煤岩演化程度对煤储层孔裂隙结构的控制作用

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2019.016

现代地质 ›› 2020, Vol. 34 ›› Issue (02): 273-280.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2019.016

煤岩演化程度对煤储层孔裂隙结构的控制作用

樊祺章¹^,²(), 蔡益栋¹^,²(), 贝金翰¹^,², 王玮昊¹^,², 张学英³

1.中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083
2.煤层气开发利用国家工程中心煤储层实验室,北京 100083
3.中国石油华北油田分公司,河北任丘 062552

收稿日期:2018-04-03 修回日期:2019-10-20 出版日期:2020-05-25 发布日期:2020-05-25
通讯作者: 蔡益栋
作者简介:蔡益栋,男,副教授,博士研究生导师,1985年出生,矿产普查与勘探专业,主要从事煤层气地质与开发研究。Email: yidong.cai@163.com。
樊祺章,男,硕士研究生,1997年出生,地质工程专业,主要从事煤层气地质与开发研究。Email: qizhangfan@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(41602170)

Pore and Fracture Structure of Coal Reservoir Constrained by Coal Metamorphism

FAN Qizhang¹^,²(), CAI Yidong¹^,²(), BEI Jinhan¹^,², WANG Weihao¹^,², ZHANG Xueying³

1. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2. Coal Reservoir Laboratory of National Engineering Research Center of Coalbed Methane Development & Utilization, Beijing 100083, China
3. Huabei Oilfield Company, PetroChina, Renqiu,Hebei 062552, China

Received:2018-04-03 Revised:2019-10-20 Online:2020-05-25 Published:2020-05-25
Contact: CAI Yidong

摘要/Abstract

摘要：

为研究煤岩演化程度对孔裂隙结构发育的影响,运用压汞、低温氮吸附/解吸、镜质组反射率测试和SEM、荧光显微观察等手段,分析煤岩变质程度对孔隙度、BET比表面积、BJH总孔体积、裂隙结构和密度等的影响。结果表明:随变质程度升高,煤岩孔隙度呈先增大后减小再略微增大的波动变化特征;微孔占比随煤岩镜质组反射率升高呈“U”形变化特征,小孔占比变化与之相反;煤岩BET比表面积和BJH总孔体积均随煤级升高呈“U”形变化特征;中高变质程度煤岩中B、C、D型裂隙密度随煤级的升高都呈“U”形变化,并在R_o,m=1.1%左右出现最小值,裂隙密度下降阶段中D型裂隙密度降低最快。结合镜质组反射率分析发现,煤岩孔(裂)隙的发育与煤岩演化的4次跃变有着密切关系。

关键词: 煤, 变质程度, 孔隙, 微裂隙

Abstract:

To study the effects of coal metamorphism on the structure of pores and fractures, mercury intrusion porosimetry, low temperature nitrogen adsorption/desorption, vitrinite reflectance test, scanning electron microscopic (SEM) analysis, and fluorescence microscopy observation, were conducted to investigate the influence of coal metamorphic degree on porosity, Brunauer-Emmett-Teller (BET) specific surface area, Barrett-Joyner-Halenda (BJH) total pore volume and fracture structure and density. The results indicate that with increasing coal metamorphism, the coal porosity increases first and then decreases, and finally increases slightly. Micropore volume (<10 nm) shows a U-shaped change with the increase of vitrinite reflectance, and small pores show an inverted U-shaped trend. The BET specific surface area, BJH total pore volume, and fracture density (fracture type B, C, and D) of medium- to high-grade metamorphosed coal have the same U-shaped trend. However, for type B, C, and D facture density of medium- to high-grade metamorphosed coal, the minimum values occur near R_o,m=1.1%, and the fracture density reduction of type D fractures is highest when the fracture density decreases. Integrated with the results of vitrinite reflectance, the pore and fracture development are closely related to the four abrupt changes of the coal metamorphism.

Key words: coal, metamorphic degree, pore, microscopic fracture

中图分类号:

P618.11

樊祺章, 蔡益栋, 贝金翰, 王玮昊, 张学英. 煤岩演化程度对煤储层孔裂隙结构的控制作用[J]. 现代地质, 2020, 34(02): 273-280.

FAN Qizhang, CAI Yidong, BEI Jinhan, WANG Weihao, ZHANG Xueying. Pore and Fracture Structure of Coal Reservoir Constrained by Coal Metamorphism[J]. Geoscience, 2020, 34(02): 273-280.

图/表 9

图1 煤岩样品孔隙扫描电镜照片 (a)样品HRC3,气孔;(b)样品MRC9,多种孔分布;(c)样品HRC1,气孔,有裂隙伴生;(d)样品MRC7,植物组织孔;(e)样品HRB2,拉长的气孔;(f)样品MRA3,晶间孔

Fig.1 Scanning electron microscope (SEM) photographs of pores in the coal samples

图2 煤岩变质程度与孔隙度关系曲线

Fig.2 Curve showing influence of coal metamorphic degree on porosity

图3 不同煤阶煤典型压汞曲线特征 (a)样品HRB2;(b)样品HRB3;(c)样品HRC4;(d)样品MRA1;(e)样品MRA2;(f)样品MRA3

Fig.3 Typical mercury pressure curves for coals in different ranks

表1 不同煤阶低温液氮吸附实验数据

Table 1 Experimental data of low temperature-nitrogen adsorption for different ranks of coal samples

样品	产地	R_o,m /%	中孔占比 /%	小孔占比 /%	微孔占比 /%	BET比表面积/ (m²/g)	BJH总孔体积/ (ml/g)
MRC1	大同	0.60	9.6	35.5	54.9	1.847	0.005 9
MRC2	谢桥	0.73	14.3	44.8	40.9	1.062	0.004 8
MRC3	大同	0.79	18.2	46.4	35.4	0.564	0.002 7
MRC4	大同	0.80	06.3	15.1	78.6	1.888	0.003 8
MRC5	淮南	0.81	20.1	66.2	13.7	0.601	0.003 8
MRC6	淮南	0.87	0	87.1	12.9	0.249	0.001 0
MRC7	平顶山	0.90	12.8	27.8	59.4	1.431	0.002 9
MRC8	淮南	0.94	37.5	58.1	4.4	0.223	0.001 4
MRC9	淮南	0.99	48.7	44.1	7.2	0.297	0.001 5
MRA1	沁水	1.70	32.0	61.0	7.0	0.241	0.001 0
MRA2	安鹤	1.70	47.3	52.7	0	0.115	0.001 1
MRA3	安鹤	1.90	24.4	67.2	8.4	0.394	0.002 9
HRC1	淮北	2.05	25.9	65.9	8.2	0.563	0.002 9
HRC2	沁水	2.20	0	93.8	6.3	0.189	0.000 5
HRC3	沁水	2.60	0	50.0	50.0	0.307	0.001 2
HRC4	焦作	2.90	63.1	28.1	8.8	0.339	0.001 6
HRB1	永夏	3.00	56.3	29.6	14.1	0.196	0.000 7
HRB2	沁水	3.20	0	100.0	0	2.145	0.000 3
HRB3	永夏	3.20	50.0	50.0	0	0.042	0.000 4
HRB4	焦作	3.70	6.7	35.3	58.0	4.697	0.007 4
HRA1	焦作	4.00	10.8	65.4	23.8	0.977	0.003 7
HRA2	焦作	4.10	24.4	75.6	0	0.271	0.000 8
HRA3	焦作	4.20	19.6	70.9	9.5	0.331	0.003 2
HRA4	荥巩	4.20	15.0	69.5	15.5	3.701	0.011 4
HRA5	荥巩	4.30	42.1	44.2	13.7	0.187	0.000 9

图4 煤岩变质程度与孔隙占比关系

Fig.4 Relationship between coal metamorphism and the ratio of different pore size classes

图5 煤岩变质程度与低温液氮吸附实验关系 (a)煤岩变质程度与BET比表面积关系;(b)煤岩变质程度与BJH总孔体积关系

Fig.5 Relationships between coal metamorphic degree and result of adsorption experiment of low temperature nitrogen

表2 煤岩显微裂隙类型划分及形态

Table 2 Classification and morphology of microscopic fractures of coal samples

裂隙类型	宽度 /μm	长度 /mm	形态
A型	≥5	≥10	较大的微裂隙,连续性好,延伸远
B型	≥5	<10	树枝状裂隙的树干部分
C型	<5	≥0.3	树枝状裂隙的树枝或树杈部分
D型	<5	<0.3	呈树枝状,方向性和连通性差

图6 不同显微裂隙显微镜下荧光照片 (a)MRC8,A、C型裂隙,63×;(b)MRC6,B型裂隙,63×;(c)MRA1,C型裂隙,250×;(d)MRA2,D型裂隙,63×;(e)HRC1,B、C型裂隙,63×;(f)HRC2,C、D型裂隙,63×

Fig.6 Fluorescence microscopic photos of different microscopic fractures

图7 煤岩变质程度与显微裂隙密度关系

Fig.7 Relationships between coal metamorphic degree and the density of microscopic fractures

参考文献 22

[1]	刘大锰, 李俊乾. 我国煤层气分布赋存主控地质因素与富集模式[J]. 煤炭科学技术, 2014,42(6):19-34.
[2]	姚艳斌, 刘大锰, 汤达祯, 等. 华北地区煤层气储集与产出性能[J]. 石油勘探与开发, 2007,34(6):664-668.
[3]	刘大锰, 姚艳斌, 蔡益栋, 等. 煤层气储层地质与动态评价研究进展[J]. 煤炭科学技术, 2010,38(11):10-16.
[4]	许浩, 汤达祯, 唐书恒, 等. 鄂尔多斯盆地西部侏罗系煤储层特征及有利区预测[J]. 煤田地质与勘探, 2010,38(1):26-28.
[5]	YAO Yanbin, LIU Dameng, TANG Dazhen, et al. Fractal characterization of seepage-pores of coals from China: an investigation on permeability of coals[J]. Computers & Geosciences, 2009,35(6):1159-1166.
[6]	张小东, 刘炎昊, 桑树勋, 等. 高煤级煤储层条件下的气体扩散机制[J]. 中国矿业大学学报, 2011,40(1):43-48.
[7]	CAI Yidong, LIU Dameng, PAN Zhejun, et al. Pore structure and its impact on CH₄ adsorption capacity and flow capability of bituminous and subbituminous coals from northeast China[J]. Fuel, 2013,103:258-268.
[8]	OKOLO G N, EVERSON R C, NEOMAGUS H W, et al. Comparing the porosity and surface areas of coal as measured by gas adsorption,mercury intrusion and SAXS techniques[J]. Fuel, 2015,141:293-304.
[9]	姚艳斌, 刘大锰. 煤储层孔隙系统发育特征与煤层气可采性研究[J]. 煤炭科学技术, 2006,34(3):64-68.
[10]	姚艳斌, 刘大锰, 汤达祯, 等. 沁水盆地煤储层微裂隙发育的煤岩学控制机理[J]. 中国矿业大学学报, 2010,39(1):6-12.
[11]	马火林, 汪剑, 王文娟, 等. 构造煤煤层气及裂隙的测井响应和敏感参数分析:以沁水盆地郑庄地区为例[J]. 现代地质, 2015,29(1):171-178.
[12]	黄兆辉, 邹长春, 杨玉卿, 等. 沁水盆地南部TS地区煤层气储层测井评价方法[J]. 现代地质, 2012,26(6):1275-1282.
[13]	李松, 汤达祯, 许浩, 等. 应力条件制约下不同埋深煤储层物性差异演化[J]. 石油学报, 2015,36(1):68-75.
[14]	张建勋, 王有志. 构造作用对煤岩孔隙结构及煤层气扩散方式的影响[J]. 非常规油气, 2017,4(2):40-48.
[15]	CHENG Yue, TANG Dazhen, XU Hao, et al. Pore and fracture characteristics of different rank coals in the eastern margin of the Ordos Basin, China[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering, 2015,26:1264-1277.
[16]	刘大锰, 姚艳斌, 蔡益栋, 等. 华北石炭—二叠系煤的孔渗特征及主控因素[J]. 现代地质, 2010,24(6):1198-1203.
[17]	唐书恒, 蔡超, 朱宝存, 等. 煤变质程度对煤储层物性的控制作用[J]. 天然气工业, 2008,28(12):30-33.
[18]	ХOДOT B B. 煤与瓦斯地质[M] .宋士钊,王佑安,译. 北京: 中国工业出版社, 1966: 19-28.
[19]	赵兴龙, 汤达祯, 徐浩, 等. 煤变质作用对煤储层孔隙系统发育的影响[J]. 煤炭学报, 2010,35(9):1506-1511.
[20]	张凯, 汤达祯, 陶树, 等. 不同变质程度煤吸附能力影响因素研究[J]. 煤炭科学技术, 2017,45(5):192-197.
[21]	陈跃, 汤达祯, 田霖, 等. 煤变质程度对中低阶煤储层孔隙发育的控制作用[J]. 天然气地球科学, 2017,28(4):611-621.
[22]	刘大锰, 李振涛, 蔡益栋. 煤储层孔-裂隙非均质性及其地质影响因素研究进展[J]. 煤炭科学技术, 2015,43(2):10-15.

煤岩演化程度对煤储层孔裂隙结构的控制作用

Pore and Fracture Structure of Coal Reservoir Constrained by Coal Metamorphism

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[1]	李东升, 高平, 盖海峰, 刘若冰, 蔡益栋, 李刚, 周秦, 肖贤明. 川东南地区龙马溪组页岩有机质纳米孔隙结构表征[J]. 现代地质, 2023, 37(05): 1293-1305.
[2]	张金晴, 李贤庆, 张博翔, 张学庆, 杨经纬, 于振锋. 沁水盆地武乡区块上古生界煤系页岩气储层孔隙特征和孔隙结构[J]. 现代地质, 2022, 36(06): 1551-1562.
[3]	李庆, 李江山, 卢浩, 齐奉强, 何羽, 安可钦, 李隆禹, 张厚民, 伍岳. 鄂尔多斯盆地南部长7₃页岩层系储层特征及主控因素[J]. 现代地质, 2022, 36(05): 1254-1270.
[4]	漆洋, 吕春研, 王宇慧, 唐书恒, 郗兆栋. 生物地层格架下湘西北地区五峰组—龙马溪组孔隙结构特征[J]. 现代地质, 2022, 36(05): 1292-1303.
[5]	王志昊, 赵建华, 蒲秀刚, 刘可禹, 李俊乾, 程斌. 页岩油岩心样品洗油实验效率对比分析[J]. 现代地质, 2022, 36(05): 1304-1312.
[6]	李二庭, 马万云, 李际, 马新星, 潘长春, 曾立飞, 王明. 准噶尔盆地南缘侏罗系煤生烃热模拟实验研究[J]. 现代地质, 2022, 36(05): 1313-1323.
[7]	魏永恒, 葛燕燕, 王刚, 王文峰, 田继军, 李鑫, 吴斌, 张晓. 新疆库拜煤田铁列克矿区地应力分布及其对煤层气开发的影响[J]. 现代地质, 2022, 36(05): 1324-1332.
[8]	翟佳宇, 张松航, 唐书恒, 郭慧秋, 刘冰, 纪朝琪. 云南老厂雨汪煤层气区块气水成因及产能响应[J]. 现代地质, 2022, 36(05): 1341-1350.
[9]	李金龙, 李倩, 蔡益栋, 陈伟, 陈志柱, 王坚, 薛晓辉. 云南老厂矿区煤层气储层地质条件及其资源潜力[J]. 现代地质, 2022, 36(05): 1351-1359.
[10]	闫涛滔, 郭怡琳, 孟艳军, 常锁亮, 金尚文, 康丽芳, 付鑫宇, 王青青, 赵媛, 张宇. 基于煤层气井生产数据的储层含气量校正新方法[J]. 现代地质, 2022, 36(05): 1360-1370.
[11]	赵永强, 苏思羽, 蒲仁海, 姚威, 季天愚. 塔里木盆地西南地区石炭系煤系烃源岩识别与分布特征[J]. 现代地质, 2022, 36(05): 1371-1381.
[12]	姜秉仁, 邓恩德, 韩明辉, 马子杰. 黔西北地区石炭系祥摆组页岩微观孔隙结构及分形特征[J]. 现代地质, 2022, 36(04): 1065-1073.
[13]	崔维平, 杨玉卿, 刘建新. 基于岩性相单元和孔隙结构的低孔低渗储层有效性测井识别方法:以西湖凹陷NB1构造为例[J]. 现代地质, 2022, 36(01): 140-148.
[14]	杨毅, 张恒荣, 袁伟, 杨冬, 胡德胜. 常规砂岩与砂砾岩分形特征对比及成因分析:以乌石凹陷X构造流沙港组为例[J]. 现代地质, 2022, 36(01): 149-158.
[15]	谢莹峰, 陆敬安, 匡增桂, 康冬菊, 王通, 蔡慧敏. 南海神狐海域水合物三相混合层测井评价方法研究[J]. 现代地质, 2022, 36(01): 182-192.