大庆探区煤岩孔隙结构特征及其地质意义

王有智，卢 曦

(大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712)

煤岩是一种复杂的多孔介质，其孔隙结构特征对煤层气的吸附能力和渗流行为的控制作用受到广泛关注［1－4］。煤岩的多孔性其作为储层具有储气和允许煤层气解吸、扩散和渗流的能力。因此，研究煤岩储层 (煤储层)中孔隙结构特征对煤层气的勘探开发和可采性评价具有非常重要的意义。煤岩储层微观孔隙结构的非均质性较强，定量评价煤岩储层孔隙结构的复杂程度比较困难［5］。

分形理论的兴起为解释自然界中不规则的复杂现象提供了简单而有效的方法［6］。近年来，分形理论在描述储层孔隙结构方面的重要作用日益凸显［7］。Katz 和 Kroch［8－9］等证明，砂岩和碳酸盐岩等多孔储集体具有分形特征。傅雪海等［10－12］认为，煤岩在一定孔隙范围内显示出较好的分形特征，应用分形理论可以获得煤岩中孔隙分布的近似定量信息，有效提高煤岩储层评价精度。马立民、文慧俭［13－14］等通过建立分形维数与微观孔隙结构参数之间的关系，认为分形维数是储层孔隙结构复杂程度的综合定量表征，分形维数越大，储层非均质性越强;并以分形维数为基础，实现了复杂储层的定量分类评价。因此，分形维数能够真实反映储层微观孔隙结构特征，是定量描述储层孔隙结构复杂程度的理想参数［15］。

大庆探区含煤盆地众多，煤层气资源丰富，是未来重要的能源接替领域。大庆探区煤层主要赋存在下白垩统，以鸡西盆地和鹤岗盆地，以及海拉尔盆地的呼和湖凹陷为代表，其煤层厚度较大、埋深适中，煤层气勘探前景良好。含煤盆地构造背景及后期改造强烈，煤的变质作用类型复杂，煤储层物性非均质性强，且孔隙度、渗透率与含气饱和度偏低，构成大庆探区煤储层的主要缺陷。大庆探区在煤层气成藏条件方面目前已取得一定认识［16－18］，但在煤储层微观孔隙特征方面研究比较薄弱。本文以大庆探区煤岩孔隙演化特征为主线，系统分析和论述了变形作用对微观孔隙参数的影响，探讨了分形特征与煤岩吸附能力的关系，为定量评价煤储层物性提供了科学依据。

1 地质背景及煤样采集

大庆探区涵盖的三大盆地群中含煤盆地以西部海拉尔盆地及东部三江地区的鸡西盆地和鹤岗盆地为代表(图1)。海拉尔盆地是叠置于华北板块和西伯利亚板块之间的古生代碰撞造山带之上的中—新生代陆相裂谷盆地［19］，其中呼和湖凹陷煤层气资源量最大，煤岩以褐煤最为发育。鸡西盆地和鹤岗盆地为典型的残留改造型盆地，其后期经历强烈的挤压反转，破坏作用显著［20］，煤岩以中等变质为主。

图1 研究区位置及采样点分布图Fig.1 Location of research area and distribution of samples

为深入研究大庆探区重点含煤盆地由西向东煤岩煤体结构的变化特征，针对不同含煤盆地的主力煤层进行样品采集 (表1)，并进行等温吸附试验、比表面积和孔径分布分析，测试项目由中国石油勘探开发研究院廊坊分院非常规油气重点实验室完成。

表1 煤样采集点信息表Table 1 Information of coal sample

大庆探区煤岩类型丰富，呼和湖凹陷主要发育原生结构煤 (图2a)，可见木质结构，植物组织痕迹清晰，整体性较好呈块状构造，割理不发育，手试强度大;依据琚宜文的构造煤划分方案［21］，鹤岗盆地和鸡西盆地煤样属于脆性变形系列的碎裂煤和碎斑煤。碎裂煤 (图2b)原生结构相对完整，可见条带状构造，可观测两组割理，手试强度较硬，局部可见小碎块;碎斑煤 (图2c)隐约可见原生结构，发育多组割理和碎块构造，碎块有相对位移，手试强度较差，轻捏即成棱角状碎块，一般直径为1～5cm。

图2 大庆探区煤岩类型图Fig.2 Types of coal in Daqing exploration area

2 孔隙扫描电镜特征

煤岩硬度差，成分复杂，结构多变，非均质性强，微观现象丰富，扫描电镜能够在不破坏煤岩原始状态的条件下开展煤岩表面多种信息综合分析［22］，为煤岩微孔孔隙特征研究提供直观、简单的研究手段。

原生结构煤:呼和湖凹陷煤岩属于褐煤，演化程度较低。镜下可见大量保存完整的植物组织孔，受到压实作用的影响，胞腔孔会发生不同程度的变形 (图3a)，但一般定向排列，形状相似，显示植物组织特征 (图3b、c);局部可见微细层理及裂缝 (图3d)。少量发育晶间孔和屑间孔(图3e、f)，气孔不发育。该类型煤岩孔隙之间较为独立，连通性差，裂缝多在层间发育，沟通孔隙之间的裂缝十分少见，对改善煤层渗透性的贡献较低，因此不利于煤层气的运移和聚集成藏。

图3 原生结构煤扫描电镜特征图Fig.3 Characteristics of coal of original texture by SEM

构造煤:鸡西盆地和鹤岗盆地煤岩演化程度较高，介于气煤和焦煤之间。煤中虽然还残余部分植物组织孔 (图4a)，但孔隙几乎都被矿物质充填。随着成岩作用的加强，煤岩中开始出现大量的气孔 (图4b)和溶蚀孔 (图4c)。裂缝的数量和类型开始增多，多呈开启状 (图4d)，煤体随变形程度加强出现摩擦面等微构造 (图4e)。与此同时，镜质组出现大量的收缩缝 (图4f)。构造煤中原生结构遭到破坏，使得孔隙结构复杂化，增加了比表面积，提高了气体吸附能力。大量微裂缝和收缩缝的出现，为孔隙之间建立了连通桥梁，在一定程度上改善了煤岩孔隙的渗流能力。

图4 构造煤扫描电镜特征图Fig.4 Characteristics of tectonic coal by SEM

3 低温氮吸附曲线及孔隙结构特征

低温氮吸附曲线的形态可在一定程度上表征孔隙结构类型。由测试结果发现，研究区的低温氮吸附曲线具有明显的区域特征。根据煤样吸附、脱附曲线特征将大庆探区含煤盆地煤储层孔隙结构划分为如下3种基本类型。

类型Ⅰ:以海拉尔盆地呼和湖凹陷煤样孔隙特征为代表。吸附、脱附曲线基本保持平行而不存在明显的滞后环 (图5I－a)，表明煤储层孔隙以开放型的透气孔为主 (图6a、b)，存在少量一端封闭的不透气孔 (图6c、d)。孔径分布呈双峰形态 (图5I－b)，第一个峰值出现在2～3nm处，第二个峰值出现在20～30nm处，说明小孔对比表面积贡献较大，而微孔较小 (图5I－c)。

类型Ⅱ:以鹤岗盆地煤样孔隙特征为代表。由图5Ⅱ－a可知，吸附和脱附曲线在相对压力p/p0＞0.5时存在滞后环，显示孔隙为多种孔隙形态的复合，包含“墨水瓶”状孔 (图6e)和一端封闭的不透气性孔。孔径分布曲线显示，微孔十分发育，微孔对孔体积的贡献最大 (图5Ⅱ－b)，且在3～4nm处存在峰值。比表面积的贡献主要来自微孔，部分来自小孔 (图5Ⅱ－c)。

类型Ⅲ:以鸡西盆地煤样孔隙特征为代表。该类型的吸附、脱附曲线存在明显的滞后环 (图5III－a)，吸附曲线始终缓慢上升，脱附曲线在相对压力为0.5附近急剧下降，产生这种现象的原因是存在大量“墨水瓶”状孔 (图6e)。孔体积存在两处峰值，但孔径为3～4nm的孔隙对比表面积贡献最大。

由低温氮吸附实验获取的孔隙结构参数 (表2)发现，大庆探区煤岩孔隙具有明显的区带特征，由西向东，随着煤岩变形强度的增加，孔隙的平均孔直径变小，总孔体积下降了一个数量级，相对应比表面积增加了一个数量级。由上述现象可知，一方面煤岩随变质程度的加大，孔隙结构发生改变，微孔含量和种类增加，尤其是“墨水瓶”状孔的大量出现是导致吸附和脱附曲线产生拐点的关键;另一方面受构造活动的破坏作用影响，孔隙结构进一步复杂化，突出了煤岩对气体吸附能力的差异性。

图5 大庆探区孔隙结构类型图Fig.5 Types of pore structure in Daqing exploration area

图6 不同孔隙形状吸附实验时气—液界面形态图［1］Fig.6 Gas－liquid boundary configuration of different pores in adsorption experiment

表2 大庆探区煤岩低温氮吸附孔隙结构参数及分形维数表Table 2 Pore parameters and fractal dimensions for coal by low-temperature nitrogen in Daqing exploration area

4 孔隙分形特征及其地质意义

4.1 分形维数与孔隙结构的关系

由实测数据可以看出，分形维数D与煤岩的平均孔直径和总孔体积大体呈线性负相关关系(图7a、b)。而分形维数与比表面积呈正相关关系(图7c)，即随着分形维数的增加，煤岩微孔含量增加，总孔体积变小，比表面积增大。以分形维数2.6为界，当D＞2.6时，总孔体积、平均孔直径急剧减小，比表面积急剧升高，说明构造变形作用对孔隙结构影响较大，煤岩孔隙结构进行重新匹配，孔隙类型也从开放型孔隙向“墨水瓶”状孔过渡，孔隙喉道复杂化，使得连通性变差。但是大量微裂缝的产生对物性起到一定的改善作用;当D＜2.6时，变化不明显。综合分析认为，呼和湖凹陷、鹤岗盆地和鸡西盆地的分形维数依次变大，与其煤岩的变形程度匹配，说明分形维数既反映了孔隙结构的复杂程度，又体现出孔隙平面的非均质性强弱，可以定量表征构造变形作用对孔隙微观结构的改造程度。

4.2 分形维数与孔隙吸附能力的关系

甲烷在煤储层中主要以吸附态存在，因此孔隙结构对煤储层的吸附能力具有一定程度的影响［23－24］。分形维数与煤岩演化程度的相关性较差(图7d)，表明分形维数对变质程度表征作用较差。当分形维数增大时，兰氏体积存在上升趋势 (图7e)，这是由于煤岩变形程度增加，使得煤中孔隙结构发生重组，微孔数量增加，比表面积变大，同时孔隙形状发生改变，表面粗糙度增加，因此煤岩的吸附能力增强。观察发现，鸡西盆地煤岩吸附能力低于鹤岗盆地煤岩，与分形特征不符，这是因为煤岩的吸附能力还受到煤岩成分中灰分产率的影响。灰分会充填煤储层的一部分孔隙，占据了煤孔隙表面吸附甲烷的空间，导致煤岩成分复杂化 (图7f)，从而导致吸附能力减弱。

图7 分形维数与孔隙结构和吸附能力的关系图Fig.7 Relationship between the fractal dimension and the pore structure and adsorptive capacity

4.3 分形维数与煤储层所处构造位置的关系

前人对煤层气富集成藏的主控因素进行了深入分析，包括构造条件、煤层厚度、埋深、变质程度、含气量、渗透率和水文地质条件等［25－27］。本文在不考虑其他影响因素的基础上，立足于煤储层孔隙结构探讨构造位置与分形维数之间关系。呼和湖凹陷与海拉尔盆地的构造演化基本一致，经历了地壳隆起、断陷、坳陷和萎缩 4个阶段，形成现今东断西超的构造格局。大二段构造相对稳定，断层发育相对较少，煤岩样品采自凹陷南部的次凹 (图8a);鹤岗盆地经历多期性质不同的构造运动，应力场方向多次发生大的改变，导致矿区内张性断裂密集发育，相互截切，构造格局十分复杂。鹤岗煤田位于盆地西侧，呈现向东倾斜的半掩盖式单斜构造，煤样采自单斜背景下的地堑 (图8b);鸡西盆地是佳木斯地块内的内陆克拉通型断坳盆地［27］，由于变形复杂，后期挤压作用强烈，东西向的平麻断裂将盆地分为南北两个规模较大的复向斜，北部为鸡东坳陷，南部为梨树镇坳陷。煤样采自鸡东坳陷西部 (图8c)。分析认为，分形维数与构造位置具有一定的相关性，凹陷区相对稳定，其分形维数明显低于复杂构造背景下的斜坡部位和褶皱轴部;而褶皱发育区由于应力集中释放，变形强度较大，分形维数高于斜坡部位。总体而言，褶皱发育区的煤岩吸附能力优于斜坡和凹陷中心，是煤层气藏富集高产的潜力区。

图8 煤岩样品取样构造位置图Fig.8 Structural location of coal sample

5 结束语

经实验研究表明，大庆探区含煤盆地煤储层孔隙结构特征受构造背景影响显著，自西向东构造活动逐渐加强，煤岩结构由原生结构煤转变为构造煤，导致储层孔隙微观结构复杂程度和非均质性增强。

从原生结构煤至构造煤，随着变形程度的增加，原生植物组织孔逐渐被气孔和溶蚀孔所取代，微孔占主导地位;类型丰富和数量众多的开启裂缝的出现，改善了原生状态下孔隙不连通的劣势，提高了孔隙的渗流能力。

在构造作用的影响下，低温氮吸附和脱附曲线呈现出3种类型，证实孔隙类型由开放型向一端封闭的不透气孔转化，最终演化成“墨水瓶”状孔;微孔成为比表面积的主要贡献者，大量“墨水瓶”状微孔的出现也是造成吸附能力差异的主要原因。

分形维数能够定量评价大庆探区重点含煤盆地煤储层的孔隙特征和吸附能力。分形维数与总孔体积、平均孔直径和比表面积、吸附能力呈此消彼长的关系;分形维数变大，煤岩变形程度增加，微孔含量增加，孔直径变小，比表面积增大，孔表面粗糙度增加，导致煤岩孔隙结构复杂化，最终煤岩吸附能力增强;褶皱发育区的煤储层具有较强的吸附能力，应作为大庆探区今后煤层气勘探的重点突破区。

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