像，從圖7可以看出，其主要發(fā)育樹枝狀的張裂隙，裂隙張開度約為1.27 μm，裂隙局部被硅酸鹽礦物所充填，且兩條裂隙的交叉處充填有碎屑。從圖7(b)可以看出，趙莊礦發(fā)育單條張裂隙，裂隙張開度約為5.2 μm，其開度顯著大于高河礦的微裂隙，且裂隙基本沒有被礦物所充填，表明其儲(chǔ)層滲透性較好，這與上述亞微觀尺度研究所得的結(jié)論一致，另外，從圖7(c)可以看出，長平礦發(fā)育一組呈X狀的共軛剪裂隙，且其裂隙面比較粗糙，可能是在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下外力作用形成的，其裂隙張開度約為0.9 μm，其張開度明顯小于趙莊礦和高河礦的，導(dǎo)致其滲透率較低。圖7(d)為成莊礦的裂隙掃描電鏡圖像，成莊礦主要發(fā)育單條張裂隙，裂隙張開度約為3.63 μm，與高河礦和成莊礦的顯微裂隙相比，其張開度較大，但由于裂隙大部分被黏土礦物所充填，可能會(huì)導(dǎo)致其滲透率顯著下降。

圖7 不同煤樣裂隙掃描電鏡圖像

5 結(jié) 論

(1)沁水盆地南部的微、小孔比較發(fā)育，中孔和大孔不發(fā)育，表明研究區(qū)儲(chǔ)層有利于煤層氣的吸附，有較高的煤層氣含量但滲流效果不是非常理想，需要借助水力壓裂等手段進(jìn)行生產(chǎn)。

(2)對(duì)沁水盆地南部煤樣的孔隙類型形貌特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)孔隙類型大多為組織孔、氣孔、礦物溶蝕孔和礦物鑄?？?。

(3)從亞微觀層面對(duì)沁水盆地南部的裂隙進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其大多發(fā)育內(nèi)生裂隙，外生裂隙很少發(fā)育，通過裂隙的張開度對(duì)4個(gè)礦區(qū)的儲(chǔ)層滲透率進(jìn)行了評(píng)估，滲透率數(shù)值按從小到大依次為高河礦、成莊礦、長平礦和趙莊礦。