潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤多尺度裂隙特征

王紫襄

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204)

煤裂隙對(duì)煤層氣賦存和運(yùn)移具有重要控制作用，是煤層氣有利區(qū)評(píng)價(jià)及優(yōu)選、產(chǎn)能模擬及預(yù)測(cè)、可采性評(píng)價(jià)等的關(guān)鍵煤儲(chǔ)層物性參數(shù)，煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域非常重視對(duì)其的研究。早在19世紀(jì)，煤田勘探領(lǐng)域的學(xué)者們就認(rèn)識(shí)到煤裂隙存在并對(duì)其開展了研究，伴隨著煤層氣產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展，學(xué)者們?cè)诓煌叨攘严缎纬蓹C(jī)理[1]、控氣及產(chǎn)出機(jī)理[2-4]、研究方法和實(shí)驗(yàn)手段[5-7]、定性描述[8]及定量表征[9-10]等開展了大量研究工作，極大夯實(shí)了煤層氣地質(zhì)理論，對(duì)煤層氣開發(fā)實(shí)踐起到了積極的指導(dǎo)作用。目前，潘莊煤層氣區(qū)塊尚未開展3號(hào)煤多尺度煤裂隙研究工作，為此，筆者以區(qū)塊為工程背景，以3號(hào)煤層為研究對(duì)象，對(duì)不同尺度煤裂隙開展研究。研究成果對(duì)指導(dǎo)研究區(qū)及緊鄰煤層氣地質(zhì)條件類似區(qū)塊煤層氣生產(chǎn)實(shí)踐具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

潘莊煤層氣區(qū)塊地處沁水煤田東南部晉城礦區(qū)，隸屬于沁水縣管轄，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°24′00″～112°36′00″，北緯35°40′00″～35°34′43″，區(qū)塊面積為157. 755 km2。區(qū)塊煤系相對(duì)發(fā)育，石炭系上統(tǒng)太原組(C2t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)為區(qū)內(nèi)主要煤系，兩煤系組共發(fā)育煤層21層，其中，3號(hào)、15號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，9號(hào)煤層為大部分地區(qū)可采煤層，其余為不穩(wěn)定不可采煤層。本文研究的3號(hào)煤層厚度大(屬于厚煤層，厚度5.04～7.16 m，平均6.11 m)、煤層含氣量高(10～30 m3/t 之間，最高可達(dá) 40 m3/t)、儲(chǔ)層物性好、煤層氣地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，是區(qū)內(nèi)煤炭主采和煤層氣主力開發(fā)重點(diǎn)層位[11-12]。因區(qū)塊“得天獨(dú)厚”的煤層氣開發(fā)條件，成為我國(guó)首個(gè)煤層氣地面商業(yè)化開發(fā)和“煤與煤層氣共采”理論研究與實(shí)踐的煤層氣區(qū)塊，亦是迄今國(guó)內(nèi)煤層氣地面開發(fā)最為成功的煤層氣區(qū)塊之一[13-14]。

2 煤中多尺度裂隙特征

2.1 煤中大裂隙特征

煤中大裂隙系指自然條件下能夠肉眼識(shí)別的裂隙，屬于宏觀裂隙范疇。大裂隙是煤層氣擴(kuò)散運(yùn)移通道，其特征(裂隙長(zhǎng)度、高度、裂隙間距、密度、連通性及裂隙發(fā)育程度)對(duì)煤層的滲透率、可采性、氣井產(chǎn)氣量和采收率等具有重要影響[15-17]。井下瓦斯抽采和地面煤層氣勘探開發(fā)基礎(chǔ)理論研究及實(shí)踐上尤為重視對(duì)其研究，并取得了豐碩成果[18-22]。本文煤中大裂隙研究采用煤礦井下煤層裂隙和井上煤芯觀測(cè)相結(jié)合的方法，大裂隙描述及劃分主要依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“《煤裂隙描述方法》(MT/T 968-2005)”見表1～表5。

表1 煤裂隙規(guī)模類型劃分方案及特征描述

根據(jù)潘莊煤層氣區(qū)塊煤礦井下3號(hào)煤層大裂隙觀測(cè)，垂直煤體剖面方面煤中裂隙主要發(fā)育有3個(gè)裂隙系，每個(gè)裂隙系各有兩個(gè)走向近于垂直或垂直的裂隙組，每組裂隙近似平行發(fā)育，見圖1；煤中各裂隙系的走向不同，其中，第一裂隙系兩個(gè)裂隙組的走向分別為10～20°和110～120°；第二裂隙系兩個(gè)裂隙組的走向?yàn)?0～50°和130～140°；第三裂隙系兩個(gè)裂隙組的走向分別為60～70°和150～160°。上述裂隙系中，以走向?yàn)?50～160°的裂隙最為發(fā)育，其次為走向60～70°和走向110～120°的裂隙。除走向110～120°的裂隙近于垂直礦區(qū)褶皺軸外，其它裂隙走向都斜交褶皺軸。裂縫間距變化大，介于1～500 cm之間，平均間距4.5～185 cm。區(qū)塊內(nèi)3號(hào)煤中裂隙的傾角大，變化范圍為35～89°，垂直或近于垂直煤層層理面。

表2 裂隙密度級(jí)別劃分方案 條/cm

表3 裂口寬度等級(jí)劃分方案

裂隙面平整度分為平整、較平整和不平整。

表4 裂隙連通性劃分方案

表5 裂隙發(fā)育程度評(píng)價(jià)方案

圖1 潘莊煤層氣區(qū)塊井下3號(hào)煤層裂隙發(fā)育情況

據(jù)地面鉆井取芯煤芯觀測(cè)(表6)，3號(hào)煤中大裂隙主要發(fā)育兩組，即分為主裂隙和次裂隙(國(guó)外煤層氣研究中分別稱謂“面割理”和“端割理”)，二者垂直相交或近似垂直相交。

表6 3號(hào)煤大裂隙特征觀測(cè)結(jié)果

主裂隙長(zhǎng)度不一，0.005～4.8 cm均有發(fā)育，平均長(zhǎng)度一般為0.3～1.29 cm。裂隙高度范圍廣，基本在毫米級(jí)別，裂隙高度介于0.01～3.8 cm，多數(shù)在0.5 cm左右，平均高度一般為0.13～2.0 cm。煤中裂隙屬于微型-中型裂隙規(guī)模發(fā)育類型，以小型裂隙為主。裂隙密度介于1～10.8條/cm之間，裂隙密度級(jí)別為較密-密型；次裂隙長(zhǎng)度不一，介于0.01～2.00 cm之間，1 cm以下居多，平均為0.02～0.64 cm；裂隙高度范圍廣，基本在毫米級(jí)別，裂隙高度介于0.01～3.5 cm，多數(shù)小于1 cm，平均高度一般為0.04～1.19 cm。煤中裂隙屬于微型-中型裂隙規(guī)模發(fā)育類型，以小型裂隙為主；裂隙密度介于0.8～5.8條/cm之間，裂隙密度級(jí)別為較密-密型，見圖2。

研究區(qū)3號(hào)煤中裂隙變質(zhì)程度較高(最大鏡質(zhì)組反射率為Ro,max為3.68%～4.36%)，煤巖類型為半光亮型煤，煤中裂隙發(fā)育程度為較發(fā)育-發(fā)育。裂隙的連通性分異現(xiàn)象顯著，差-好連通性裂隙均有發(fā)育，基本以中等連通性裂隙發(fā)育為主。

圖2 潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤層地面鉆井取芯實(shí)物

2.2 煤中微裂隙特征

煤層氣主要吸附儲(chǔ)集于煤基質(zhì)微孔裂隙中，煤層氣開采通過排水降壓降低煤儲(chǔ)層原始?jí)毫ΓM(jìn)而促使煤層氣從微孔裂隙內(nèi)表面脫附解吸出來(lái)，濃度差時(shí)在亞微觀裂隙系統(tǒng)中發(fā)生擴(kuò)散，然后匯聚的煤層氣通過大裂隙系統(tǒng)以達(dá)西流形式滲流產(chǎn)出。因此，煤微觀裂隙是煤層氣吸附儲(chǔ)集的主要場(chǎng)所(或空間)和擴(kuò)散運(yùn)移通道，影響著煤的吸附/解吸特性、滲透性、含氣量和煤層氣開采效果[23]，是煤層氣地質(zhì)理論和煤層氣開發(fā)重要研究?jī)?nèi)容之一。在多年的煤層氣勘探開發(fā)實(shí)踐中，學(xué)者們?cè)诿何⒂^尺度裂隙研究理論、技術(shù)及方法方面開展了大量卓有成效的研究工作[24-26]，極大豐富了煤層氣地質(zhì)理論，對(duì)煤層氣生產(chǎn)實(shí)踐起到了有力指導(dǎo)和積極助推作用。

掃描電子顯微鏡具有高放大倍數(shù)、高分辨率、高清晰度、極強(qiáng)圖像立體感、實(shí)驗(yàn)過程和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在研究煤巖微觀尺度孔裂隙特征、成因判識(shí)、類型劃分等方面應(yīng)用尤為廣泛[26-27]。本文采用德國(guó)卡爾.蔡司公司制造的EVO MA15掃描電子顯微鏡對(duì)潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤微裂隙特征進(jìn)行研究。EVO MA15掃描電子顯微鏡鏡下物像可放大5～106倍，觀測(cè)分辨率高達(dá)7.68(32 000×24 000)億像素，可實(shí)現(xiàn)可變壓力和快速抽采真空條件下實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。掃描電子顯微鏡下潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤微裂隙特征觀測(cè)結(jié)果見圖3(a)～(l)：掃描電鏡觀測(cè)的煤裂隙均平行于煤的層理方向，可見區(qū)塊內(nèi)平行于3號(hào)煤層理方向發(fā)育有張裂隙和剪裂隙兩種力學(xué)性質(zhì)的裂隙類型，分別見圖3(a)～(f)、圖3(g)～(i)。張裂隙由張應(yīng)力作用形成，裂隙不規(guī)則分布，裂隙延伸較短，幾微米至幾百微米長(zhǎng)的裂隙均有發(fā)育。多單獨(dú)產(chǎn)出，亦可見少量張裂隙與剪裂隙呈大角度相交，張裂隙延伸終止于與剪裂隙交匯處，見圖3(f)。裂隙面凹凸不平，裂縫延伸多比較短。裂縫形態(tài)多樣，可見彎曲狀見圖3(b)～(d)、鋸齒狀見圖3(a)和“T型”狀見圖3(e)裂隙，產(chǎn)狀多不穩(wěn)定。裂口基本為敞開狀態(tài)，裂口寬度多在10 μm以下，一般為3 μm至幾千納米，裂口中多見片狀、粒狀碎屑物質(zhì)充填，部分被方解石脈充填，見圖3(d)。

剪裂隙是在剪切應(yīng)力作用下形成，裂隙面多較光滑平整，裂隙延伸相對(duì)較長(zhǎng)，裂隙長(zhǎng)度基本為幾百微米，部分長(zhǎng)度達(dá)數(shù)千微米。裂縫延伸有規(guī)律，基本以平直延伸，產(chǎn)狀穩(wěn)定。裂縫形態(tài)多樣，可見平直狀見圖3(i)～(l)、共軛“X型”見圖3(g)和“T型”狀見圖3(h)裂隙。裂口基本為緊閉狀態(tài)，裂口寬度基本在2 μm以下，一般為幾百納米至幾千納米，裂口中多見片狀、粒狀碎屑物質(zhì)充填，部分被方解石脈充填，見圖3(l)。

圖3 掃描電子顯微鏡下3號(hào)煤微裂隙特征

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 潘莊煤層氣區(qū)塊3號(hào)煤變質(zhì)程度高，煤巖類型為半光亮型煤，煤中大裂隙發(fā)育程度為較發(fā)育-發(fā)育，裂隙發(fā)育規(guī)模屬于微型-中型，以小型裂隙為主；裂隙密度級(jí)別為較密-密型。

2) 煤中大裂隙主要發(fā)育有3個(gè)裂隙系，各裂隙系的走向不同，其中，以走向?yàn)?50～160°的裂隙最為發(fā)育，其次為走向60～70°和走向110～120°的裂隙。裂縫間距變化大，介于1～500 cm之間，平均間距4.5～185 cm。區(qū)塊內(nèi)3號(hào)煤中裂隙的傾角大，變化范圍為35～89°，垂直或近于垂直煤層層理面。

3) 煤中可見張裂隙和剪裂隙兩種力學(xué)成因微裂隙發(fā)育，二者特征不同。張裂隙延伸較短，裂隙面凹凸不平，裂隙形態(tài)較多，產(chǎn)狀多不穩(wěn)定，裂口基本呈敞開狀，裂口中可見部分碎屑物質(zhì)和方解石脈充填；剪裂隙延伸較遠(yuǎn)且延伸有規(guī)律、產(chǎn)狀穩(wěn)定，裂隙面多光滑平整，裂隙形態(tài)多樣，裂口基本呈緊閉狀且裂口多見碎屑物質(zhì)和部分裂口被方解石脈充填。