鶴崗煤田構造煤孔隙分形特征

王有智，王世輝

(大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江大慶 163712)

鶴崗煤田構造煤孔隙分形特征

王有智，王世輝

(大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江大慶 163712)

基于鶴崗煤田北部區塊典型構造煤樣的低溫氮吸附實驗數據，分析不同變形程度下構造煤的分形維數與孔隙系統結構和氣體吸附能力的關系.結果表明，受變形程度影響，碎裂煤和碎粒煤的孔隙系統發生變化，導致低溫氮吸附、解吸曲線表現出不同形態.在相對壓力為0.5～1.0時，分形維數可以有效表征碎裂煤與碎粒煤的孔隙結構和吸附能力.隨著分形維數變大，煤巖變形程度增加，微孔含量增加，孔徑變小，比表面積增大，孔表面粗糙度增加，使得煤巖孔隙系統復雜化，最終煤巖吸附能力增強.因此，煤巖孔隙分形維數可以表征煤巖孔隙結構和吸附能力.

分形維數；孔隙結構；吸附能力；構造煤；鶴崗煤田；低溫氮吸附實驗

0 引言

煤巖的孔隙結構對煤層氣吸附和滲流能力起重要控制作用[1-4].在產出過程中，煤層氣首先從煤巖孔隙表面解吸出來成為游離態，孔徑大小和孔隙形態決定煤層氣解吸的難易程度，因此系統研究煤儲層孔隙結構特征對煤層氣勘探開發至關重要[5-8].煤巖儲層的非均質性較強，孔隙結構非常復雜且形狀不規則，很難定量評價煤儲層微觀結構的復雜程度[9].

傳統意義上的幾何學定量評價儲層孔隙結構結果不盡如人意，分形幾何理論的創立為描述具有分形特征的復雜孔隙結構儲集體提供簡單而有效方法[10].Pfeifer P、Katz A J和Kroch C E等研究[11-13]表明，煤巖、砂巖、頁巖和碳酸鹽巖等儲集巖中孔隙結構具有良好的“自形似性”，在一定孔隙尺度范圍內顯示較好分形特征，可以通過計算分形維數定量描述[14].Shen P等通過研究分形維數與儲層微觀非均質性的關系，得出分形維數與儲層非均質性呈正相關關系[15].文慧儉、賀偉等研究砂巖等儲層孔隙結構的分形特征，認為分形維數在2～3之間，隨著分形維數的增大，孔隙表面的粗糙程度、孔吼不規則性和結構復雜程度相應增大[16-17].因此，根據局部微觀孔隙結構特征與整體具有的相似性，可以將分形維數作為定量表征儲層孔隙結構復雜程度的重要參數[18].

鶴崗煤層氣勘探始于1998年，中聯煤層氣公司、大慶油田有限責任公司等開工多口煤層氣參數井，由于受到構造煤困擾，煤層氣勘探進展緩慢.人們對鶴崗盆地的研究主要集中在煤層氣成藏條件分析方面[19-21]，忽略構造煤背景下孔隙結構的改變對儲層非均質性和煤層氣吸附能力的影響.筆者研究鶴崗煤田北部地區構造煤儲層，計算煤巖孔隙分形維數，探討孔隙分形特征與煤巖吸附能力之間的關系，為研究煤儲層非均質性的形成機理提供指導.

1 地質背景及煤樣采集

鶴崗盆地位于吉黑褶皺系、老爺嶺隆起、青黑山隆起帶上的鶴崗斷陷內.區域構造演化研究表明，鶴崗盆地經歷多期性質不同的構造運動，應力場方向多次發生大的改變，導致礦區內張性斷裂密集發育，相互截切，使得構造格局更加復雜.鶴崗煤田位于盆地西側，呈現向東傾斜的半掩蓋式單斜構造形態.

鶴崗煤田北部的益新、鳥山和南山礦為煤層氣有利勘探區，15#、18#和21#等3套煤層為主要目的層[21].為研究鶴崗煤田煤層孔隙結構特征，煤巖樣品采集于煤田北部益新礦、鳥山礦的3套主力煤層.基于構造煤分類方案中對煤巖宏觀特征的描述[22]，所采集煤巖樣品屬于脆性變形系列的碎裂煤(見圖1(a)、(c))和碎粒煤(見圖1(b)、(d)).碎裂煤原生結構相對完整，可見條帶狀構造，可觀測兩組割理，手試強度較硬，局部可見小碎塊；無法觀測碎粒煤原生結構和割理，在少數塊狀煤中可見構造面擦痕，形成光亮鏡面，手試強度較差，輕捏即成細小顆粒，一般碎粒直徑為1～5 cm.

圖1 鶴崗煤田北部構造煤類型Fig.1 Tectonic coal types of north Hegang coal field

2 構造煤低溫氮吸附曲線

根據9個樣品的測試結果，將低溫氮吸附、脫附曲線劃分為兩種類型.Ⅰ類曲線(見圖2(b)、(d)、(g)、(h))的主要特點是吸附、脫附曲線不存在明顯的滯后環，反映煤的孔隙系統主要為開放性的透氣孔.Ⅱ類曲線(見圖2(a)、(c)、(e)、(f)、(i))的主要特點是吸附、脫附曲線出現明顯的滯后環.這種現象產生的原因是在吸附、脫附氣體過程中，煤的孔隙系統中瓶型孔隙較為發育[1]，隨著相對壓力下降到0.5附近，瓶型孔隙中氣體大量解吸，導致曲線產生拐點.

鶴崗煤田構造煤孔隙以微孔為主，比例為60.23%～86.70%，平均為67.84%；過渡孔比例為20.70%～29.03%，平均為24.48%；中孔比例為5.31%～11.31%，平均為7.66%.其中，碎裂煤表現為Ⅰ型曲線特征，微孔比例為60%左右，平均孔徑為22.31 nm；碎粒煤表現為Ⅱ型曲線特征，微孔比例在70%以上，平均孔徑為14.29 nm.隨著變形強度加大，孔隙結構發生變化，微孔比例增加，比表面積隨之變大.

圖2 鶴崗煤田構造煤低溫氮吸附、脫附曲線Fig.2 Adsorption/desorption isothermals of Hegang coal field tectonic coal by low-temperature nitrogen

3 分形維數特征

式中：V為平衡壓力p下的吸附氣體體積；V0為單分子層的吸附氣體體積；p為平衡壓力；p0為氣體吸附的飽和蒸汽壓；A為對數曲線斜率；constant為常量.

式中：D為分形維數.

繪制ln V與ln(ln(p0/p))雙對數圖，得到擬合直線斜率A，即可計算孔隙分形維數D.針對2個相對壓力段(p/p0＜0.5和p/p0＞0.5)求取分形維數.由煤巖樣品微小孔的分形計算結果(見圖3)可知，在2個相對壓力段，碎裂煤和碎粒煤的雙對數曲線擬合關系較好，分形維數計算結果介于2～3之間，符合孔表面孔結構的分形意義[24].比較不同相對壓力的分形維數D1和D2，證實滯后環的存在對孔隙系統的影響(見表1)，在相對壓力小于0.5時，D1與曲線類型沒有規律性；在相對壓力超過0.5時，存在滯后環的D2均比不存在滯后環的D2要高.這說明由于煤樣變形程度不同，導致自身孔隙系統發生變化，從而表現不同的分形特征.因此，研究相對壓力大于0.5的分形維數特征對了解煤層孔隙系統更有意義.

煤巖孔隙的分形維數計算方法較多[23]，其中FHH[1]模型應用較為廣泛，計算方法基于

圖3 鶴崗煤田低溫氮吸附體積和相對壓力(p/p 0＞0.5)的雙對數曲線Fig.3 Plots of ln V and ln(ln(p 0/p))(p/p 0＞0.5)reconstructed from the N2 gas adsorption isotherms

表1 鶴崗煤田構造煤微小孔分形維數Table 1 Pore fractal dimensions for Hegangtectonic coal

3.1 煤分形維數與吸附能力的關系

甲烷在煤中的存在形式以吸附為主，因此孔隙形狀與結構對煤巖的吸附能力產生一定影響[25-26].分形維數可以表征煤巖孔隙的不規則性或粗糙性，因此分形維數與煤巖的吸附能力具有相關性.由分形維數D2與蘭氏體積的關系(見圖4(a))可知，分形維數D2與蘭氏體積大體上呈線性正相關，即甲烷的吸附能力隨分形維數的增大而增強.隨著煤巖變形程度增加，煤巖中孔隙結構發生重組，微孔數量增加，比表面積變大，同時孔隙的形狀和粗糙程度增加，使得分形維數變大.煤巖對煤層氣的吸附以表面吸附為主，因此煤巖的吸附能力增強.

3.2 煤分形維數與孔隙結構的關系

分形維數與煤巖孔隙結構有密切的關系[27-28].分形維數D2與煤巖微孔體積分數呈正相關關系，即分形維數越大，微孔體積分數越多；分形維數與比表面積大體呈正相關關系，與平均孔徑呈相反趨勢(見圖4(b)、(c)、(d)).

圖4 分形維數與吸附能力和孔隙結構的關系Fig.4 Relationships between the fractal dimension adsorptive capacity and pore structure

分形維數與比表面積、微孔體積分數和平均孔徑具有顯著的相關性，表明隨著分形維數增加，一方面煤巖孔隙形態發生較大變化，從開放性孔隙向瓶型孔過渡，孔隙吼道逐漸復雜化，連通性變差；另一方面孔隙表面也由光滑向粗糙轉化，比表面積增加，甲烷分子附著排列的空間增大.因此，分形維數能夠較為準確地反映在不同變形程度下的煤巖孔隙結構和吸附特征.

4 結論

(1)鶴崗煤田北部地區碎裂煤和碎粒煤孔隙以微孔為主，低溫氮吸附、脫附曲線在相對壓力p/p0＞0.5時表現兩種類型.碎裂煤低溫氮吸附、脫附曲線相對平行，孔隙以開放孔為主；碎粒煤低溫氮吸附、解吸曲線間存在明顯的滯后環，孔隙以瓶型孔為主.

(2)構造煤分形維數在相對壓力p/p0＞0.5時更具有研究意義，碎粒煤的分形維數高于碎裂煤的.

(3)分形維數既能反映吸附能力強弱，又能表征孔隙結構.分形維數變大，煤巖變形程度增加，微孔體積分數增加，平均孔徑變小，比表面積增大，孔表面粗糙度增加，導致煤巖孔隙系統復雜化，最終煤巖吸附能力增強.

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TD31

A

2095-4107(2014)05-0061-06

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.05.008

2013-10-14；編輯任志平

國家重大科技專項(2010E-2201)

王有智(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事煤層氣勘探與部署方面的研究.

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