鄭莊井田3號煤微孔裂隙特征研究

劉浩博

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048024)

1 研究區(qū)概況

鄭莊井田地處沁水復式向斜的軸部南端，晉—獲褶斷帶西部，沁水盆地南緣東西—北東向斷裂帶的北部，位于沁水縣鄭莊鎮(zhèn)、王必鎮(zhèn)一帶，隸屬鄭莊鎮(zhèn)、王必鎮(zhèn)所轄。地理坐標為北緯35°41′15″～35°47′00″，東經(jīng)112°17′45″～112°24′00″，井田面積約49.1 km2。井田內斷層稀少，以寬緩的次級向、背斜發(fā)育為主，無巖漿活動，地質構造復雜程度屬于簡單類型。

井田煤系發(fā)育，上石炭統(tǒng)太原組(C3t)和下二疊統(tǒng)山西組(P1s)為井田主要含煤地層，兩套含煤地層含煤多達16層(自上而下煤層依次編號為：1號、2號、3號、4號、5號、6號、7號、8號、9號、10號、11號、12號、13號、14號、15號、16號煤層)，其中，3號煤層為全井田穩(wěn)定可采煤層，15號煤層為全井田可采較穩(wěn)定發(fā)育煤層，其余為不穩(wěn)定局部可采和不可采煤層。本文研究的3號煤層位于上石炭統(tǒng)太原組下部，含煤性好，煤層厚度一般為3.43～7.16 m，平均5.43 m。煤層含氣性好，煤層氣含量高，一般為6.80～33.46 m3/t，平均為16.87 m3/t。煤層結構簡單，煤中含一般泥巖、炭質泥巖夾矸0～2層。

目前，在鄭莊井田3號煤的宏觀裂隙發(fā)育預測[1]、裂隙的測井響應特征[2-3]方面開展了部分研究工作，微觀裂隙作為裂隙的重要類型之一和影響煤層氣開發(fā)的重要指標，尚未開展研究工作。為此，筆者采用EVO 15型掃描電子顯微鏡對研究區(qū)3號煤微孔裂隙進行觀測和特征精細表征研究。研究成果對研究區(qū)及煤層氣地質條件、儲層物性及特征類似緊鄰井田煤層氣開發(fā)具有重要理論和指導意義。

2 樣品采集及描述

2.1 樣品采集

本文研究所用樣品均來自地面煤層氣鉆井繩索取芯3號煤層樣品，煤樣采集遵循規(guī)范及標準《煤層氣鉆井作業(yè)規(guī)范》(DZ/T 0250-2017)和《巖樣品采取方法》(GB-T19222-2003)中相關規(guī)定。樣品要取全取準，盡量對整個煤層段進行取芯。對鉆取的煤芯表面泥漿等附著物要清潔處理，然后及時蠟封，防止煤芯風、氧化，影響實驗結果。

2.2 樣品描述

鄭莊井田3號煤層變質程度相對較高(最大鏡質組反射率Ro,max=3.10%～3.56%，平均3.23%)，煤類為無煙煤。煤新鮮面為黑色，似金屬光澤，條痕為褐黑色，階梯狀-貝殼狀斷口，內生裂隙較發(fā)育，質地較硬。煤體破壞一般，煤體結構以碎裂煤為主，次為碎粒煤，未見糜棱煤。中-寬條帶狀結構，層狀構造。以亮煤為主、暗煤次之，夾鏡煤條帶。屬半亮-光亮型煤。

3號煤層中有機顯微組分以鏡質組為主(77.40%～82.90%，平均80.60%)，惰質組次之(3.70%～22.60%，平均19.40%)，因煤的變質程度較高，殼質組已無法辨識。煤的顯微組分鏡質組以基質鏡質體為主，均質鏡質體次之，惰質組半絲質體多于絲質體，氧化絲質體多于火焚絲質體。有少量的碎屑體呈條帶狀、透鏡狀和不規(guī)則狀。無機顯微組分以粘土類為主，氧化硅類及碳酸鹽類次之，硫酸鐵類微量。

3 掃描電鏡下煤微孔裂隙特征

3.1 實驗方法及實驗原理

煤孔裂隙研究已有百余年歷史，在煤田勘查、煤炭開采和煤層氣開發(fā)領域均有研究，特別是煤層氣勘探開發(fā)領域煤孔裂隙研究尤為廣泛、深入和系統(tǒng)[4]。隨著煤層氣產業(yè)的興起和發(fā)展，學者們在煤孔裂隙研究方面已開展了多年、大量研究工作，取得了豐碩成果，極大豐富了煤層氣地質理論，對生產實踐亦起到積極指導作用[5-8]。掃描電子顯微鏡是圖像法觀測煤巖微孔裂隙重要研究技術手段之一，具有實驗流程簡單、實驗時間短、實驗費用低、操作簡單、極高分辨率、極高鏡下放大倍數(shù)、視野大、成像立體感強等特點，被廣泛應用于非金屬材料、金屬材料、石油和煤田地質等領域材料的微觀形態(tài)、成因、組織及成分分析和研究[9-10]。為此，筆者采用德國蔡司公司制造生產的EVO 15型掃描電子顯微鏡對鄭莊井田3號煤微孔裂隙特征進行觀測研究。

掃描電子顯微鏡的工作原理是主要利用二次電子成像。樣品觀測時，從電子槍燈絲發(fā)出電子束，電子束受到陽極高壓的加速射向鏡筒，并收到第一、二聚光鏡和物鏡的匯聚作用，縮小成直徑僅為幾十埃的狹窄電子束射到樣品上。與此同時，偏轉線圈使電子束在樣品上作光柵狀掃描，電子束和觀測樣品間相互作用便產生多種信號，尤其是二次電子，對二次電子信號進行接收、放大和成像，從而實現(xiàn)樣品的觀測。

3.2 實驗儀器及技術參數(shù)

本文采用德國蔡司公司制造生產的EVO 15型掃描電子顯微鏡(圖1)對鄭莊井田3號煤微孔裂隙特征進行觀測研究，該儀器主要由真空系統(tǒng)、電子束系統(tǒng)、成像系統(tǒng)及觀測平臺四大部分組成，具有可變壓力下操作、X射線和EBSD分析、快速抽真空及可移動大平臺、5軸優(yōu)中心自動樣品臺等特點。分辨率高，在30 kV(SE and W)、30 kV(VP with BSD)條件下分辨率分別可達3 nm、4 nm；鏡下物像放大倍數(shù)高、范圍廣，鏡下觀測樣品可實現(xiàn)放大5～106倍；觀測壓力范圍廣，真空負壓下觀測，壓力一般為10～400 Pa；探針電流值極小，一般為0.5 PA～5 μA；工作室直徑和高度分別為365 mm、275 mm；觀測樣品試件的最大直徑和高度分別不得超過250 mm、145 mm。

圖1 EVO15掃描電子顯微鏡

3.3 實驗樣品制作

在已鉆取的煤芯樣上沿著垂直層理方向切割指甲蓋大小的規(guī)則塊狀煤樣，然后對切割的塊狀樣品平行于層理的一面用細紗紙輕輕打磨至平整光滑，然后用吹哨錐把樣品表面附著物吹掃干凈。完成吹掃作用后，用導電膠把樣品托貼于樣品平整光滑面，最后把樣品放入真空環(huán)境下鍍金屬導電膜，導電處理后制樣過程完畢。

3.4 掃描電子顯微鏡下煤微孔裂隙特征

3.4.1 煤微孔隙特征

煤孔隙對煤層氣賦存和運移具有重要控制作用，煤層氣在大孔中運移以紊流和層流方式，中孔中煤層氣以緩慢層流滲透運移，過渡孔中煤層氣發(fā)生毛細管凝聚、物理吸附和擴散，微孔則是煤層氣吸附主要場所或空間[11]。

通過掃描電子顯微鏡煤孔隙觀測，發(fā)現(xiàn)鄭莊井田3號煤微孔隙發(fā)育具有成因類型多、形態(tài)復雜、孔隙大小不等、孔隙連通性差等特征。煤中可見氣孔、鑄模孔、溶蝕孔和角礫孔等四種不同成因類型孔隙發(fā)育，不同成因類型孔隙在形態(tài)、孔隙大小和連通性等方面有所不同。煤形成過程中，煤發(fā)生變質作用而促使煤中有機物質生烴，烴類氣體大量聚集在煤層中致使氣孔形成，見圖2(a)～(d)[12]。氣孔多疏松發(fā)育，而在殼質組中多成群發(fā)育見2(a)。氣孔的形態(tài)多樣，似圓形、橢圓形、長條形和不規(guī)則形孔隙均可見，部分孔隙受定向應力作用具有拉扁定向發(fā)育特征，見圖2(a)。孔隙大小不一，孔徑幾十納米至幾十微米的孔隙均有發(fā)育，小于5 μm的孔徑居多。孔隙多孤立產出，孔隙間基本不連通，孔隙基本為“死孔”；成煤過程中煤中礦物因硬度差異而在煤中鑄成一些印坑，謂之“鑄模孔”，見圖2(d)[12]。鑄模孔的形態(tài)相對單一，基本為似圓形和橢圓形。孔隙大小不一，孔徑一般為幾千納米至幾微米。孔隙稀疏、孤立產出，孔隙間不連通，孔隙均為“死孔”；溶蝕孔是煤中可溶性礦物在漫長地質歷史時期長期受地下流體(氣、水)作用溶蝕而成，見圖2(e)[12]。溶蝕孔的形態(tài)單一，基本為橢圓形。孔隙大小不一，孔徑一般為十幾微米至幾十微米。孔隙稀疏、孤立產出，孔隙間不連通，孔隙均為“死孔”；成煤期后，煤體受構造應力作用而發(fā)生破壞并形成一些角礫狀煤體，角礫之間的孔隙即為“角礫孔”，見圖2(f)[12]。角礫孔的形態(tài)極不規(guī)則，孔隙大小不一，孔徑一般為幾千納米至幾微米。孔隙集中發(fā)育，孔隙間連通性好，這類孔隙的滲透性往往較好，但在高強度排采條件下角礫容易發(fā)生運移，堵塞裂隙通道或造成卡泵、埋泵事故發(fā)生[13]。

3.4.2 煤微裂隙特征

煤裂隙是指煤受各種地質應力作用產生的破裂形跡。不同裂隙類型、裂隙規(guī)模、裂隙發(fā)育密度、裂隙尺度及連通性等對煤層氣賦存、運移、煤層滲透率、煤層氣井產量等具有重要影響[14-17]，是煤層氣有利區(qū)評價及優(yōu)選、可采性評價及產能預測等的關鍵煤儲層物性特征參數(shù)之一[18-20]。目前，裂隙類型主要從裂隙成因和受力性質進行劃分，從裂隙成因角度可將煤裂隙劃分為內生裂隙和外生裂隙，而從裂隙的受力性質，則可將煤裂隙劃分為張裂隙和剪裂隙。相比之下，裂隙受力性質判識裂隙類型更容易在掃描電子顯微鏡下實現(xiàn)，為此，本文煤微裂隙特征研究主要從裂隙的受力性質劃分煤裂隙類型。

圖2 掃描電子顯微鏡下鄭莊井田3號煤微孔隙特征

由掃描電子顯微鏡下鄭莊井田3號煤微裂隙觀測結果可知，煤中發(fā)育有張裂隙(圖3(a)～(c))和剪裂隙(圖3(d)～(f))兩種裂隙類型。張裂隙是成煤后期受張應力作用形成，裂隙面粗糙、凹凸不平，裂隙延伸較短，裂隙長度不一，幾微米至幾百微米均有發(fā)育；裂縫延伸無規(guī)律，產狀不穩(wěn)定；裂隙產出形式多樣，可見單獨產出、張裂隙與張裂隙相交、張裂隙與剪裂隙相交產出；裂隙形態(tài)多樣，基本為彎曲狀裂隙，少量張、剪裂隙近似垂交；裂口多呈張開狀，裂口寬度一般為幾千納米至十幾微米，裂口中常見碎屑物質充填，見圖3(a)～(c)，部分裂口被方解石脈充填，見圖3(c)。

剪裂隙為成煤期后受剪切應力作用形成，裂隙面平整光滑，裂隙延伸相對較遠，裂縫向“刀切”一樣有規(guī)律延伸，產狀穩(wěn)定。裂隙長度不一，幾十微米至幾千微米均有發(fā)育。裂隙產出形式多樣，可見單獨產出、多為同類裂隙大角度相交。裂隙形態(tài)多樣，基本為直線型，見圖3(f)；“V” 字型，見圖3(e)；“樹枝型”，見圖3(d)。裂口多呈張開狀，部分緊閉，裂口寬度一般小于10 μm，裂口中可見少部分碎屑物質充填，但方解石脈充填裂口現(xiàn)象嚴重，見圖3(d)～(f)，極大影響裂隙的滲透性能。

圖3 掃描電子顯微鏡下鄭莊井田3號煤微裂隙特征

3.5 煤微裂隙特征對煤層氣生產影響

由鄭莊井田3號煤的微孔裂隙觀測結果可知(圖2、圖3)，3號微孔多稀疏發(fā)育，孔隙的連通性普遍較差，有效孔隙少，致使煤的孔隙度較低，孔隙度值介于0.64%～12.82%之間，平均為4.52%[21]。煤層氣主要吸附于煤微孔隙內表面，微孔隙越發(fā)育，孔比表面積越大，吸附煤層氣能力越強，儲集氣空間或場所越廣、儲集的煤層氣量也越大，煤層含氣量往往較高且利于煤層氣富集成藏[22]，反之亦然。研究區(qū)3號煤微孔隙的孔徑一般為幾十納米至幾十微米，孔隙大小為過渡孔—大孔，并以大孔發(fā)育為主[23]，吸附煤層氣能力和儲集煤層氣能力相對較弱，不利于煤層氣的高富集。

煤微孔裂隙的被碎屑物和方解石脈充填現(xiàn)象，裂隙間基本不連通，大大影響了煤層的滲透性。據(jù)井田3號煤層滲透率測定結果顯示，煤層滲透率整體較低，一般為0.047 6～0.389 6 md，平均為0.136 9 md[21]。低滲煤層不利于煤層氣的高效滲流產出和煤層氣井高產、穩(wěn)產和采收率的提高[24]。煤裂隙被碎屑物質充填現(xiàn)象常見，這些碎屑物在滲流過程中有堵塞裂隙通道和造成卡泵事故危險，特別是煤層氣井在高強度排采和排采管控不科學的情況下，碎屑物堵塞裂隙通道和造成井下卡泵事故概率大大增加，煤層滲透率急劇下降，煤層氣井產氣量隨之陡降。

4 結 語

1) 煤微孔裂隙是煤裂隙的重要類型，其特征對煤層氣賦存和運移具有重要控制作用，是煤層氣地質理論和生產實踐重要研究內容。

2) 鄭莊井田3號煤微孔隙發(fā)育具有成因類型多、形態(tài)復雜、孔隙大小不等、孔隙連通性差等特征。煤中發(fā)育氣孔、鑄模孔、溶蝕孔和角礫孔等四種不同成因類型孔隙，孔隙大小一般為幾十納米至幾十微米，孔隙形態(tài)多樣，孔隙被充填現(xiàn)象嚴重，透氣性總體較差。

3) 煤中微裂隙為張裂隙和剪裂隙。張裂隙延伸較短(幾微米至幾百微米)、產狀不穩(wěn)定、裂隙面多粗壯或凹凸不平，裂口多呈張開狀態(tài)，裂口寬度幾千納米至十幾微米，裂口中常見碎屑物質充填，部分裂口被方解石脈充填；剪裂隙延伸較長(幾十微米至幾千微米)、產狀穩(wěn)定、裂隙面多光滑，裂口多呈張開狀態(tài)，裂口寬度小于10 μm，裂口中常見碎屑物質充填，裂口被方解石脈充填嚴重。