储集层的储气性能
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发布时间：2022-05-20 12:54
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时间：2023-10-21 18:40
煤层既是生气层，又是储集层，煤层储气的形式与一般的气层不同，是以有机吸附为主，吸附量的大小与煤的孔隙裂隙发育程度以及温度、压力等物理化学环境条件有关。
7.2.1 煤层的孔隙性
煤层之所以能够储存瓦斯，是因为煤层中存在大量的孔隙空间，它构成瓦斯吸附和游离的场所。因此，煤层的孔隙特征（包括大小、数量和类型）就成了衡量瓦斯储存和运移性能的重要因素之一。
7.2.1.1 煤的显微孔隙形态类型
根据对矿区2＃、3＃、5＃及11＃煤层共采集的14块样品在电子扫描镜下放大100～6000倍进行深入细致的观察研究，共拍得扫描照片60张。配合大量的煤薄片及块煤光片显微镜下观察，对本区煤层的孔隙形态按成因分为孔隙和裂隙两大类，每一类型包含若干具体的形式。
（1）孔隙
包含以下四种具体形式：
1）气孔（或生气孔）。它是煤化作用过程中形成天然气时，气体逸出留在煤中的一种超微构造或痕迹。在各种煤化程度的煤及各种煤岩组分中都有存在，但主要以镜质组最为发育，一般气孔很少单个出现，常常由多个孔密集成群或成带分布，排列无序，气孔的外形多呈圆形，椭圆形，轮廓圆滑，也有部分气孔因受后期挤压而不规则。气孔的大小相差悬殊，通常气孔内无矿物质充填，气孔本身很少见有连通情况，常见的是多被裂隙串通起来，气孔的大量存在说明本区煤层曾经有过普遍的生气过程。从不同煤层气孔的发育情况看，以3＃煤层气孔最为发育，不仅数量多，而且孔径大，2＃、11＃煤层气孔较少，并且多数只能在6000倍左右的放大倍数下看到。5＃煤层气孔发育介于上述3＃与2＃、11＃煤层之间。
2）植物残余组织孔。它是成煤植物本身所具有的细胞结构孔，镜下常见是结构镜质体及丝质体中残留的胞腔组织，在2＃、3＃、5＃煤层比较发育，尤以5＃煤层最为发育，11＃煤层少见，植物残余组织孔的最大特点是大小均一，排列整齐，保存完整，内无充填，它们常呈带状或片状形式出现。由于受后期构造作用，有些胞腔孔有压扁现象。
3）铸模孔。为煤中原生矿物晶体留下的印坑，这些原生矿物晶体在煤层成岩固结阶段，因本身硬度大，与周围有机质接触处因差异压实作用，易产生间隙，使得流水易于出入，在一定的水动力、水介质条件下，矿物晶粒溶解或遭受冲击而易于脱落，这样在煤体中就留下了与晶粒大小一致，形态相仿的印坑。这类孔在2＃、3＃、5＃煤层中均可见到，以2＃和5＃煤层较多，由于受溶蚀作用，大多印坑边缘形状不很规则。
4）粒间孔。是指破碎的煤粒之间具有的孔隙。煤破碎成碎粒，在没有压实或充填的情况下，镶嵌疏松，粒间孔隙较多。这在煤体破坏程度较高的碎粒煤中常见。
以上孔隙除气孔外，似乎与生气无关，但它们和气孔一样，可作为运气的通道和储气的空间。
（2）裂隙
包含以下三种具体形式：
1）内生裂隙。指成煤过程中，成煤物质特别是均一镜质体，受到地壳温度和压力的影响，体积收缩产生内应力生成的裂隙。这类裂隙在镜质组中最为发育，表现为裂隙面平直，垂直层面，尤在2＃、3＃煤层中较为发育。
2）构造裂隙。是指煤层受到一次或多次构造应力破坏而产生的裂隙。按力学性质分张性、剪性及张剪性三种。张性裂隙均表现为开启性，呈追踪状或锯齿状，延伸较短，尾端有分叉现象，很少见到矿物充填，仅在11＃煤层见到局部有碎粒充填。张裂隙在各煤层均有发育，其发育程度与煤体破碎程度及所在构造部位关系密切。在原生结构煤中，以超微裂隙为主，在碎裂、碎块煤中，既可见到超微裂隙，又可见到宽度较大的显微裂隙。在碎粒及糜棱煤中，因煤体破坏严重、张裂隙已不再存在。剪裂隙裂隙面较为平直紧闭，方向性强，常成组出现，以3＃煤层较为常见。张剪性裂隙介于张性与剪性裂隙之间，裂隙面微张开，裂隙面较平直，延伸较长。
3）缩聚失水裂隙。是在成煤过程中因煤体压实失水收缩而产生的一些裂缝。裂隙宽度不一，裂隙面弯曲，形状不规则，有时有分支现象，该类裂隙仅在3＃煤层中见到。
从对本区煤层的孔隙特征观察，我们认为本区煤层既不是单一孔隙型储层，也不是单一的裂隙型储层，而是既有孔隙又有裂隙存在的孔隙－裂隙型储层，一般孔隙为瓦斯的主要储集空间，裂隙虽也构成储集场所，但主要为渗透通道，孔隙中以气孔为主要类型，其次为植物残余组织孔和铸模孔。气孔和植物残余组织孔常有密集成群或成带分布的特点，其发育程度受煤化程度、煤岩组分和成煤环境影响，裂隙以张裂隙较为常见，开启性较好，其发育程度受构造部位及煤体结构的控制。在3＃煤层中，常见裂隙与气孔和植物残余组织孔的发育有一定的联系性，表现在气孔和植物残余组织孔成群分布的地方或附近常有裂隙存在。
7.2.1.2 孔隙度
孔隙度是用来表示储层孔隙容积大小的定量指标。储层的孔隙度越大，表明煤层中孔隙空间越大，有利于煤层气的储存和运移。孔隙度一般有两种：一种为绝对孔隙度，又称总孔隙度，系指煤层中所有孔隙空间占该煤层外表体积的百分比，一般采用测煤层真、视比重的办法进行计算；另一种为有效孔隙度，是指与煤层中流动着的流体体积相等的孔隙体积与煤层外表体积的百分比，不管孔隙是否连通，绝对孔隙包括了煤层中所有的孔隙空间，即包括了流体可以在其中流动的孔隙，无法流动的微毛细管孔隙及不连通的死孔隙等，主要用于评价煤层气的储集性。有效孔隙是指那些相互连通的、能够使流体在其中流动的孔隙，其大小与煤层气运移渗透性关系密切，表7.10是对本区煤层采用真、视比重法及压汞法测定的总孔隙度及有效孔隙度。
表7.10 韩城矿区煤层总孔隙度测定表
从表可以看出，不同地段、不同煤层以及同一煤层不同部位总孔隙度及有效孔隙度均有较大变化，全区各煤层平均孔隙度3.37%，以北区3＃煤层最高，平均8.48%，次为北区2＃煤层，其余各煤层均小于5%。在北区，各煤层孔隙度大小排序为3＃＞2＃＞11＃，在南区各煤层孔隙度大小排序为5＃＞11＃＞3＃，各煤层有效孔隙度的排序与总孔隙度的排序具有一致性。反映出二者之间具有明显的相关性，即总孔隙度高，有效孔隙度也高，总孔隙度低，有效孔隙度也低。目前尚未见到对煤储层按孔隙度进行级别划分的方案，不过总孔隙度大小的排序情况已能较好地反映各煤层储存气体空间的大小。
本区煤层孔隙在发育上看不出与煤质和煤种间的联系，却比较明显地与煤体结构的破坏程度有关。如全矿区普遍发育的3＃煤层，在北区属煤与瓦斯突出危险煤层，以碎裂煤及糜棱煤为主，煤层均具有较高的孔隙度，而在南区，则以原生结构煤为主，具有较低的孔隙度。再如南区5＃煤层以碎裂煤为主，其孔隙度就大于原生结构的3＃煤。
7.2.1.3 煤的微孔隙大小
煤是一种多孔物质，孔直径变化很大，大到微米级的裂隙，小到连氦分子（直径为1.78Å）也无法通过的孔隙，相差达5～6个数量级，在肉眼情况下，只能观察到＞0.01cm的内生裂隙，然而就煤层气的储存和运移来讲，更重要的是那些肉眼看不见的孔隙及其孔径分布。迄今为止，对孔隙尚无统一的分类标准，不同研究者从不同的目的和测试条件出发，提出了不同的分类（表7.11）。
表7.11 煤孔隙分类一览表
（据张新民等，1991）
其中对煤层甲烷研究比较合适的分类要属B.B.霍多斯（1966）的分类，它把孔隙按孔径大小分为四类，该分类是在工业吸附剂的基础上提出的（B.B.霍多斯著，宋士钊等译，1966），他认为微孔构成煤的吸附容积，小孔构成瓦斯毛细凝结和扩散的区域，中孔构成瓦斯缓慢层流渗透的区域；而大孔构成剧烈层流渗透区域。因此，我们采用这一分类。但与B.B.霍多斯观点稍有不同的是：苏联学者N.B.维索茨基（1979）认为：在半径小于15Å即与气体分子具有同一大小级别（气体分子直径从氦2.18Å变化到丙烷的4.9Å）的孔隙中，气体不形成吸附层，仅充满孔隙。吸附最有效的孔隙半径在15～1000Å之间（H.B.维索茨基，戴金星等译，1986）。这一认识与人们对煤进行的高压等温吸附试验和压汞试验取得的成果基本相一致。即煤的吸附量随煤阶的变化，与煤中半径为18～1000Å之间的孔隙体积随煤阶的变化二者之间有很好的一致性。从而我们认为不仅煤中微孔对甲烷的吸附起主导作用，而且小孔也起主要作用，它们二者共同构成了煤吸附容积的主体，是孔隙中储集甲烷最重要的空间。据对煤层采样测定，本区各煤层微孔及小孔占煤层总孔隙总量的体积百分比如表7.12所示。
表7.12 孔隙结构压汞试验测试结果 （单位：%）
从表中看出，不同煤层中微孔及小孔所占体积百分比变化很大。但仅从微孔与小孔的体积百分比还不足以说明各煤层吸附容积的大小，因为微孔与小孔的体积百分比只反映了它在各煤层孔隙总量中所占的比例，还不能体现出它在煤层中发育的数量和程度。用微孔与小孔的体积百分比乘以煤层孔隙率则能较好地说明这两类吸附孔隙的发育程度。从上表看出，全矿区各煤层中，以北区2＃及3＃煤层吸附孔隙率较高，其他各煤层吸附孔隙率值均低于1.5%。在北区三层煤中，微孔和小孔孔隙率大小排序为2＃＞3＃＞11＃；在南区，三层煤微孔及小孔孔隙率大小排序为5＃＞11＃＞3＃。如果其他控制因素相同，则各煤层储存甲烷的性能亦当如此，如将此顺序与各煤层钻孔甲烷含量平均值大小顺序相比较，除北区2＃煤层外，二者顺序基本具一致性。这就表明煤层甲烷含量的确与微孔小孔有着密切的关系。
7.2.2 比表面积
煤是一种多孔吸附体，决定它对甲烷吸附的一个重要因素是比表面积。比表面积大，吸附量大，相应的瓦斯含量高。所谓比表面积是指单位体积煤的内表面积，它是反映煤对甲烷吸附性大小的一个重要参数。对本区煤的比表面积，我们在中科院成都有机地化所进行了压汞法测试，结果见表7.13。据有关研究资料，由于测定方法不同，煤层比表面积所测结果往往有很大差异，甚至缺乏可比性。据湖南煤炭科学研究所对煤比表面积的研究，焦煤比表面积为20～120m2/g，瘦煤为80～130m2/g，贫煤为90～190m2/g；而苏联顿巴斯煤比表面积肥煤150m2/g，瘦煤180m2/g，贫煤174～200m2/g，无烟煤210～263m2/g。这两项资料表明，既使焦煤，其比表面积的下限亦在20m2/g以上，瘦煤—贫煤一般多在100～180m2/g。本区煤种介于焦煤—贫煤间，但由表7.13知，压汞法测得的结果变化范围在0.042～0.9411m2/g之间，其值很小，难与上述数据进行对比，不过采用相同方法测试的数值，仍然可以探讨煤体比表面积相对高低的情况，用以反映吸附性相对大小。经对表7.13所得数值加以平均计算，各煤层比表面积大小排序为，北区：3＃＞11＃＞2＃；南区：5＃＞11＃＞3＃。上述各煤层比表面积的排序情况从一定角度反映了煤体储气能力以及在一定条件下煤体吸附甲烷量的大小排序，它们与煤层甲烷含量大小的排序具有一致性，反映了比表面积与甲烷含量二者之间的内在联系。
表7.13 煤层比表面积测定表
7.2.3 煤对甲烷的吸附能力
煤中甲烷主要以吸附状态存在，煤层甲烷含量取决于煤吸附甲烷的容量。因此，进行煤的吸附性能研究，对于定量了解煤层甲烷储集条件或能力来说是一项很重要的指标，它能综合反映煤层孔隙裂隙发育程度、煤层瓦斯压力、温度等条件对吸附能力的影响。本次研究期间，在北区重点以下峪口井田、南区重点以象山井田分别对2＃、3＃、5＃及11＃煤层采样做了吸附性试验，试验由西安煤炭科学研究院地质所承担，所使用的仪器是煤炭科学院重庆研究院生产的容量法等温高压吸附试验装置，煤的吸附试验条件和工艺流程见图7.2。
图7.2 吸附试验流程示意图
将煤样粉碎成60～80目（0.2～0.25mm）后取50g样品置于带压力表的高压容器（吸附缸）中，在30℃恒温下，向吸附缸内充入不同压力（采用的表压力为0～6.86MPa）的甲烷气，测算出每一平衡压力下煤样对甲烷的吸附量，换算成单位重量煤（可燃物）的吸附量，即可得到该试验温度下的等温吸附曲线（图7.3）。
图7.3 等温吸附曲线
当温度一定时，煤层吸附甲烷量与气体压力的关系符合朗格缪尔公式，根据等温吸附试验的实测数据和朗格缪尔公式，用最小二乘法可以求出表征吸附性能大小的吸附常数a，b值，试验数据如表7.14所示。从表中看出，本区煤层的吸附常数a值（代表最大饱和吸附量）变化在11.11～25.19cm3/g可燃质间，吸附常数b变化在0.027～0.090（kg/cm2）－1间。不同煤层及同一煤层的a、b值均有较宽的变化范围。在北区，各煤层吸附常数a的平均值分别是：2＃煤层16.47cm3/g，3＃煤层21.02cm3/g，11＃煤层13.73cm3/g；吸附常数b的平均值分别是：2＃煤层0.0745（kg/cm2）－1，3＃煤层0.0756（kg/cm2）－1，11＃煤层0.0858（kg/cm2）－1，三者相比，2＃、3＃煤层相近，11＃煤层最大。在南区，a的平均值分别为：3＃煤层22.51cm3/g，5＃煤层21.37cm3/g，11＃煤层21.46cm3/g，三层煤之间相差不大；b的平均值分别为，3＃煤层0.0545（kg/cm2）－1，5＃煤层0.065（kg/cm2）－1，11＃煤层0.060（kg/cm2）－1，以5＃煤层较高。在相同温度和相同压力的条件下，由于煤层吸附甲烷的能力既取决于最大吸附容量，又取决于与煤质特征有关的吸附常数b，并与a、b值均呈正相关关系，因此，评价煤层的吸附能力，要对a值与b值同时进行考虑。对比本区各煤层相同温度和压力条件下吸附甲烷量大小（表7.15），其吸附能力大小排序为北区3＃＞2＃＞11＃，南区5＃＞11＃＞3＃，这一结果与前面对煤层储层物性参数分析结果基本一致。此外，从等温吸附曲线的分析得出，各煤层的甲烷吸附量随压力的增加并不成线性增加，甲烷量的递增梯度由大变小，到大约某一压力值之后，吸附量增加十分缓慢，等温吸附曲线十分平缓。据对本区各煤层统计（表7.16），北区2＃、11＃煤层在甲烷压力3.92MPa左右，吸附量递增梯度发生明显转折，压力小于3.92MPa时，吸附量递增梯度分别为0.27和0.25；压力大于3.92MPa以上时，递增梯度锐减为0.038和0.030。3＃煤层甲烷吸附量递增梯度较2＃、11＃煤层高，而且递增梯度明显锐减时的压力值也较2＃、11＃煤层高，大约为4.90MPa。在南区3＃、5＃、11＃煤层甲烷吸附量递增梯度明显锐减处压力大小基本均在4.90MPa左右，但各煤层在压力小于4.90MPa以下时，甲烷吸附量的递增梯度大小却不尽相同，5＃与11＃煤层相同，值较高，3＃煤层值较低。据研究表明，随着压力增高，吸附量增加较快的煤层，往往表明微孔较发育，这类煤层在深度不大的情况下即成为高甲烷区，因此，递增梯度的大小实际上也反映了煤层吸附能力的差别。造成不同煤层或同一煤层吸附能力存在差异的主要原因与煤的变质程度及煤岩物质组成有关。据国内外大量研究得出的结论，随着煤的变质程度增高，甲烷吸附容量与变质程度成正相关关系变化，本区也符合这一规律。如北区2＃煤层三个煤样煤岩组分构成基本相同，但变质程度不同，变质程度（Rmax）高的煤样相应吸附常数及吸附容量也大（表7.14）。在同等变质程度的情况下，镜质组含量高的煤层，甲烷吸附容量也高，如北区3＃煤层四个样品变质程度大致相同，但煤中镜质组含量各不相同，依镜质组含量大小，吸附甲烷容量表现出明显的高低变化规律（表7.14）。这主要在于镜质组含有比丝质体多的易挥发物质。在中高变质阶段，这些易挥发物质的大量逸出能使镜质组的微孔隙大量增加，而微孔隙增加后产生的内表面积增加值要比丝质体的大。这与煤炭科学研究总院抚顺分院和淮南矿院（1985）在“煤层烃类气体组分与煤岩煤化关系的研究”报告中得出的煤的甲烷吸附量随煤中镜质组含量增加而增大的认识相一致。
表7.14 韩城矿区煤层吸附性实验数据一览表
注：下表示下峪口矿；象表示象山矿；马表示马沟渠矿。
表7.15 不同压力条件下煤对甲烷的吸附量（单位：mL/g，可燃物）
注：表中吸附常数均为各煤层平均值。
表7.16 煤层吸附甲烷量随压力变化梯度统计表
