煤储层汞置换法孔隙特征
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发布时间：2022-04-25 04:22
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时间：2022-05-03 06:54
1.准噶尔盆地煤储层汞置换法孔隙特征
（1）孔隙度
汞置换法只能测量孔隙半径为3.75～7500 nm之间的孔隙体积，因此计算得到的孔隙度只能称为视孔隙度。准噶尔盆地煤储层视孔隙度3.85%～8.09%，中值半径0.0077～1.1359 μm（表4-11）。煤的孔隙度与煤热演化程度密切相关。泥炭阶段由于沉积物处于地表浅层，颗粒之间胶结疏松，成岩作用尚未发生，具有高的孔隙度；而孔隙度的快速降低和由此而伴随的脱水作用是褐煤煤化作用期间发生的最重要物理过程；随煤化程度的进一步提高，煤的孔隙度逐渐降低，至Ro，m为0.8%左右时，其孔隙度降至10%以下，并在肥煤—焦煤阶段表现为最小值，瘦煤以后又稍有提高（李明潮等，1990）。
煤的孔隙度不但与煤变质程度相关，还与煤岩石学组成相关。透射电子显微镜对高挥发分烟煤的研究表明，镜质组具有最小的孔隙，以直径为2～20 nm的扁平孔隙为主，而惰性组是孔隙最丰富的显微组分，孔径为5～50 nm（Harris and Yust，1967，1969）。惰性组较镜质组具有更大的孔隙度，惰性组的孔隙含量主要取决于有结构且未被其他物质充填的惰性组分含量。壳质组的孔隙最不发育（Mahajian，1982）。虽然无机矿物在煤中的含量一般较低，但对煤的孔隙特征具有很大影响。煤中矿物主要是粘土矿物，其次是黄铁矿和碳酸盐岩，它们常常充填于丝炭胞腔、粒间孔隙和微裂隙中。据张新民等（1991）的资料，随着矿物含量增加，煤中大孔和中孔的体积减少，尤其是大孔体积急剧减少，而微孔和小孔的体积减少不大。从油气运移的角度，当孔隙度达10%以上时，油气运移比较有利，而当孔隙度达10%以下时，油气运移较为困难。从这个意义上说，低变质煤中由于孔隙度较高而利于煤层气的储集与运移。
（2）孔隙类型与孔隙分布
表4-11 压汞煤微观结构测定参数表（1）
根据压汞分析统计资料（表4-11、4-12，图4-1、4-2），准噶尔盆地煤储层孔隙具双峰分布特点，以小-微孔和大孔为主，尤以小-微孔占优势，其孔隙体积百分含量42.31%～85.34%，均＞40%；大孔变化在8.38%～50.61%之间；中孔除个别占40.87%外，一般为3%～17.36%。在垂向上，八道湾组煤储层孔隙的双峰分布特点最为明显，大孔和小-微孔比例基本相当，接近50%；西山窑组煤储层则以小-微孔占优势，高达50%～85%，阜康一带的西山窑组煤储层以小-微孔和中孔为主。
图4-1 准噶尔盆地阜康地区煤储层压汞孔隙分布直方图
煤的孔隙分布特征更能反映煤的孔隙属性。煤的孔隙分布特征与煤热演化程度亦有较好的相关性。煤中中孔和大孔孔隙体积随煤化程度的增加逐渐减小，至Ro为0.85%～0.9%时中孔和大孔孔隙体积占总孔隙体积的45%；以后迅速降低，而微孔和过渡孔隙体积则随成熟度增加而增大，至Ro为0.85%～0.9%以后微孔隙体积增加迅速（王昌桂等，1998）。Gan等（1972）利用氮和汞置换法研究煤的孔隙特性得出，煤中孔隙直径＞30 nm的孔隙体积随煤化程度的增高而降低，由褐煤至高挥发分烟煤阶段（Ro为0.3%～0.7%）总孔隙体积由80%以上锐减至20%左右，孔隙直径1.2～30 nm的孔隙体积在高挥发分烟煤前和低挥发分烟煤阶段后都极不发育，只在中挥发分烟煤阶段比较发育，占总孔隙体积的50%；而孔隙直径＜1.2 nm的微孔体积随煤化程度增高而增高。
表4-12 压汞煤微观结构测定参数表（2）
图4-2 准噶尔盆地巴里坤地区煤储层压汞孔隙分布直方图
煤的孔隙类型也与显微组分组成相关。惰性组中的孔隙类型主要以大孔和中孔为主，而镜质组则以过渡孔和微孔为主。张新民等（1991）通过电子显微镜下观察表明，火焚丝质体的孔隙最为发育，不仅能看到保存完好的细胞腔和管胞，而且可见丰富的纹孔、射线和胞间孔，以大孔为主。相对而言，氧化丝质体和半丝质体的孔隙较少，而且孔径以中孔为主。另外，由于矿物常常充填在煤的中孔和大孔中，因此当煤中矿物含量增高时，其大孔和中孔含量相对较低。
从煤的孔隙分布特征分析推断，本区低煤级煤对煤层气的储集和运移较为有利。
（3）孔隙结构
准噶尔盆地压汞分析煤储层微观孔隙结构参数见表4-11，观察发现，在层位上，八道湾组（J1b）的孔隙度、孔隙喉道均值D、峰态Kg值小于西山窑组（J2x），而分选系数SP、偏态SK值大于西山窑组，且SK趋近于0。反映出J1b的孔喉分布趋于呈正态分布，具明显的双峰分布特征，其分选性较差，表明大孔隙在总孔隙中占有一定的比例，同时也存在许多小-微孔。J2x的孔喉分布均为负和较负偏态，分选系数也相对较小，反映其孔喉大小较集中，分选性较好，以大量的小-微孔单峰分布为主。J2x的孔隙度总体大于J1b，但其喉道中值小于J1b，说明J2x的孔隙稍大，喉道偏小，连通性也不如J1b好，可见J2x煤储层相对利于煤层气吸附，J1b煤储层喉道中值半径总体大于J2x（至少）10倍，且变化范围（0.1495～1.1359 μm）较大，其相对更利于煤层气的运移和采出。
根据进汞曲线形态分析，可将准噶尔盆地煤储层的压汞曲线分为如下5种类型：
类型1：曲线近似呈上大下小、不对称的半勺形，即下部在5.2 μm孔径附近曲线趋向横轴偏，凹向右方纵轴，说明有一定的粗偏成分，存在一定量的大孔，分选差—中等；上部在0.0883 μm孔径以上部分曲线明显偏向纵轴，与横轴交角总体最小，凹向左方纵轴，说明有较多的细偏成分；存在大量微孔，分选性好。如昌吉硫磺沟J2x的5＃、7＃样品，具有这种孔喉特征。
类型2：以阜康J2x的FK1-2样品为代表，曲线近似呈不对称的L形，以0.735 μm孔径（或1 MPa毛管压力）为拐点，凹向左方，上半部分靠向横轴，下半段靠向纵轴，两部分较为光滑，对称性尚可，反映略细偏，分选性较好，其小-微孔略多于中孔。
类型3：以阜康J2x的FK2-2样品为代表，曲线近似呈不对称的弧形（或称勺形），总体凹向左方，大段曲线靠向右上方的横轴且较圆滑，反映出明显的细偏，分选性较好。
类型4：曲线明显占据中部区域，略呈反S形，即以5.2 μm孔径为拐点，＞5.2 μm段曲线凹向右方，呈折线状倾斜展布；＜5.2 μm段曲线凹向左方，呈较光滑弧线倾斜状展布，反映出明显的粗偏+细偏的双峰分布特点，分选性不好。如阜康J1b的FK3-2、FK4-2样品，巴里坤J2x的BLQ2-2样品具有这种孔喉特征。
类型5：为不规则三段型，如三塘湖盆地J2x的BLQ1-2、ML1-2、STH1-2样品具有这种孔喉特征。曲线不甚规则，总体凹向左方，呈三段式，下段略呈向右上方凹进趋势，靠近纵轴，斜率较大，或呈直线状，陡倾斜分布，略向右上方凹进；中段趋向横轴倾斜，斜率减小；上段靠近横轴，斜率最小，中段与上段呈光滑弧线状，凹向下方，陡倾斜分布，三段长度相差不大，反映粗、中、细偏均有而以细偏居多的多偏混合孔隙分布特点，分选性差。
根据退汞曲线形态分析，大致可将准噶尔盆地煤储层的退汞曲线分为如下4种类型。
类型1：以昌吉硫磺沟J2x的7＃样品、阜康三工河J1b的FK3-2及FK4-2样品为代表，退汞与进汞曲线路径十分接近，吻合很好或较好，退汞曲线呈较长的弧线状或有一定长度，其退汞效率最高，达到74.93%；或有一定退汞量。
类型2：退汞与进汞曲线路径有一定距离，两曲线形状相似，呈弧线状，凹向左下方，说明有一定退汞量。如阜康三工河J2x的FK2-2样品、巴里坤J2x的BLQ1-2及BLQ2-2样品。
类型3：退汞与进汞曲线路径相差较大，近于呈直线状，说明退汞较少。如三塘湖盆地J2x的STH1-2、ML1-2样品。
类型4：以阜康三工河J2x的FK1-2样品为代表，退汞与进汞曲线路径相差极大，退汞曲线呈折线状，由喉道半径0.0237 μm处起近似为直线，退汞极少。
由压汞法煤储层结构参数表4-11、4-12可知，最小非饱和孔隙体积百分数（Smin）以昌吉硫磺沟J2x煤样最大，表明其小孔隙喉道所占的体积最多，而其退汞效率也为最高，达74.93%，反映虽然以小孔喉为主，但连通性好，非润湿相的毛细管效应采收率可以较高。但其饱和度中值压力高达95 MPa以上，说明煤岩很致密，极偏向于细歪度，当孔隙中同时存在气水两相系统时，其渗滤能力很低，使产能受到极大影响。阜康一带J1b和J2x煤样的退汞效率，除暗淡煤外尚可，达45%～55%，而最小非饱和孔隙体积百分数为0，平均孔喉体积比均为1 μm左右，反映其孔隙与喉道体积近于相等，有中等连通性，微-小孔隙喉道所占体积不大，并主要影响了退汞效率。
从层位上看，J1b的退汞效率较高—中等，饱和度中值压力低—较低，变化于0.647～4.919 MPa，反映煤储层为中等致密，接近中等偏度，渗透率较高，其煤层气的产能应较高。J2x煤样的退汞效率、最小非饱和孔隙体积百分数、平均孔喉道体积比、饱和度中值压力变化较大，说明孔隙结构复杂，渗透率变化也较大，总体产能尚好。从煤岩类型看，光亮煤、半亮煤的孔隙结构参数性质最好，半亮-半暗煤次之，而暗淡煤最差，对煤层气聚采不利。
2.塔里木盆地煤储层汞置换法孔隙特征
压汞实验表明塔里木盆地北缘东部阳霞矿区孔隙发育程度较高，孔隙度12.37%～33.41%，其中，半径＞1000 nm的大孔占9.172%～34.494%，半径介于1000～100 nm的中孔占3.803%～50.468%，80%以上的煤样中中孔比率达到24.729%，半径＜100 nm的小-微孔占20.685%～74.952%，可见该区煤层的孔隙以中孔和小到微孔为主。盆地西部俄霍布拉克矿区孔隙度2.85%～12%，其中，大孔占5.244%～39.79%，中孔占2.647%～5.454%，小到微孔占54.757%～92.11%，可见该区煤层的孔隙以小到微孔为主。阿艾东风矿区孔隙度为3.369%～14%，其中，大孔占14.546%～28.543%，中孔占2.037%～6.007%，小到微孔占65.451%～83.418%，可见该矿区煤层的孔隙也是以小到微孔为主（表4-13）。
表4-13 塔里木盆地煤储层压汞实验结果表
由分析试验结果可以看出，塔里木盆地俄霍布拉克矿区、阿艾东风矿区及阳霞煤产地侏罗系顶部煤储层部分层位孔隙具双峰分布特点，以小-微孔和大孔为主，尤以小-微孔占优势。小-微孔的孔隙体积百分含量介于54.757%～92.11%，平均为74.138%；大孔变化在5.244%～39.79%之间，均值在21.874%；中孔含量较低，介于2.647%～6.007%。而阳霞煤产地侏罗纪煤层中下部层段孔隙中中孔占主要部分，含量高达24.729%～50.468%；该煤层层段中大孔所占比例约为9.172%～34.494%，均值为17.155%；小-微孔含量介于20.685%～66.099%，均值为42.860%。
塔里木盆地压汞分析煤储层微观孔隙结构参数孔隙喉道均值D平均在12.1223 μm，峰态Kg值在1.38～13.8之间，其中最低、最高值都在俄霍布拉克煤矿。孔隙分布偏态SK在各矿区均为负值。饱和度中值压力变化较大，变化在1.692～99.81 MPa。
3.吐哈盆地煤储层汞置换法孔隙特征
（1）孔隙度及孔隙结构
据压汞实验资料显示，吐哈盆地煤储层孔隙度变化较大。视孔隙度一般在3.72%～22.58%。三道岭矿区煤样的孔喉均值为12.341～14.658 μm，中值半径为0.0291～0.0627 μm，饱和中值压力为11.73～66.62 MPa，退汞效率在24.8%～57.7%；艾维尔沟矿区煤样的孔喉均值相对较小，一般在6.628～10.288 μm，而中值半径相对较大，为0.1522～37.2048 μm，饱和中值压力为0.02～4.487 MPa，退汞效率在64.82%～84.66%。七泉湖矿煤样的孔喉均值为8.77 μm，中值半径为0.879 μm，饱和中值压力为0.837 MPa，退汞效率达91.5%（表4-14）。
表4-14 吐哈盆地煤储层压汞实验参数表
新疆地区侏罗系煤的镜质组反射率与孔隙率散点图（图4-3）表明，煤的视孔隙度大小与煤储层的热演化关系明显。由于低变质程度的褐煤、弱粘结煤及长焰煤的结构较疏松，其孔隙率相对较大，如哈密地区的三道岭矿区煤储层孔隙率一般在20%左右（表4-14），而艾维尔沟矿区煤储层孔隙率在5%左右。
煤的孔隙度不但与变质程度有关，还与煤的显微组分关系密切。惰性组含量高的煤层其孔隙度明显高于以镜质组及壳质组为主的煤层，如七泉湖矿煤的惰性组含量为9.8%，三道岭矿煤的惰性组含量在14.6%～89.8%，两地镜质组反射率均在0.5%左右。然而，七泉湖矿煤的孔隙率在3.72%左右，和三道岭矿区煤的孔隙率20%左右相比相差数倍。
图4-3 新疆地区侏罗系煤的镜质组反射率与孔隙度关系
（2）孔隙类型
根据孔隙分布特征，吐哈盆地煤储层的孔隙可分为以下几类：
Ⅰ类：大孔及过渡孔发育，中孔含量小。该类裂隙发育于镜质组及壳质组含量较高的低变质煤中，煤层中含有部*隙，如七泉湖煤矿红灰层（图4-4（a））。
Ⅱ类：过渡孔及小孔特别发育，中孔及大孔均不发育。该类孔隙主要分布于低变质区暗煤分层，如三道岭矿区4煤暗煤分层，该分层很少发育裂隙（图4-4（b））。
Ⅲ类：中孔及微孔较发育，大孔不发育。该类孔隙发育于含镜质组较高的中低变质煤层中，如三道岭4号煤亮煤分层（图4-4（c））。
Ⅳ类：大孔发育，其他孔径的孔含量相对较少。该类孔隙主要分布于煤的变质程度较高，煤岩组分以镜质组为主的地区，如艾维尔沟矿区（图4-4（d））。
图4-4 吐哈盆地煤储层孔隙类型
按压汞曲线特征、进汞饱和中值压力及退汞效率可将吐哈盆地煤储层分为3类（表4-15）：第一类分布于艾维尔沟矿区；第二类出现于中低变质煤中，如七泉湖矿；第三类存在于低变质煤之中，如三道岭矿区。
4.伊犁盆地煤储层汞置换法孔隙特征
由压汞毛细管分布曲线可知，H4、H9煤在0.9 MPa以前约有40%的孔隙进汞，之后到10 MPa左右又有一个进汞*，有40%～50%孔隙进汞，随着压力进一步增大，进汞比例趋于减小。这反映了H4和H9煤的孔隙结构特点。在低压阶段（0～0.9 MPa）进汞反映的是大孔和割理的发育过程，在1～10 MPa的中压阶段反映了中孔的发育特点，10～100 MPa的高压阶段反映了小孔-微孔的发育特性。H6煤则在0.8 MPa前仅有20%的孔隙进汞，在0.8～10 MPa阶段则有40%的孔隙进汞，10～100 MPa阶段进汞亦趋于减少，这也表明H6煤的孔隙结构不同于H4和H9煤，中孔最发育，大孔次之。总体看，该区煤储层孔隙压汞曲线单调上升，排驱压力也很高。这充分说明煤储层具有比较均质的孔隙结构系统和强度很高的孔隙骨架。从煤压汞实验孔隙定量参数看，亦反映出同样的变化规律，该区煤层孔隙度介于33.49%～40.88%，其中，孔径大于1000 nm的大孔占27.88%～40.95%，孔径介于1000～100 nm的中孔占36.82%～51.99%，孔径小于100 nm的小孔-微孔占8.93%～35.12%。由此可见，该区煤层的孔隙以中孔和大孔为主，而小孔-微孔则不发育（表4-16）。孔隙中值半径介于0.332～0.8245 μm，退汞效率介于8.51%～8.89%，表明煤层气理论可采效率不高。
表4-15 吐哈盆地煤的压汞孔隙实验部分结果
表4-16 伊犁盆地侏罗系煤储层压汞孔隙特征
5.柴达木盆地煤储层汞置换法孔隙特征
压汞实验表明，柴达木盆地北缘鱼卡矿区和大煤沟矿区孔隙发育程度较高，孔隙度18.40%～25.70%，个别样品为8.69%。其中，半径＞1000 nm的大孔占9.165%～57.853%，半径介于1000～100 nm的中孔占11.157%～47.350%，80%以上的煤样中中孔比率达到20.056%，半径＜100 nm的小-微孔占43.251%～52.683%，该区煤层的孔隙以中孔和小到微孔为主。柴北缘绿草山和旺尕秀矿区孔隙发育程度相对较低，孔隙度3.59%～5.31%。其中，半径＞1000 nm的大孔占47.886%～57.853%，半径介于1000～100 nm的中孔占3.936%～10.418%，半径＜100 nm的小-微孔占38.212%～41.695%，该区煤层的孔隙以大孔和小到微孔为主。祁连地区木里（聚乎更）、海德尔和默勒矿区孔隙度为4.70%～17.60%，其中，大孔占23.716%～37.491%，中孔占11.839%～42.201%，小到微孔占34.084%～52.708%，该区煤层的孔隙以大孔和小到微孔为主（表4-17）。
表4-17 柴达木盆地及祁连地区煤储层压汞实验成果表
可见，柴达木盆地及祁连山含煤区绿草山、大煤沟、旺尕秀、木里及海德尔矿区侏罗系煤储层孔隙具双峰分布特点，以小-微孔和大孔为主，尤以小-微孔占优势。小-微孔的孔隙体积百分含量38.212%～52.683%，平均为46.825%；大孔变化在16.983%～57.853%之间，均值在35.47%；中孔除大煤沟矿部分层段含量较高外，其他矿区均在10%左右。而鱼卡和默勒矿区煤层孔隙以中孔为主，含量达42.201%～47.350%；这两个矿区大孔所占比例较低，约9.165%～23.716%。
柴达木盆地及祁连地区压汞分析煤储层微观孔隙结构参数孔隙喉道均值D平均在10.5298 μm，峰态Kg值在1.26～3.12之间，其中最低为绿草山矿区，而鱼卡煤矿最高。孔隙分布偏态SK除绿草山矿区外均为负值。饱和度中值压力变化较大，变化在0.038～9.98 MPa。
6.鄂尔多斯盆地煤储层汞置换法孔隙特征
根据压汞分析统计资料，鄂尔多斯盆地侏罗系煤储层孔隙具双峰分布特点，以小-过渡孔和大孔为主，尤以小-过渡孔占优势，其孔隙体积百分含量36.06%～91.576%，平均73.2%；大孔变化在4.978%～60.3428%之间（图4-5），均值在19.67%；中孔除东胜与宁夏灵新矿在10.789%～19.447%之间外，其他矿区均小于10%。在平面上汝箕沟及柠条塔矿大孔较发育，达60.328%（表4-18）。中孔具有随煤的镜质组反射率的增加，其比例有所增加的趋势（图4-6）。
图4-5 鄂尔多斯盆地煤的孔隙分布
图4-6 煤的压汞实验中孔与Ro，m的关系
表4-18 鄂尔多斯盆地侏罗系煤的压汞孔隙分布
表4-18显示鄂尔多斯盆地压汞分析煤储层微观孔隙结构参数孔隙喉道均值D平均在12 μm、峰态Kg值在1.7～5.1之间，其中最低为汝箕沟矿区，而跳沟矿峰态最高，达5以上。孔隙分布偏态SK均为负值。饱和度中值压力变化较大，变化在0.032～99.82 MPa（表4-19）。
根据进退汞曲线形态分析，可将鄂尔多斯盆地煤储层的压汞曲线分为如下几种类型：
类型a：进汞曲线在大孔范围内上升较快，进入中孔范围曲线平缓，在孔径10 nm左右曲线再次变陡。具该类曲线的煤储层其孔隙分布特征为，大孔最发育，小孔较发育，中孔不发育。以宁夏汝箕沟煤矿高变质煤为代表（图4-7）。
表4-19 鄂尔多斯盆地煤的压汞孔隙结构参数数据一览表
类型b：以鑫源矿为代表。进汞曲线反“S”型，即在孔径大于1000 nm范围内曲线呈上凸形，在1000～10 nm范围曲线平缓进汞量少，而进入到小于10 nm孔径范围，曲线上升较快；退汞曲线与进汞曲线形态相似，基本上重合。孔隙分布以小孔最发育，大孔较发育，中孔少见为特征（图4-8中的b型）。
类型c：进汞曲线上升斜率变化较少，退汞曲线斜率小，效率较低，主要出现在丝质组分含量较高的煤储层中。其孔隙分布特征为，大孔及小孔均较发育、中孔较第一类高，如内蒙东胜煤田、宁夏灵新矿（图4-8中的c型）。
