劉 娜，康永尚,2，李 喆，王 金，孫良忠，姜杉鈺

(1.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249；2.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249)

0 引 言

煤儲層是一種非均質(zhì)多孔介質(zhì)，其中的孔隙是儲集煤層氣的主要場所。煤巖孔隙度與煤巖的破壞狀態(tài)、應力分布以及抗壓強度有著明顯的相關性[1-2]:孔隙度與抗壓強度呈負對數(shù)關系，孔隙度較小時，巖石破斷面呈規(guī)則的“x”形，應力分布較均勻；孔隙度增大時，破斷面呈不規(guī)則的“x”形，應力分布呈現(xiàn)不均勻的形式。此外，煤巖孔隙度也會對水力壓裂過程產(chǎn)生一定的影響，當井底壓力與地層壓力差值一定時，隨孔隙度的增大，綜合濾失系數(shù)增大[3]。因此，煤巖孔隙度是評價煤儲層的一個重要參數(shù)。

國內(nèi)外學者對煤巖孔隙度的影響因素開展了大量研究，主要集中在煤級、顯微組分和灰分及礦物賦存特征三個方面[4-6]。在煤級對煤巖孔隙度的影響作用方面，Gan[7]和韓德馨[8]認為隨煤級升高，次生孔隙(主要包括熱成因孔和裂縫孔)增加使得孔隙度增大；蔡佳麗等[9]在研究黔西上二疊統(tǒng)煤(其Ro介于0.71%～3.14%之間)的孔隙特征時同樣認為隨煤級升高，孔隙度呈由低到高的變化規(guī)律；而Levine等[10-14]則認為，煤巖孔隙度隨煤級升高呈高-低-高的變化規(guī)律，而且朱春笙[11]認為，低煤化程度的長焰煤孔隙度最大，一般在16%左右，Levine[10]認為孔隙度在Ro=1.2%～1.6%時為極小值。另有劉大錳等[15]通過對華北石炭紀—二疊紀煤區(qū)河東煤田、渭北煤田、陽泉煤田、晉城煤田、大同煤田和兩淮煤田的51個煤巖樣品(其Ro介于0.5%～2.8%之間)的氦氣孔隙度研究，認為煤巖孔隙度發(fā)育主要受3次煤化作用躍變所控制，在平均Ro<1.2%、1.2%～2.3%和>2.3% 3個階段分別呈現(xiàn)出降低-升高-再降低3個過程。

在鏡質(zhì)組含量對煤巖孔隙度的影響作用方面，Crosdale等[16]認為，在同樣的成熟度條件下，鏡質(zhì)煤的總孔隙度低于惰質(zhì)煤。關于灰分產(chǎn)率與煤巖孔隙度的關系，一些學者認為灰分充填部分孔隙，與孔隙度呈負相關關系[17-19]。而國外學者多通過探求灰分與微孔、大中孔體積的關系來分析其對孔隙特征的影響。Faiz等[20]利用氫氣侵入及CO2吸附實驗研究了悉尼盆地南部和波恩盆地多個煤巖樣品的孔隙體積特征，發(fā)現(xiàn)隨礦物含量增加，大孔體積增加；Clarkson等[21-22]認為煤中礦物充填部分微孔導致微孔孔容降低；而Mastalerz等[23]通過對美國中北部印第安納州Seelyville的3個煤礦的煤樣分析認為，灰分對煤巖孔隙的影響是復雜的，灰分與大中孔含量無明顯相關性，相比之下，灰分的增加能導致微孔體積明顯減少。綜合來看，國外學者更加認同灰分能減小微孔孔容的說法，但對于灰分與大孔含量關系的觀點并不統(tǒng)一。

此外，還有研究認為，煤體結(jié)構(gòu)對煤巖孔隙也有影響。在高煤級區(qū)，煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增加導致不同孔徑段的中孔和微孔均增大[24-25]；薛光武等[26]認為，同一煤級，隨變形程度增加，煤巖中孔增加很快，而微孔演變與中孔呈消長關系，且從碎裂煤至糜棱煤，煤巖孔隙度下降。由上可見，前人在分析煤體結(jié)構(gòu)對煤巖孔隙的影響時觀點不甚一致，且多為針對單一煤級區(qū)的分析。

前人主要針對單一盆地或單一區(qū)塊取得了不同認識，目前尚缺乏針對我國不同煤級區(qū)煤巖孔隙度及其影響因素的系統(tǒng)性認識。隨著我國煤層氣勘探開發(fā)的不斷推進，不同煤級區(qū)煤巖孔隙度測試的資料也越來越豐富，目前已初步具備了在全國尺度范圍內(nèi)分煤級區(qū)系統(tǒng)分析煤巖孔隙度特征及主控因素的條件。本文系統(tǒng)統(tǒng)計和整理了我國主要含煤盆地中37個區(qū)塊/礦區(qū)的壓汞孔隙度、Ro,max、煤體結(jié)構(gòu)、鏡質(zhì)組含量、灰分產(chǎn)率、大中孔比例和滲透率等數(shù)據(jù)，開展煤巖孔隙度影響因素研究及其對煤層氣開發(fā)的影響，以期為我國煤層氣勘探開發(fā)選區(qū)評價和煤層氣開發(fā)提供規(guī)律性認識。

1 數(shù)據(jù)整理和分析方法

本文系統(tǒng)整理并統(tǒng)計了我國37個煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)(圖1)的煤層地質(zhì)年代、埋深、壓汞孔隙度、Ro,max、煤體結(jié)構(gòu)、鏡質(zhì)組含量、灰分產(chǎn)率、平均大中孔比例和平均滲透率數(shù)據(jù)(表1)。

目前測定煤巖孔隙度最為常用的是氦氣法和壓汞法，氦氣法理論上可以測量大于0.2 nm的所有孔隙，壓汞法可以測量孔隙半徑為3.75～7 500 nm之間的孔隙體積[27]，但氦氣法測出的是煤巖的絕對孔隙度，而壓汞法測得的是煤巖中連通的中孔和大孔孔體積及有效孔隙度，相比之下，壓汞孔隙度更能代表具開發(fā)意義的煤層氣儲存空間比例。我國大部分煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)有壓汞法測試的孔隙度數(shù)據(jù)，而較少有氦氣法測量的孔隙度數(shù)據(jù)，因此表1中的孔隙度數(shù)據(jù)均為壓汞法測定的數(shù)據(jù)，且大中孔比例為壓汞法測得的大孔和中孔孔隙比例之和。

圖1 研究區(qū)塊/礦區(qū)平面分布圖Fig.1 Map showing the location of the study areas

在地質(zhì)歷史時期，構(gòu)造運動造成了煤體發(fā)生不同程度的破壞，使得儲層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯差異，煤體分為原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤。原生結(jié)構(gòu)煤是指未發(fā)生強烈構(gòu)造變形，保留原有特征的煤層；而構(gòu)造煤參見國家標準(GB/T 30050—2013)對煤體結(jié)構(gòu)的分類，可根據(jù)其變形程度細分為碎裂結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)和糜棱結(jié)構(gòu)。由于任一區(qū)塊內(nèi)部煤體結(jié)構(gòu)存在變化，為了研究煤體結(jié)構(gòu)對孔隙度的影響，本文按區(qū)塊內(nèi)主要發(fā)育的煤體結(jié)構(gòu)，將每個區(qū)塊分為3類，Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類:Ⅰ類區(qū)塊主要以原生結(jié)構(gòu)煤為主，Ⅱ類區(qū)塊主要以原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤為主，Ⅲ類區(qū)塊以碎粒煤和糜棱煤產(chǎn)出為主。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，本文首先分析煤巖孔隙度與煤級和煤體結(jié)構(gòu)的關系。為了研究煤級對孔隙度的影響，依據(jù)業(yè)內(nèi)廣泛采用的煤級劃分標準劃分不同的煤級:低煤級，Ro,max<0.65%；中煤級，0.65%1.65%。通過趨勢分析方法擬合不同煤體結(jié)構(gòu)類型平均孔隙度隨平均煤級變化的趨勢，以解釋區(qū)塊/礦區(qū)間平均煤級和煤體結(jié)構(gòu)差異對平均孔隙度的影響；分不同煤級區(qū)，通過分析區(qū)塊/礦區(qū)孔隙度區(qū)間和Ro,max變化區(qū)間差值的關系，揭示不同煤級區(qū)區(qū)塊/礦區(qū)內(nèi)部孔隙度變化相對于Ro,max變化的敏感性。

表1 我國37個煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)孔隙度、煤體結(jié)構(gòu)和煤質(zhì)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

(續(xù))表1 我國37個煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)孔隙度、煤體結(jié)構(gòu)和煤質(zhì)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

注：序號910意為第9個區(qū)塊的10號煤層，依此類推。各項數(shù)據(jù)區(qū)間范圍均為根據(jù)不同相關文獻中各項數(shù)據(jù)的分布范圍按同一區(qū)塊同一煤層取并集得到(有適當取舍)，各項數(shù)據(jù)平均值(括號中的數(shù)據(jù)或注明是平均值的數(shù)據(jù)，如平均大中孔比例等)均為根據(jù)不同相關文獻中各項數(shù)據(jù)的平均值按同一區(qū)塊同一煤層再平均得到，其中標有“*”的數(shù)據(jù)是利用Stata軟件根據(jù)已有數(shù)據(jù)點擬合得到。

其次，在剔除了平均煤級對平均孔隙度影響的前提下，得到平均孔隙度剩余值。利用平均孔隙度剩余值與平均鏡質(zhì)組和平均灰分產(chǎn)率的散點圖，揭示平均鏡質(zhì)組和平均灰分產(chǎn)率對平均孔隙度的影響規(guī)律。分不同煤級區(qū)，通過分析區(qū)塊/礦區(qū)孔隙度變化區(qū)間與鏡質(zhì)組和灰分變化區(qū)間的關系，揭示不同煤級區(qū)區(qū)塊/礦區(qū)內(nèi)部孔隙度變化相對于鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率變化的敏感性。

最后，通過區(qū)塊/礦區(qū)平均滲透率和平均大中孔比例與平均孔隙度的關系分析，探討孔隙度影響因素對煤層氣開發(fā)的意義。

2 煤級和煤體結(jié)構(gòu)對煤巖孔隙度的影響

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制了我國37個區(qū)塊/礦區(qū)煤巖孔隙度與煤級關系圖(圖2)。由圖2可知，我國煤巖孔隙度分布普遍不超過30%，中煤級和高煤級煤巖的孔隙度一般都在10%以下，總體上具有低孔隙度的特點。

(1)

圖2 煤巖孔隙度與煤級和煤體結(jié)構(gòu)關系圖(圖中柱狀編號對應圖1所示的煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)編號且折線為平均值連線)Fig.2 Coal porosity and the corresponding coal rank/coal body structure

圖3為平均孔隙度與平均Ro,max擬合關系圖，結(jié)合圖2和圖3可得到以下認識:

(1)煤巖平均孔隙度與平均Ro,max擬合程度總體較好，可見，煤級是影響煤巖孔隙度的重要參數(shù)，在討論鏡質(zhì)組和灰分含量對煤巖孔隙度的影響時必須剔除煤級的影響。

(2)孔隙度隨煤級升高呈現(xiàn)出高-低-高-低的變化趨勢，煤變質(zhì)作用對孔隙度影響較為復雜。在變質(zhì)程度較低的階段(Ro,max<0.65%),煤巖結(jié)構(gòu)疏松,主要發(fā)育原生大孔隙,且含有大量羥基和羧基官能團,因而孔隙度相對較大，在壓實作用下迅速降低；在Ro,max介于0.65%～1. 65%之間時,即處于第一次和第二次煤化作用躍變之間時,隨著煤級升高,煤中的原生大孔急劇減少,熱變氣孔逐漸增多,在這個過程中相對于微孔的增加,大孔的減少占絕對優(yōu)勢,因此煤的孔隙度表現(xiàn)為隨Ro的增大而緩慢降低；Ro,max為1.65%～2.3%的煤巖,處于第二次與第三次煤化作用躍變之間的階段,幾乎所有的含氧官能團都脫落,大孔含量減少趨勢變緩,微孔隙的增加逐漸占據(jù)主導，因而煤的孔隙度隨微孔和小孔含量的增高又呈增高的趨勢,并在Ro,max處于3.3%～3.5%之間某一處達到最大值；當煤巖變質(zhì)程度達到很高，即Ro,max>3.5%以后，隨著脫水作用的完成，煤巖孔隙度再次下降。煤巖變質(zhì)過程中孔隙的演化規(guī)律可以很好地解釋上述孔隙度隨煤級的變化規(guī)律。

前人關于煤巖孔隙度隨煤級的變化規(guī)律研究多針對單一區(qū)塊，所具備的煤樣數(shù)量較少或鏡質(zhì)組反射率范圍較為狹窄。本文通過對Ro,max介于0.39%～4.36%的煤巖區(qū)塊/礦區(qū)分析，認為煤級對煤巖孔隙的影響與煤巖變質(zhì)過程中孔隙的演化規(guī)律密不可分，建議將煤巖孔隙度隨煤級變化劃分為4個部分，即隨煤級升高:Ro,max<0.65%，孔隙度急劇減小；Ro,max介于0.65%～1.65%之間，孔隙度緩慢降低；Ro,max介于1.65%～3.5%之間，孔隙度升高；Ro,max>3.5%，孔隙度降低。

圖3 平均孔隙度與平均Ro,max擬合關系圖(圖中編號對應圖1所示的煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)編號)Fig.3 Plot of the average porosity vs. average Ro,max

(3)同一區(qū)塊/礦區(qū)內(nèi)部的孔隙度分布存在一定的區(qū)間，且低煤級區(qū)區(qū)塊/礦區(qū)內(nèi)部的孔隙度分布區(qū)間明顯大于中高煤級區(qū)區(qū)塊/礦區(qū)內(nèi)部孔隙度的分布區(qū)間(圖2)。分析認為，低煤級區(qū)孔隙度主要受沉積環(huán)境影響，煤系地層沉積環(huán)境一般存在較大變化，如準噶爾盆地侏羅系八道灣組聚煤作用早期主要發(fā)生在沼澤環(huán)境中，中晚期發(fā)生在湖濱和沼澤環(huán)境中；西山窯組煤層早期發(fā)育在湖濱、三角洲平原等沼澤微環(huán)境中，晚期沉積環(huán)境主要為湖退后的一些三角洲分流河道及河道間沼澤[28]。變化較大的沉積環(huán)境對煤巖孔隙特征影響顯著，因而低煤級區(qū)孔隙度呈現(xiàn)較大的分布區(qū)間。在中高煤級區(qū)，隨煤巖熱演化程度提高，成熟度對孔隙度的影響起主導作用，而同一煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)煤巖熱演化程度差別不大，因而孔隙度的變化區(qū)間也相對較小。

(4)煤體結(jié)構(gòu)對煤巖孔隙度也存在一定的影響，在中低煤級區(qū)，煤體結(jié)構(gòu)越復雜，煤巖孔隙度越??；而在高煤級區(qū)，復雜的煤體結(jié)構(gòu)反而增大了煤巖孔隙度。前人對煤體結(jié)構(gòu)和煤巖孔隙關系研究多針對孔隙結(jié)構(gòu)而言，如一些學者認為對于吸附孔隙而言，隨著應力作用的增強，微孔區(qū)域閉合，小孔變?yōu)楦〉目紫叮欢鴮τ跐B流孔隙而言，隨著應力的增大, 煤巖開始破裂，產(chǎn)生大量裂隙和大孔孔隙，大孔含量明顯增高。隨著應力的進一步增大，煤巖變?yōu)槊永饷?煤巖結(jié)構(gòu)被嚴重破壞，大孔含量再次減少。而針對煤體結(jié)構(gòu)和煤巖孔隙度的關系研究則較少。由圖3可見，Ⅰ型煤體結(jié)構(gòu)區(qū)塊/礦區(qū)擬合最好，煤體結(jié)構(gòu)越復雜，平均孔隙度偏離擬合線越明顯，可見煤體結(jié)構(gòu)能在一定程度上影響煤巖的孔隙特征。在中低煤級區(qū)，Ⅱ型和Ⅲ型煤體結(jié)構(gòu)煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)煤巖孔隙度小于Ⅰ型煤體結(jié)構(gòu)煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)煤巖孔隙度；而在高煤級區(qū)，Ⅱ型和Ⅲ型煤體結(jié)構(gòu)煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)煤巖孔隙度大于Ⅰ型煤體結(jié)構(gòu)煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)煤巖孔隙度。綜合前人研究及圖3所示規(guī)律可知，中低煤級煤巖大中孔發(fā)育，隨著應力的增大煤巖變?yōu)槊永饷海簬r結(jié)構(gòu)被嚴重破壞導致大孔含量急劇減少，孔隙度降低；而高煤級區(qū)，煤巖小微孔發(fā)育，大中孔相對較少，煤體的破壞會導致不同孔徑段的孔隙絕對數(shù)量具有一定程度的增加，但其對孔徑相對較大的過渡孔、中孔和大孔增加多，使得這些孔在整個孔隙中的百分含量增大，相比之下，對微孔的影響程度要小一些[29]，因此整體上煤巖孔隙度增大。

由以上分析可知，成熟度是影響煤巖孔隙度的重要參數(shù)，孔隙度隨煤級呈現(xiàn)出高-低-高-低的規(guī)律性變化，煤體結(jié)構(gòu)對孔隙度也有一定的作用，即在復雜的煤體結(jié)構(gòu)作用下，中低煤級區(qū)煤巖孔隙度減小，高煤級區(qū)煤巖孔隙度增大。

圖4 孔隙度區(qū)間差值與Ro,max區(qū)間差值關系圖(圖中編號對應圖1所示的煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)編號)Fig.4 Plot of the porosity range vs. Ro,max range

同一區(qū)塊/礦區(qū)內(nèi)部煤巖的Ro,max和孔隙度均存在一定的變化區(qū)間(表1)，整體上Ro,max區(qū)間差值和孔隙度區(qū)間差值無明顯相關性，說明煤巖成熟度和孔隙度間的關系是復雜的，并非簡單的線性關系。分煤級討論來看，低煤級區(qū)煤巖Ro,max區(qū)間值和孔隙度區(qū)間值關系最為明顯，斜率最大(圖4)，這表明煤巖孔隙度對Ro,max的變化最為敏感；相比之下，中高煤級區(qū)煤巖孔隙度對Ro,max的敏感性則較弱。

3 鏡質(zhì)組和灰分對煤巖孔隙度的影響

上文分析了煤巖孔隙度與煤級和煤體結(jié)構(gòu)的關系，除煤級和煤體結(jié)構(gòu)外，鏡質(zhì)組和灰分也在一定程度上對煤巖孔隙度起到控制作用。

前人研究普遍認為，鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率均受煤巖成熟度的影響。本文首先結(jié)合圖2和圖5來直觀分析鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率對孔隙度的影響。圖5為煤巖鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率隨煤級變化關系圖。煤巖鏡質(zhì)組和灰分隨煤級的變化較為復雜，不同煤級煤巖的鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率的分布范圍差異較大，但平均值分布則相對穩(wěn)定，因而很難直觀判斷煤級對鏡質(zhì)組和灰分的影響。由圖2和圖5對比表明，孔隙度隨煤級升高呈較明顯的趨勢性變化，但鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率隨煤級變化沒有呈現(xiàn)出趨勢性變化，鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率對孔隙度的影響無法直接觀察到，因此，需要做下面的進一步分析。

由于煤級是影響煤巖孔隙度的重要參數(shù)，在分析鏡質(zhì)組和灰分對煤巖孔隙度的影響時，首先應剔除煤級對孔隙度的影響。

下面的分析包括兩個方面：一是針對平均孔隙度，在剔除了平均Ro,max的影響后，利用平均孔隙度剩余值與平均鏡質(zhì)組和平均灰分產(chǎn)率的散點關系，揭示孔隙度隨鏡質(zhì)組和灰分的變化規(guī)律；二是通過孔隙度區(qū)間差值與鏡質(zhì)組和灰分區(qū)間差值的散點關系圖，揭示孔隙度相對于鏡質(zhì)組和灰分變化的敏感性。

利用實際的煤巖平均孔隙度減去擬合平均孔隙度，得到平均孔隙度剩余值，簡稱剩余值:

(2)

孔隙度剩余值剔除了煤級對煤巖孔隙度的影響，平均孔隙度剩余值與平均鏡質(zhì)組含量和平均灰分產(chǎn)率的散點關系可更好地揭示鏡質(zhì)組和灰分對孔隙度的影響。

圖5 鏡質(zhì)組含量及灰分產(chǎn)率與煤級關系圖(圖中柱狀編號對應圖1所示的煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)編號且折線為平均值連線)Fig.5 Plot of the vitrinite/ash content vs. coal rank

圖6 平均孔隙度剩余值與平均鏡質(zhì)組含量關系圖(圖中編號對應圖1所示的煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)編號)Fig.6 Plot of the average porosity residual value vs. average vitrinite content

圖7 平均孔隙度剩余值與平均灰分產(chǎn)率關系圖(圖中編號對應圖1所示的煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)編號)Fig.7 Plot of the average porosity residual value vs.average ash content

圖8 孔隙度區(qū)間差值和鏡質(zhì)組區(qū)間差值、灰分區(qū)間差值關系圖(圖中編號對應圖1所示的煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)編號)Fig.8 Plots of the porosity range vs. vitrinite /ash content range

圖6為平均孔隙度剩余值與平均鏡質(zhì)組含量散點關系圖。由圖6可見，整體上平均鏡質(zhì)組含量與平均孔隙度剩余值呈負相關關系。這是由于鏡質(zhì)組微小孔較發(fā)育[30]，當鏡質(zhì)組含量高時，煤巖中發(fā)育更多小-微孔，大中孔相對不發(fā)育，而壓汞法主要測試煤巖中的大中孔，因此，隨鏡質(zhì)組含量增加，壓汞法孔隙度存在降低的趨勢。分不同煤級來看，在低煤級和高煤級內(nèi)部，孔隙度隨鏡質(zhì)組含量的增加而減小，且孔隙度與鏡質(zhì)組含量的相關性在低煤級內(nèi)部比高煤級內(nèi)部更強，而在中煤級內(nèi)部，孔隙度隨鏡質(zhì)組含量的增多有微弱的增加趨勢。由以上特征可見，鏡質(zhì)組含量對孔隙度的影響在低煤級區(qū)最為明顯，且為負相關趨勢，而在中高煤級區(qū)影響程度減弱。

本文同樣利用平均孔隙度剩余值與平均灰分產(chǎn)率散點關系圖(圖7)來探究灰分產(chǎn)率對煤巖孔隙度的具體影響。由圖7可得到如下認識:

整體上平均灰分產(chǎn)率與孔隙度剩余值沒有呈現(xiàn)出明顯的相關性，說明灰分對煤巖孔隙的影響是復雜的。分不同煤級來看，在低煤級和中煤級內(nèi)部，孔隙度隨灰分產(chǎn)率的增加而減小，且在低煤級區(qū)其相關性更為明顯；而在高煤級區(qū)，孔隙度隨灰分產(chǎn)率的增加呈微弱的增加趨勢，可能與部分高煤級區(qū)煤體結(jié)構(gòu)復雜相關。由以上特征可見，灰分對孔隙度的影響在低煤級區(qū)最為明顯，且為負相關趨勢，而在中高煤級區(qū)影響程度減弱。

圖9 平均孔隙度與大中孔比例及平均滲透率關系圖(圖中編號對應圖1所示的煤層氣區(qū)塊/礦區(qū)編號)Fig.9 Plot of the average porosity vs. proportion of meso/macro-pore and average permeability

孔隙度區(qū)間差值和鏡質(zhì)組(灰分)區(qū)間差值散點關系圖可很好地揭示孔隙度和鏡質(zhì)組含量及灰分產(chǎn)率有無影響的關系。通常有影響關系的兩變量在圖中表現(xiàn)為正相關趨勢，反之則表現(xiàn)為無趨勢性。由圖8可看出，在低煤級區(qū)，鏡質(zhì)組(灰分)區(qū)間差值和孔隙度區(qū)間差值有著明顯的正相關趨勢，說明在低煤級區(qū)，鏡質(zhì)組(灰分)是影響煤巖孔隙度的因素。而在中高煤級區(qū)，鏡質(zhì)組和灰分變化區(qū)間與孔隙度變化區(qū)間基本表現(xiàn)為無趨勢性，說明在中高煤級區(qū)，鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率對孔隙度影響程度較弱。

4 孔隙度研究對煤層氣開發(fā)的指導意義

相對于常規(guī)油氣儲層，煤層氣儲層中的孔隙對滲透率的貢獻較小，但孔隙系統(tǒng)仍舊是煤層氣滲流的必經(jīng)通道，孔隙發(fā)育程度依舊會影響煤層氣的滲流能力，尤其影響煤儲層開發(fā)后期煤層氣產(chǎn)能[27]。Palmer等[17]的研究也認為,孔隙度的大小對煤儲層的滲透性意義重大。從煤巖孔隙度與大中孔比例和儲層滲透率的關系來看，煤巖孔隙度無疑在一定程度上，對煤層的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率起到間接的指示作用。圖9(a)顯示，平均孔隙度越大，大中孔比例越大；圖9(b)顯示，平均孔隙度越大，平均滲透率越高。一個區(qū)塊/礦區(qū)的煤巖大中孔比例和儲層平均滲透率隨平均孔隙度的增高而增高，因此，孔隙度大小尤其是孔隙度隨煤級的變化規(guī)律對不同煤級區(qū)煤層氣開發(fā)潛力評價具有重要指導意義。

上述研究表明，不同區(qū)塊/礦區(qū)間平均孔隙度隨平均煤級升高呈現(xiàn)高-低-高-低四段變化的總體規(guī)律，且在同一煤級區(qū)的區(qū)塊/礦區(qū)間，孔隙度相對于Ro,max也表現(xiàn)出敏感性，煤級是孔隙度的控制性因素。除煤級外，煤體結(jié)構(gòu)、鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率對孔隙度也有影響，但對不同煤級區(qū)的影響程度不同。在中低煤級區(qū)，復雜煤體結(jié)構(gòu)導致孔隙度降低；在高煤級區(qū)，復雜煤體結(jié)構(gòu)導致孔隙度升高。在低煤級區(qū)，鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率對孔隙度影響明顯；在中高煤級區(qū)，鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率對孔隙度影響程度減弱。基于本文研究獲得的孔隙度影響因素的認識，在不同煤級區(qū)煤層氣開發(fā)潛力評價中，應采用不同的策略:

(1)無論在什么煤級區(qū)的區(qū)塊/礦區(qū)內(nèi)，Ro,max變化對煤巖孔隙度均有影響，Ro,max參數(shù)是儲層物性評價的重要參數(shù)?？筛鶕?jù)煤巖孔隙度隨變質(zhì)程度的演化規(guī)律合理評價研究區(qū)的孔隙度分布范圍，以求實現(xiàn)對儲層物性的有效評估。

(2)在中低煤級區(qū)，復雜的煤體結(jié)構(gòu)對煤儲層物性具有破壞作用；在高煤級區(qū)，復雜煤體結(jié)構(gòu)對物性有一定的改善作用。據(jù)此可多結(jié)合煤體結(jié)構(gòu)測井解釋，針對不同煤體結(jié)構(gòu)和煤級的儲層完善壓裂制度，采取不同的壓裂強度，以實現(xiàn)對目的煤層的優(yōu)化改造[31]。

(3)在低煤級區(qū)，鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率是孔隙度評價的重要參數(shù)；而在中高煤級區(qū)，二者對孔隙度的影響可以忽略。

5 結(jié) 論

通過以上研究，本文共得到以下4點認識:

(1)無論在什么煤級區(qū)的區(qū)塊/礦區(qū)內(nèi)，Ro,max變化對煤巖孔隙度均有影響，Ro,max參數(shù)是儲層物性評價的重要參數(shù)。低煤級區(qū)煤巖孔隙度對Ro,max的變化最為敏感，中高煤級區(qū)煤巖孔隙度對Ro,max的敏感性則較弱。另外，低煤級區(qū)區(qū)塊/礦區(qū)內(nèi)部的孔隙度分布區(qū)間明顯大于中高煤級區(qū)區(qū)塊/礦區(qū)內(nèi)部孔隙度的分布區(qū)間。

(2)孔隙度平均值隨Ro,max升高呈現(xiàn)出高-低-高-低的變化，建議將煤巖孔隙度隨煤級變化劃分為4個部分，即隨煤級升高:Ro<0.65%，孔隙度急劇減?。籖o介于0.65%～1.65%之間，孔隙度緩慢降低；Ro介于1.65%～3.5%之間，孔隙度升高；Ro>3.5%，孔隙度降低。

(3)在中低煤級區(qū)，復雜的煤體結(jié)構(gòu)對煤儲層物性具有破壞作用；在高煤級區(qū)，復雜煤體結(jié)構(gòu)對物性有一定的改善作用?？啥嘟Y(jié)合煤體結(jié)構(gòu)測井解釋，針對不同煤體結(jié)構(gòu)和煤級的儲層完善壓裂制度，采取不同的壓裂強度，以實現(xiàn)對目的煤層的優(yōu)化改造。

(4)在低煤級區(qū)，鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率對孔隙度影響明顯，建議將鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率作為孔隙度評價的重要參數(shù)；在中高煤級區(qū)，鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率對孔隙度影響程度減弱，可將二者作為孔隙度評價的參考指標。