李榮雷 馮云飛 韓明輝
摘要:為研究黔西織納煤田阿弓向斜煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征,指導(dǎo)該區(qū)煤層氣開發(fā)和煤礦瓦斯抽采,對(duì)研究區(qū)施工的煤層氣參數(shù)井DJT1井主采煤層煤樣做了壓汞、煤巖鑒定等相關(guān)實(shí)驗(yàn),結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了煤層中孔隙特征及孔隙表征參數(shù)的變化規(guī)律,探討了該區(qū)孔隙特征的地質(zhì)控制因素。結(jié)果表明:孔隙形態(tài)以開放孔為主,含一定數(shù)量的半封閉孔。總孔容在0.022?5~0.033?1?mL/g,小孔所占比例最高,其次是微孔。孔隙率和孔容隨煤變質(zhì)程度增加呈現(xiàn)遞減變化。煤巖顯微組分鏡質(zhì)組含量普遍超過55%,控制了微孔和小孔的含量,而礦物質(zhì)含量的增加總體上對(duì)孔隙發(fā)育產(chǎn)生不利影響。
關(guān)鍵詞:阿弓向斜?主采煤層?孔隙特征?壓汞實(shí)驗(yàn)
中圖分類號(hào):TE31;P618.13
Research?on?the?Pore?Structure?Characteristics?of?the?Main?Coal?Seam?in?the?North?Flank?of?the?Agong?Synclinal?Coal?Reservoir?in?Qianxi
LI?Ronglei???FENG?Yunfei*??HAN?Minghui
(Guizhou?Engineering?Technology?Research?Center?for?Coalbed?Methane?and?Shale?Gas,?Guiyang,?Guizhou?Province,?550081?China)
Abstract:?In?order?to?study?the?pore?structure?characteristics?of?the?Agong?synclinal?coal?reservoir??of?the?Zhijin-Nayong?Coalfield?in?Qianxi?to?guide?the?development?of?coal-bed?methane?and?the?extraction?of?coal?mine?gas?in?this?area,?relevant?tests?such?as?mercury?intrusion?and?coal?rock?identification?have?been?carried?out?on?coal?samples?from?the?main?coal?seam?of?Well?DJT1,?a?coal-bed?methane?parameter?well,?constructed?in?the?research?area,?the?change?laws?of?the?porosity?characteristics?and?pore?characterization?parameters?in?the?coal?seam?have?been?analyzed?in?combination?with?test?data,?and?the?geologic?control?factors?of?the?porosity?characteristics?in?this?area?have?been?explored.?The?results?show?that?the?pore?morphology?is?dominated?by?open?pores,?with?a?certain?number?of?semi-closed?pores,?that?the?total?pore?volume?ranges?from?0.022?5?to?0.03?31mL/g,?with?the?highest?proportion?of?small?pores,?followed?by?micropores,?that?the?porosity?and?pore?volume?decrease?with?the?increase?of?the?degree?of?coal?metamorphism,?and?that?the?content?of?the?maceral?vitrinite?of?coal?petrography?generally?exceeds?55%,?which?controls?the?content?of?micropores?and?small?pores,?while?the?increase?of?mineral?content?generally?has?a?negative?impact?on?the?development?of?pores.
Key?Words:?Agong?synclinal?coal?reservoir;?Main?coal?seam;?Porosity?characteristic;?Mercury?injection?porosimetry
煤層氣的勘探開發(fā)對(duì)于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),保障煤礦安全生產(chǎn),助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要作用。研究煤儲(chǔ)層孔隙性、滲流特征和煤層氣資源可采性的地質(zhì)基礎(chǔ)是正確認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)特征[1]。符宏斌等人[2]借助采用高壓壓汞、低溫N2吸附和CO2吸附探討了黔西地區(qū)高煤級(jí)煤的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)含氣性的影響。陳劉瑜人等[3]通過貴州北部典型煤礦煤樣的低溫液氮吸附試驗(yàn),揭示了突出煤孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯吸附能力與放散性能影響。李祥春等人[4]建立了煤納米孔結(jié)構(gòu)的聯(lián)合表征模式,并對(duì)不同變質(zhì)程度的煤進(jìn)行了表征。林華穎等人[5]采用紅外光譜、低溫氮?dú)馕椒ê蛪汗瘜?shí)驗(yàn)方法,研究了黔北地區(qū)煤體在構(gòu)造作用下孔隙結(jié)構(gòu)與分形特征。煤儲(chǔ)層的孔徑分布和孔隙類型對(duì)煤層氣的吸附、擴(kuò)散和滲流具有重要影響。目前,阿弓向斜主采煤層的孔隙結(jié)構(gòu)特征研究工作相對(duì)較少。因此,通過對(duì)煤層氣參數(shù)井DJT101孔主采煤層壓汞實(shí)驗(yàn)分析了孔徑結(jié)構(gòu)特征,并結(jié)合煤巖鑒定資料綜合分析了控制孔隙發(fā)育的地質(zhì)因素,對(duì)該地區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)和煤礦的瓦斯治理具有重要的意義。
1?研究區(qū)背景
研究區(qū)位于黔西織納煤田阿弓向斜的北翼,為一單斜構(gòu)造。地層走向近南北,傾向東;礦區(qū)地層傾角一般15°~25°。煤層氣參數(shù)井DJT1井揭露煤系地層井深371.60~639.30?m,偽厚267.70?m,全層真厚255.86?m。全井含煤層29層,煤層總偽厚42.22?m,煤層總真厚39.91?m,含煤系數(shù)為15.60%??刹擅簩?層,可采煤層總偽厚34.77?m,總采用真厚31.89?m。
2?樣品采集與測(cè)試
煤樣采自煤層氣參數(shù)井DJT1井,包括6、14、16、21、27、32號(hào)煤等共計(jì)6套主采煤層。對(duì)煤巖樣品開展了壓汞測(cè)試。采用純凈煤樣,統(tǒng)一破碎至2?mm左右,放入壓汞儀中,計(jì)算機(jī)程控點(diǎn)式測(cè)量,記錄進(jìn)汞階段和退汞階段壓力數(shù)據(jù)。壓汞實(shí)驗(yàn)使用的是美國(guó)康塔儀器公司生產(chǎn)的Quantachrome?PoreMaster?60GT—康塔壓汞儀。儀器壓力范圍0~413?MPa,測(cè)量孔徑范圍3?nm~1?000?μm。汞表面張力取0.485?N/m,汞與固體表面的接觸角取140°。
3?結(jié)果與討論
3.1?測(cè)試結(jié)果
壓汞實(shí)驗(yàn)采用B.B.Xoдor[6]的十進(jìn)制分類系統(tǒng),即:大孔孔徑>1?000?nm;中孔孔徑1?000?nm?到100?nm;小孔孔徑100?nm?到10?nm;微孔孔徑<10?nm。各主采煤層的壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。為消除人為裂隙的干擾,剔除孔徑>10?000??nm的測(cè)試數(shù)據(jù)。
主采煤層的壓汞測(cè)試結(jié)果表明:平均孔隙率為3.78%,平均孔容為0.027?6?cm3/g,平均總表面積為6.486?m2/g,平均孔徑為17.06?nm。相較于沁水盆地煤儲(chǔ)層孔隙率平均值5.80%和鄂爾多斯盆地8.32%,研究區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙率較低。從孔徑分布特征來看,各主采煤層整體以微孔和小孔為主,個(gè)別煤樣外,各類孔隙所占體積比例的順序?yàn)樾】?微孔>中孔>大孔。這與前人研究認(rèn)為隨煤層變質(zhì)程度升高,微孔和小孔占比增加的結(jié)論相一致。
3.2?壓汞曲線分析
從參數(shù)井目的煤層壓汞曲線來看,參數(shù)井主要目的煤層的退汞滯后現(xiàn)象較明顯,孔隙類型以開放孔為主,孔隙連通性較好,有利于煤層氣的滲流產(chǎn)出,尤其以6號(hào)煤和14號(hào)煤退汞滯后現(xiàn)象最為顯著(如圖1所示),這與其較高的大孔、中孔含量有關(guān)。
3.3?孔比表面積分布特征
煤的比表面積與煤的孔隙結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。從表2可以看出,微孔的比表面積占比較多,含量大于60%;其次為小孔,所占比例在38%左右;大孔和中孔所占的比例很小,基本小于1%。
4?孔隙發(fā)育的控制因素
研究表明:除礦物質(zhì)含量影響研究區(qū)主采煤層的孔隙系統(tǒng)外,煤級(jí)和煤巖顯微組分在一定程度上控制著研究區(qū)各主采煤層孔隙系統(tǒng)的形成和發(fā)育。具體煤巖鑒定測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。
4.1?煤級(jí)對(duì)孔隙系統(tǒng)影響
煤的變質(zhì)程度與煤的孔徑分布普遍關(guān)系密切,通常隨著煤階的變化而規(guī)律性的變化。研究區(qū)各主采煤層的孔隙率和孔容隨著煤級(jí)的增高而降低。
4.2?煤巖組分對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響
從宏觀角度來說,煤的宏觀煤巖成分決定煤的孔隙結(jié)構(gòu)分布。從鏡煤、亮煤、暗煤到絲炭,呈現(xiàn)小孔和微孔逐漸減少,而大、中孔不斷增多的特征。從微觀角度來說,不同的顯微組分中,孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育和孔隙類型組合差異非常大,以鏡質(zhì)組為例,其主要發(fā)育微孔和小孔。煤巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:研究區(qū)主采煤層鏡質(zhì)組的平均含量為61.88%,另外,各主采煤層壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,各主采煤層的孔隙類型以微孔和小孔為主,綜上所述,鏡質(zhì)組含量大小控制研究區(qū)主采煤層的孔隙結(jié)構(gòu)特征。
4.3?礦物質(zhì)含量對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)影響
煤層中的礦物成分對(duì)孔隙發(fā)育有正反兩方面的作用:一方面,礦物成分將煤巖中的大孔和中孔部分充填,使得煤巖的孔隙總體積降低,大部分研究人員認(rèn)為礦物質(zhì)的存在對(duì)孔隙系統(tǒng)發(fā)育起負(fù)面作用;然而礦物本身可能存在一些粒間孔等,對(duì)煤的總孔容有微小的貢獻(xiàn)。研究區(qū)主采煤層的無機(jī)組分(黏土類礦物、硫化物類礦物、碳酸鹽類礦物)平均含量為15.75%。研究表明:研究區(qū)主采煤層的大中孔的含量與礦物質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即隨著礦物質(zhì)含量增加,大中孔含量減小。綜上所述,煤層中存在礦物成分是研究區(qū)主采煤層中大中孔含量較少的一個(gè)重要原因。
5?結(jié)論
(1)煤層壓汞測(cè)試表明,各主采煤層平均孔隙度為3.78%,平均孔容為0.027?6?cm3/g,平均總表面積為6.486?m2/g,平均孔徑為17.06?nm。各主采煤層中孔隙分布不均勻,孔隙類型以微孔和小孔為主,兩者含量之和普遍在70%以上。孔隙的形態(tài)以開放型孔為主。比表面積占比微孔最多,含量在86.39%~89.13%,為煤層氣的吸附提供了儲(chǔ)集空間。
(2)研究區(qū)主采煤層的孔隙率隨煤變質(zhì)程度增加呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。研究區(qū)主采煤層鏡質(zhì)組的平均含量為61.88%,控制了各主采煤層中小孔和微孔的發(fā)育。煤層中礦物質(zhì)的存在整體上對(duì)孔隙的發(fā)育產(chǎn)生不利影響,初步推斷煤層中存在礦物成分是造成研究區(qū)主采煤層中大中孔含量較少的一個(gè)重要原因。
參考文獻(xiàn)
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