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第38卷第3期煤 炭 学 报Vol.38 No.3 2013年3月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYMar. 2013 文章编号:0253-9993(2013)03-0441-07不同煤储层条件下煤岩微孔结构及其对煤层气开发的启示范俊佳1,2,琚宜文3,柳少波2,李小诗3(1.北京大学地球与空间科学学院,北京 100871;2.中国石油勘探开发研究院提高石油采收率国家重点实验室,北京 100083;3.中国科学院计算地球动力学重点实验室地球科学学院中国科学院研究生院,北京 100049)摘 要:在现场宏观观测的基础上,采用显微镜下观测、镜质组反射率测试及低温氮吸附方法,对沁水盆地和淮北煤田不同矿区煤岩的变质变形作用与微孔结构特征进行了深入研究。结果表明:高变质强变形—较强变质煤储层(Ⅰ类)和中变质较强变形煤储层(Ⅲ类)有利于煤层气的富集,不利于煤层气的扩散和渗流;高变质弱变形煤储层(Ⅱ类)和中变质弱变形煤储层(Ⅳ类)较有利于煤层气的富集,也有利于煤层气的渗流;低变质强变形煤储层(V类)有利于煤层气的富集,但不利于煤层气的解吸和渗流。由此,沁水盆地南部及淮北煤田中南部是煤层气勘探开发的有利区域。关键词:煤储层;微孔结构;煤层气;变质作用;变形作用中图分类号:P618.11 文献标志码:A收稿日期:2012-02-22 责任编辑:韩晋平 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2009CB219601);国家自然科学基金资助项目(40972131,41030422) 作者简介:范俊佳(1984—),女,山西忻州人,博士研究生。E-mail:lannyfan@163.com。通讯作者:琚宜文(1963—),男,教授,博士生导师。E-mail:juyw03@163.comMicroporestructureofcoalsunderdifferentreservoirconditionsanditsimplicationforcoalbedmethanedevelopmentFANJun-Jia1,2,JUYi-wen3,LIUShao-bo2,LIXiao-shi3(1.SchoolofEarthandSpaceSciences,PekingUniversity,Beijing 100871,China;2.StateKeyLaboratoryofEnhancedOilRecovery,ResearchInstituteofPe-troleumExplorationandDevelopment,Beijing 100083;3.KeyLaboratoryofComputationalGeodynamics,ChineseAcademyofSciences,CollegeofEarthSci-ence,GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing 100049,China)Abstract:ThispaperanalysedmicroporestructureofcoalsamplesfromcoalminesofQinshuibasinandHuaibeicoalfieldbyusingmicro-macroscopicobservation,Rotesting,andlowtemperaturenitrogenadsorptionmethod.Resultsindicatethattherearefivedifferentcoalreservoirtypesinthestudyareas.Highgrademetamorphicandrelativelystrongtostrongdeformedcoalreservoir(typeI)andmediumgrademetamorphicandrelativelystrongdeformedcoalreservoir(typeIII)arefavourableforcoalbedmethane(CBM)accumulation,butdisadvantageoustoCBMseepage;highgrademetamorphicandrelativelyweakdeformedcoalreservoir(typeII)andmediumgrademetamorphicandrel-ativelyweakdeformedcoalreservoir(typeIV)areadvantageoustoCBMaccumulationandseepage;lowgrademeta-morphicandstrongdeformedcoalreservoir(typeV)isfavourableforCBMaccumulation,butnotadvantageoustoCBMdesorptionandseepage.Consequently,southernpartofQinshuibasinandsouth-centralofHuaibeicoalfieldarepotentialareasforcoalbedmethaneexplorationanddevelopment.Keywords:coalreservoir;microporestructure;coalbedmethane;deformation;metamorphism 煤岩作为煤层气的储集层,其孔隙-裂隙系统不仅是煤层气的赋存空间,也是煤层气的运移通道[1-2]。我国华北地区含煤盆地石炭-二叠系煤炭资源丰富,煤层厚度大,分布广,煤层气资源丰富,是煤层气勘探开发的有利区域。煤层气的开采过程是解吸—扩散—渗流的过程,最为关键的因素就是含气量煤 炭 学 报2013年第38卷和渗透率,含气量的多少决定着是否有足够的煤层气可供开采,渗透率的高低决定着能否将煤层气以工业气流的形式开采出来[3-4]。这两个因素与煤储层的孔隙结构密切相关。在不同的温压条件下,煤储层会发生不同程度的变质与变形作用,并对煤岩微孔结构产生不同的影响。变质作用与煤储层对煤层气的吸附量有密切的关系[5-6],随着变质程度的增高,煤层对煤层气的吸附量总体上呈增高的趋势,这也是中高阶煤煤层气含量较高的重要原因。此外,一定程度的变形作用可引起煤储层构造裂隙的形成,这有利于煤层气的渗流,但变形程度强烈,裂隙过于发育,会造成煤层气的逸散,使其难以保存。位于我国华北陆块的沁水盆地和淮北煤田石炭-二叠系煤炭资源丰富,近年来煤层气的勘探开发取了较大的进展。沁水盆地处于区域构造和深部作用的过渡带,构造变形不强,但受到了明显的岩浆-热作用,煤储层变质程度较强,变形程度较弱。而淮北煤田构造变形较强,岩浆-热作用活跃,区域内煤储层变形程度较强,不同变质程度的煤岩均有发育,体现了构造作用与热力作用的叠加[7-10]。本文基于前期对沁水盆地和淮北煤田不同变质变形煤储层特征及孔隙结构的研究[8],进一步研究了该区不同变质变形煤储层微孔结构及其对煤层气开发的意义。1 地质背景沁水盆地位于华北陆块内部太行隆起带和吕梁隆起带之间,构造上属于吕梁-太行断块上最大的次级构造单元———沁水块坳,是我国煤层气勘探开发程度最高、煤层气储量最为丰富的地区之一。其北至五台山隆起带、东与太行山隆起———中生代以来先褶后断的抬升区相邻、南以中条山为界、西与吕梁山相邻,沁水盆地呈轴向为NNE-SSW的复向斜构造(图1)。图1 研究区构造纲要图(据文献[8,11-12]修改)Fig.1 Structuraloutlinemapofthestudyarea(modifiedafterReference[8,11-12])1—寿阳黄丹沟煤矿;2—沁源沁新煤矿;3—潞安漳村煤矿;4—沁水老木峰煤矿;5—晋城寺河煤矿;6—晋城成庄煤矿;7—晋城王台铺煤矿;8—淮北芦岭煤矿;9—淮北祁南煤矿;10—淮北临涣煤矿;11—淮北海孜煤矿;12—淮北石台煤矿 相对周缘构造单元而言,沁水盆地较稳定,变形强度由盆缘向盆内逐渐减弱;边缘断层多为逆冲性质,尤其是东西两侧边缘分别向外侧逆冲,显示了水平挤压的特征。同时,盆地内还发育了不同程度的正断层及一系列小型褶皱。因而,煤层气的赋存、富集程度差异较大,充分体现了构造对煤层气成藏的控制作用[7-8]。淮北煤田位于华北陆块东南部的徐淮坳陷,夹持于近东西向的丰沛隆起和蚌埠隆起之间,其北至鲁西断隆北部,以利国-台儿庄断裂为界;东以郯庐断裂与胶辽台隆和下扬子台褶带相邻;南至抵蚌埠隆起与淮南煤田相隔;西以夏邑-阜阳断裂与华北坳陷相隔[10]。淮北煤田区内煤及煤层气资源丰富,构造格局具有南北分异、东西分带的特征,其主体部分为徐宿弧形双冲叠瓦扇逆冲断层系统,近EW向和NNE-NE向断裂构造及轴向为NS-NNE和EW向的褶皱构造发育。断裂多呈铲式,上陡下缓,褶皱则多为开阔短轴型[13](图1)。2 样品采集与研究方法为揭示不同变质变形系列煤储层的孔隙结构特244第3期范俊佳等:不同煤储层条件下煤岩微孔结构及其对煤层气开发的启示征,对沁水盆地及淮北煤田不同构造单元的12对矿井进行了井下观测和样品系统采集。考虑到不同程度的构造作用和岩浆活动对样品的影响,本文采集了具有代表性煤岩样品27块,分别进行了宏观与光学显微镜观测、镜质体反射率与孔隙度测试及低温氮吸附实验,结合煤储层宏观变质变形特征,综合前人提出的不同构造变形机制构造煤的结构-成因分类方案[12,14-16],对研究区变形煤样进行了系统的描述与分类。镜质组(油浸)反射率测试在中国地质大学(北京)材料物理实验室进行。选取代表性样品磨制煤岩光片,采用MPV-3显微光度计在浸油物镜下测试,每个样品统计50个点以上,通过电算求取其平均反射率。低温氮吸附试验在北京理化实验分析中心进行,将样品粉碎至1.2464~1.1473mm,去除大部分矿物,干燥后进行低温氮吸附试验。使用的仪器为美国康塔公司生产的NOVA4200e比表面及孔隙度分析仪,分析系统所用的气体为氮气,分析温度为液氮的温度(77K)。首先对样品进行干燥和脱气处理,在烘箱内对样品进行干燥,温度为60℃,时间2h;其后对样品进行真空加热脱气处理,温度为70℃,时间12h;最后进行吸脱附等温线测试。由于纳米级孔隙是煤体吸附的主要空间,利用低温氮吸附法测试煤中纳米级孔隙,测出的孔径为1~100nm,可测出的最小孔隙直径不到1nm,因而有利于了解煤的微孔结构。由于氮气是惰性气体,且低温氮吸附法是在液氮的温度下进行,故不易发生化学吸附,所以低温氮吸附法在测定孔隙方面具有广泛的应用前景[16]。在煤岩样品的宏、微观观测的基础上,根据其变质变形特征将研究区煤岩样品分为5种类型[8],即:高变质较强—强变形程度煤储层(Ⅰ类),高变质较弱变形程度煤储层(Ⅱ类),中变质较强变形程度煤储层(Ⅲ类),中变质较弱变形程度煤储层(Ⅳ类)及低变质强变形程度煤储层(Ⅴ类)。利用低温氮吸附测试获得原始数据后,分别用BET法、BJH法和DFT法计算孔容、孔径分布和比表面积。可测量煤中孔径最小达1nm的超微孔,测试结果见表1。表1 不同变质变形煤特征及孔隙基本特征参数Table1 Characterizationandporestructureparametersofdifferentmetamorphicanddeformedcoals变质类型变形类型储层类型煤岩样品号采样地点地层煤层号Ro/%变形类型累计孔比表面积/(m2·g-1)BET法BJH法DFT法累计孔容/(mm3·g-1)BJH法DFT法平均孔径/nm高变质强—较强I较弱IILHM05淮北临涣矿P93.01鳞片煤5.0803.1013.44816.75613.96911.51HZM10淮北海孜矿P82.62揉皱煤2.8401.0991.8287.3225.71911.51HZM08淮北海孜矿P82.62揉皱煤1.2400.5380.6681.5470.91
本文标题:不同煤储层条件下煤岩微孔结构及其对煤层气开发的启示
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