王宇航，王有智

（1.大慶油田第一采油廠，黑龍江大慶163712；2.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712）

煤儲層特征及其對吸附能力的影響
——以雞西盆地城子河組為例

王宇航1，王有智2

（1.大慶油田第一采油廠，黑龍江大慶163712；2.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712）

采用掃描電鏡、低溫氮吸附法對雞西盆地城子河組煤巖儲集空間特征和孔隙結(jié)構(gòu)進行研究，探討煤巖吸附能力的主要影響因素。結(jié)果表明，煤巖常見孔隙類型包括殘余組織孔、屑間孔、角礫孔和氣孔，其中氣孔的廣泛發(fā)育既證實了煤巖大量生烴的過程，又為煤層氣賦存富集提供優(yōu)質(zhì)儲集空間。形式多樣的張性裂隙組合，對改善滲透性具積極意義；煤巖低溫氮吸附曲線呈現(xiàn)兩種類型，反應(yīng)不同特征的孔隙系統(tǒng)。雞東坳陷相對梨樹鎮(zhèn)坳陷煤巖中微孔更為發(fā)育，使得比表面積和總孔體積值較高，平均孔徑值降低，孔隙形態(tài)從開放性逐漸過渡為墨水瓶孔，微孔中墨水瓶孔的含量是導(dǎo)致滯后環(huán)形態(tài)發(fā)生變化的主要原因；煤巖的比表面積和總孔體積能夠較好的反應(yīng)煤巖的吸附能力。灰分、鏡質(zhì)組含量和成熟度通過控制雞西盆地城子河組煤巖孔隙發(fā)育特征，從而影響煤巖的吸附能力。煤巖鏡質(zhì)組和演化程度升高會增強煤巖的吸附能力，而灰分含量高會減少煤巖對甲烷的吸附量。

儲集空間類型；孔隙結(jié)構(gòu)；氮氣吸附；吸附能力；雞西盆地

0引言

雞西盆地是黑龍江省眾多含煤盆地之一，煤層氣資源豐富，預(yù)測資源量超過1700×108m3。盆地內(nèi)以氣煤和焦煤為主，穆棱組和城子河組煤層較為發(fā)育，其中城子河組煤層埋藏適中，是煤層氣勘探的主要目的層。雖然雞西盆地已經(jīng)獲得工業(yè)突破［20］，但是其“煤層薄、煤層多、不穩(wěn)定”特點，也對煤層氣后續(xù)的勘探和開發(fā)帶來一定的難度。目前，對雞西盆地開展的研究工作主要集中在富集成藏方面［20］，而儲層特征研究較少。筆者通過研究雞西盆地南北坳陷煤巖儲層儲集空間的差異性，開展孔隙結(jié)構(gòu)特征的定量評價，分析影響煤巖吸附能力的主控因素，為今后確定煤層氣有利目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。

1地質(zhì)概況及樣品

雞西盆地東部與那丹哈達地體緊鄰，西部為牡丹江斷裂，向北為佳木斯地塊，東南部與延吉褶皺相鄰。盆地中部被東西向的平陽-麻山斷裂和恒山隆起分割為四個構(gòu)造單元，雞東坳陷、梨樹鎮(zhèn)坳陷、恒山隆起和二人班斷階（圖1）。

圖1　研究區(qū)位置和采樣位置分布Figure 1 Study area location and sampling point distribution

試驗煤巖樣品取自雞西盆地南北兩個坳陷的城子河組。其中Y1-Y9為梨樹鎮(zhèn)坳陷城子河組煤巖；Y10-Y16為雞東坳陷城子河組煤巖。對煤巖進行掃描電鏡觀察和低溫氮氣吸附試驗。對煤巖表面孔隙觀察采用日立公司的S-4800完成。低溫氮吸附試驗由美國麥克儀器公司ASAP2020比表面積儀完成。首先樣品在100℃真空脫氣3 h，然后在350℃去除有機物，最后在華氏溫度77°的液氮環(huán)境中進行低溫氮吸附試驗，利用BET模型進行比表面積分析，利用BJH模型進行體積和平均孔徑的計算。本文中孔隙分類依據(jù)為十進制，依次為大孔（D＞1000 nm）、中孔（100 nm＜D＜1000 nm）、小孔（10 nm＜D＜100 nm）和微孔（D＜10 nm）。

2實驗結(jié)果與討論

2.1煤巖儲集空間特征

通過掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)煤巖的儲集空間包括孔隙和裂隙。雞西盆地孔隙類型包括殘余組織孔、屑間孔、角礫孔和氣孔［21］。殘余組織孔（圖2a）是成煤過程中多孔植物的組織保留在煤中，一般具有形狀相似、排列有序和相互獨立的特點。隨著煤巖演化程度的加深，該類孔隙逐漸被破壞掉，僅局部殘留。屑間孔（圖2b）多為各種成煤物質(zhì)經(jīng)過機械破壞后形成的碎屑堆積而成，孔隙形狀不規(guī)則，連通性較差。角礫孔（圖2c）是煤巖中有機質(zhì)受到構(gòu)造變形影響開裂形成的孔隙，角礫多呈尖角，局部連通性較好。氣孔（圖2d）是雞西盆地內(nèi)廣泛發(fā)育的有機質(zhì)孔隙。當(dāng)煤階不斷升高，有機質(zhì)成熟，烴類氣體大量逸出，在煤巖的鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組的表面留下的洞隙。氣孔是煤巖大量生烴的證據(jù)，同時也可以為煤層氣的提供吸附空間。

煤巖中裂隙對煤層氣儲集和運移同樣重要。雞西盆地主要發(fā)育張性裂隙。張性裂隙是在張應(yīng)力的作用下形成的開啟狀的裂縫。張裂縫的形態(tài)各異，折線型（圖2e）、曲線型和直線型（圖2f）均有發(fā)育，多條裂縫在一定范圍內(nèi)可形成規(guī)模不等的網(wǎng)狀（圖2g、2h、2i）。張性裂縫是煤層中最為常見的裂縫，為孔隙之間起到溝通作用，達到改善滲透性的效果。

2.2煤巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

通過低溫氮吸附、脫附實驗結(jié)果可知，梨樹鎮(zhèn)坳陷煤巖樣品的BET比表面積為0.124～0.811 m2/g，BJH總孔體積為0.0006～0.00231 mL/g，BJH平均孔直徑為9.82～25.91 nm；雞東坳陷煤巖BET比表面積范圍為1.056～1.696 m2/g，BJH總孔體積為0.0029～0.0059 mL/g，BJH平均孔直徑為5.66～8.64 nm（表1）。雞東坳陷比表面積和總孔體積相對梨樹鎮(zhèn)坳陷高，平均孔直徑降到10 nm以下。說明南北兩個坳陷的孔隙發(fā)育特征存在一定的差異性。

煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)對煤層氣的吸附和儲集具有重要的意義［22］。通過對樣品的不同壓力下氮氣吸附脫附曲線，反應(yīng)組成煤巖的孔隙形態(tài)。雞西盆地城子河組煤巖的N2吸附曲線在形態(tài)類似于IUPAC定義的H2和H3型。H2型的吸附、脫附曲線在壓力0＜p/p0＜0.5時處于重疊或相對平行的形態(tài)。隨著壓力的升高，兩條分支分離，出現(xiàn)滯后環(huán)，吸附、脫附曲線呈現(xiàn)加速上升的趨勢。表明孔隙的發(fā)育具有多樣化的特征，以開放性的板狀孔和圓筒孔為主，此時孔隙在發(fā)生毛細凝聚和蒸發(fā)時，由于氣液兩相界面所承受的壓力不等，于是產(chǎn)生滯后環(huán)。H3型的吸附、脫附曲線完全分開，在相對壓力0.5處產(chǎn)生拐點。這種現(xiàn)象的發(fā)生說明儲層中孔隙形態(tài)發(fā)生變化，墨水瓶孔成為主導(dǎo)。其在毛細凝聚初始期會先在瓶頸形成吸附層，然后隨著壓力的增加，瓶內(nèi)空間才會逐漸凝聚。當(dāng)發(fā)生毛細蒸發(fā)時，瓶頸處吸附層阻礙了瓶內(nèi)凝聚液的蒸發(fā)，當(dāng)相對壓力下降到0.5附近，瓶型孔中凝聚液突然釋放，導(dǎo)致產(chǎn)生拐點。

對于企業(yè)發(fā)展歷史的展示不僅代表企業(yè)對自身發(fā)展的尊重，太太樂更寄希望于讓更多人與企業(yè)一起回顧多年來成長的足跡。2018年是太太樂企業(yè)成長30周年，而立之際太太樂建立了屬于自己的歷史陳列館。在這里，你看到的不僅有太太樂企業(yè)發(fā)展的經(jīng)歷，還將在其中探尋中國調(diào)味品行業(yè)發(fā)展的足跡，通過舊物件、老照片、歷年廣告篇等方式帶來的不但是調(diào)味歷史的展現(xiàn)，更多是一代又一代參觀者對生活與情感的回顧。

圖2　雞西盆地煤巖孔隙和裂隙特征的掃描電鏡分析Figure 2 SEM analysis of coal and rock pore，fracture features in Jixi Basin

表1　雞西盆地煤巖孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及相關(guān)地化參數(shù)Table 1 Jixi Basin coal and rock pore structure data and related geochemical parameters

圖3　雞西盆地城子河組煤巖樣品氮氣吸附—脫附曲線Figure 3 Nitrogen adsorption-desorption curves of Chengzihe Formation coal and rock samples from Jixi Basin

3煤巖吸附能力的控制因素

圖4　雞西盆地城子河組煤巖比表面積、總孔體積與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系Figure 4 Relationship between Chengzihe Formation coal and rock specific surface area，total pore volume and related parameters in Jixi Basin

煤巖孔隙是甲烷主要的吸附空間，而孔隙結(jié)構(gòu)對煤層氣的吸附能力起到一定的控制作用［14-15，17］?？紫督Y(jié)構(gòu)的發(fā)育受到各種地質(zhì)條件的影響（圖4），包括沉積環(huán)境、礦物組成和成熟度等。目前雞西盆地已證實具有豐富的煤層氣資源，因此研究煤巖孔隙特征及其對吸附能力的影響對雞西盆地的有利區(qū)評價和商業(yè)化開發(fā)意義非凡。

3.1孔隙結(jié)構(gòu)

甲烷在煤巖中存儲以物理吸附為主，影響其吸附能力的因素眾多，其中孔隙結(jié)構(gòu)的意義得到了眾多學(xué)者最為廣泛的關(guān)注，同時取得了較多研究成果［22-25］。從圖4a、圖4b可以看出，孔隙比表面積和總孔體積與蘭氏體積具有較好的正相關(guān)性，表明在相同條件下，煤巖能夠提供越大的吸附空間，其對甲烷的吸附量也越大。簡言之，表面積和總孔體積等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對評價煤巖的吸附能力重要意義。

3.2灰分含量

煤中灰分主要是指礦物質(zhì)，這些物質(zhì)主要來源包括兩個方面，一是受到物源影響，成煤植物中天然含有的無機元素；二是煤成巖過程中混入或自身形成的礦物質(zhì)。通過灰分和煤巖比表面積和總孔體積的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，二者具有一定的負相關(guān)關(guān)系，說明灰分對煤巖孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育具有破壞作用。煤中的灰分含量對吸附能力有著特殊意義，灰分都是以充填在孔隙和裂隙中的形式出現(xiàn)，灰分含量的增高勢必會堵塞孔隙，占據(jù)甲烷的存儲空間，從而影響煤巖的吸附能力。雞東坳陷的灰分含量普遍高于梨樹鎮(zhèn)坳陷，這是北部近物源，水動力強，攜帶了大量的礦物質(zhì)，使得灰分含量隨之增加；南部距離物源較遠，水體環(huán)境相對穩(wěn)定，攜帶能力較差，因而灰分含量低。

3.3鏡質(zhì)組含量

從圖4可以看出隨著鏡質(zhì)組含量的增加，比表面積和總孔體積也隨之增加。鏡質(zhì)組的含量變化對孔隙結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定改變，當(dāng)鏡質(zhì)組含量增多的時候，其本身利于微孔的發(fā)育，鏡質(zhì)組大量生烴會留下大量的原生孔隙，當(dāng)成巖演化程度或者機械外力的作用下，大的原生孔隙被破壞掉，微孔取而代之，使得吸附能力得到提升。

3.4成熟度

梨樹鎮(zhèn)坳陷煤巖的演化程度在0.86%～1.14%，雞東坳陷在1.12%～1.52%，均屬于中煤階。整體來看，成熟度對煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)的影響還是比較顯著的，雞東坳陷煤巖演化程度高于梨樹鎮(zhèn)坳陷煤巖，因此比表面積等參數(shù)亦是普遍較高。同時也發(fā)現(xiàn)這種正相關(guān)性變?nèi)酰怯捎诳刂瓶紫督Y(jié)構(gòu)的因素眾多，需要同時綜合考慮灰分、鏡質(zhì)組含量等參數(shù)。

4結(jié)論

（1）雞西盆地城子河組煤巖儲集空間包括孔隙和裂隙。常見的孔隙類型有殘余組織孔、屑間孔、角礫孔，廣泛發(fā)育的氣孔既證實了煤巖大量生烴的過程，又為煤層氣賦存富集提供優(yōu)質(zhì)儲集空間。多種組合形態(tài)的張性裂隙為孔隙之間搭建起溝通的橋梁，對改善滲透性具積極意義。

（2）煤巖低溫氮吸附曲線呈現(xiàn)兩種類型，反應(yīng)不同特征的孔隙系統(tǒng)。雞西盆地煤巖孔隙以微孔和小孔為主，雞東坳陷相對梨樹鎮(zhèn)坳陷煤巖中微孔更為發(fā)育，使得比表面積和總孔體積值較高，平均孔徑值反而低，孔隙形態(tài)也從開放性逐漸過渡為墨水瓶孔，微孔中墨水瓶孔的含量是導(dǎo)致滯后環(huán)形態(tài)發(fā)生變化的主要原因。

（3）煤巖的比表面積和總孔體積能夠反應(yīng)煤巖的吸附能力?；曳?、鏡質(zhì)組含量和成熟度通過控制雞西盆地城子河組煤巖孔隙發(fā)育特征，從而影響煤巖的吸附能力?；曳趾扛卟焕诩淄槲?，煤巖鏡質(zhì)組含量高、演化程度高促進甲烷的吸附。

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Coal Reservoir Characteristics and Their Impacts on Adsorptivity—A Case Study of Chengzihe Formation in Jixi Basin

Wang Yuhang1，Wang Youzhi2
（1.The First Production Plant，Daqing Oilfield Co.Ltd.，Daqing，Heilongjiang 163712；2.Exploration，Exploitation and Research Institute，Daqing Oilfield Co.Ltd.，Daqing，Heilongjiang 163712）

Through SEM，low temperature nitrogen adsorption methods carried out studies on coal and rock reservoir space characteristics and pore structures，discussed coal and rock adsorptivity main impacting factors.The result has shown that common pore types of coal and rock have residual tissue pore，intraclastic pore，rubble pore and gas pore.In which，wide development of gas pore has not only confirmed coal and rock massive hydrocarbon generation process，but also provided high quality reservoir space for CBM hosting and enrichment.Various forms of tensile fracture combination have positive significance to improve permeability.Coal and rock low temperature nitrogen adsorption curves present two types have reflected two different characteristic pore systems.More developed micropores in coal and rocks of the Jidong depression in contrast to the Lishuzhen depression made higher specific surface area and total pore volume，lower average pore size；pore forms gradually transit from open type to ink bottle type，more ink bottle typed pores are the main causation to result in hysteresis loop form changes.Coal and rock specific surface area and total pore volume can preferably reflect coal and rock adsorptivity.Ash，vitrinite contents have controlled the coal and rock development characteristics in Chengzihe Formation，Jixi Basin，thereby impacted adsorptivity of coal and rocks.Vitrinite and evolution degree promotion will strengthen coal and rock adsorptivity，while high ash content will reduce methane adsorptive capacity.

reservoir space type；pore structure；nitrogen adsorption；adsorptivity；Jixi Basin

TE122

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.08.07

1674-1803（2016）08-0033-05

中石油科技攻關(guān)項目“煤層氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范工程”（2010E-2201）、“大慶探區(qū)非常規(guī)油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與現(xiàn)場試驗”（2012E-2603）、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2011CB101001）國家科技重大專項（2011ZX05014）

王宇航（1985—），男，本科，2008年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，主要從事石油地質(zhì)及煤層氣方面工作。

2016-04-18

責(zé)任編輯：宋博輦