庫拜煤層氣示范區潛力煤層宏-微裂隙特征認識

趙正威 ,秦大鵬 ,潘曉飛 ,廖正凱 ,來 鵬

(1.新疆維吾爾自治區煤田地質局 一六一煤田地質勘探隊,烏魯木齊830046;2.新疆維吾爾自治區地質環境監測院,烏魯木齊830000;3.新疆維吾爾自治區煤田地質局 煤層氣研發中心,烏魯木齊830091)

0 引言

前人研究表明[1-6],同處于一個構造層的煤系地層節理裂隙與深部煤層節理裂隙之間存在很好的對應關系,相同的構造應力會在同一構造層的不同巖性巖層中產生相似的節理裂隙,進而影響煤層微觀孔隙發育。外生節理、氣脹節理、內生裂隙及微裂隙組成的裂隙系統正是煤層氣產出的主要通道。煤層氣開發案例報道認為,外生節理的高度、寬度、空間形態、裂縫寬度、充填物等特征,氣脹節理與內生裂隙的高度、密度、裂縫寬度、充填物等特征,煤系圍巖露頭節理與煤層中節理的關系對比等,都是查明煤儲層裂隙系統發育特征的主要研究方法[2,6-8]。煤層宏-微裂隙對于煤層氣開采的重要性相當于人體的血管,決定著煤層氣采出率。從煤巖、煤質、煤層埋深、煤層厚度以及煤礦瓦斯逸出情況等基本數據看,研究區蘊含豐富的煤層氣資源量。但是,新疆區域煤層氣勘探開發的理論與技術相對滯后,主要存在的問題有:基礎數據的采集、分析、認識與勘探開發的實際需求契合度不夠;煤層氣勘探開發相關理論技術多是直接引進國內外成熟的經驗,沒有因地制宜地考慮研究區煤層氣儲層的特有差異。該文在研讀國內最新研究成果的基礎上,篩選適合研究區的研究方法,提取關鍵宏-微觀數據,意在從源頭探索煤層氣裂隙特征,打開煤層氣采出通道,為研究區煤層氣有利區塊的評價、優選以及開發方案的擬定工作提出合理的思路與建議。

1 研究區主采煤層發育特征

研究區含煤地層位于侏羅系下統塔里奇克組,該組地層于井田北部出露,分為上、下兩段,主力煤層主要位于下段,其地層主要由厚層狀的礫巖、粗砂巖、煤、薄層狀的粉砂巖或泥巖組成,地層平均厚115.60 m,含煤3層,編號為A1～A3;煤層平均厚11.45 m,呈傾斜狀產出。A1煤層位于最下部,煤層全區穩定分布,厚度0.77～4.87 m;A3煤層位于A2煤層之上,全區分布,煤層厚度3.61～7.95 m,呈現北西方向較東南向煤層厚,平均厚度6.10 m。研究區野外實測點圖如圖1所示。

圖1 研究區野外實測點圖Fig.1 Field survey points in the study area

2 節理表征及其密度的影響因素分析

通過野外數據采集和后期室內分析,厘清節理發育的方向、密度,在此基礎上開展不同巖性中節理密度發育的特征,對于推斷深部巖層節理發育趨勢具有指導意義[7,9-11],是煤層氣井選區、設計、壓裂等工程技術的依據。

2.1 節理裂隙發育的傾向與走向

69個節理數據觀測點的統計分析顯示,節理傾向集中發育在70°～110°和251°～290°,密度在55～133條/m;節理發育的主要走向為N WW 和NNE向,其中287°～279°和32°為節理發育的顯著方向,如圖2、圖3所示。前人研究顯示[12],同一地區粉砂巖和細砂巖與煤層裂隙產狀相差約10°;而中砂巖、粗砂巖和細礫巖中優勢節理產狀基本一致,但和煤層中的優勢方向相差20°～30°。

圖2 研究區節理傾向統計圖Fig.2 Statistical diagram of joint tendency in the study area

圖3 研究區節理走向統計圖Fig.3 Statistical diagram of joint trend in the study area

2.2 圍巖粒度對節理密度的影響

研究中基于圍巖粒度,識別了粗砂巖、中砂巖、細砂巖和粉砂巖。測量點Y03號的巖性為中砂巖,巖層產狀為151°∠34°;從節理等密度圖中可以看出,優勢方向比較明顯,以NWW 為主要發育方向。測量點Y69號的巖性為中砂巖,巖層產狀為138°∠48°;從節理等密度圖中可以清晰地看出該點發育3個方向的節理(如圖3所示),但是以NNE(14°～34°)走向為優勢方向,節理平均密度4～6條/m,長度可達5 m 以上;NWW 走向方向節理次之,節理線密度4條/m。根據研究區節理線密度和圍巖巖性的關系分析,總體趨勢為:隨著巖石粒度變細,節理線密度增加(如圖4所示),這一點與前人的研究結論基本吻合[1,10-12]。

圖4 研究區不同巖性構造節理裂隙平均發育線密度Fig.4 The average development linear density of joint fissures in different lithological structures in the study area

2.3 圍巖層厚對線密度的影響

以研究區粉砂巖為例,選取了20余個觀測點的巖層厚度及對應節理密度記錄,建立粉砂巖巖層厚度和節理裂隙密度的關系并進行相關性分析,結果顯示,粉砂巖的層厚與節理裂隙線密度呈對數函數遞減的關系,相關性系數為0.873 2(如圖5所示)。

圖5 研究區粉砂巖厚構造節理密度關系圖Fig.5 Relational map of joint density of siltstone thick structure in study area

即隨著巖層厚度的增加,節理裂隙發育的線密度呈指數遞減,這與國內其他區域的認識基本一致[11-12]。由于圍巖節理產狀與煤層裂隙產狀關系較為密切,因此可以進一步認為,在以圍巖裂隙產狀特征為依據推斷煤層裂隙產狀時,宜選擇粒度較小、厚度較薄的巖層。

2.4 煤層露頭裂隙統計分析

煤層圍巖裂隙發育特征受控于圍巖的厚度和巖性,以圍巖裂隙展布規律為基礎,結合煤層露頭處裂隙統計數據,建立兩者之間的耦合性認識,不失為推斷地下煤層裂隙方位的科學方法。

如圖6 所示,煤層的頂底板多為粉砂巖、細砂巖、泥巖和炭質泥巖。如表1所示,煤層裂隙優勢方位N WW 和NNE幾乎涵蓋了其圍巖裂隙的優勢方位,煤層裂隙的線密度遠高于其圍巖,約為10～50倍。首先可以認為,地質歷史時期凡是在圍巖上留下痕跡的構造運動可以推斷為煤層中也受到同樣的改造作用;煤層脆性普遍遠低于圍巖,同一構造運動對煤層的改造作用更加明顯。其次,煤層中節理產狀最大和最小分別為301°∠88°和2°∠67°,與其圍巖產狀接近度順序依次為:粉砂巖(358°∠68°和4°∠56°)、泥巖(342°∠41°和21°∠48°)、中砂巖(268°∠50°和5°∠36°)、細砂巖(356°∠51°和131°∠14°)、炭質泥巖(358°∠68°和207°∠32°),總體趨勢上表現為巖性越細,優勢方位越與煤層相一致。

表1 裂隙產狀統計表Table 1 Statistics of fissure occurrence

圖6 研究區實測剖面示意圖Fig.6 Schematic diagram of the measured profile in the study area

3 節理的發育過程及應力分析

在節理發育特征認識的基礎上,根據節理的切割關系,確定其發展期次,并與區域地質構造演化相聯系,建立兩者的對應關系[4,13-14],進而厘清構造期次影響下的節理發育特征,這對于指導深部巖層節理發育的推斷具有關鍵意義。

3.1 研究區節理分期與配套

地表露頭節理統計分析歸納發現,研究區發育4組節理(Y18,Y60,Y52,Y17)觀測點,從這4組節理間選取典型節理(如表2所示)進行解剖分析,根據這4組節理間的相互關系將它們分為2 套節理系,如圖7所示Y18觀測點。

圖7 Y18節理照片與刻畫對照分析圖Fig.7 Y18 Joint photo and portrayal contrast analysis diagram

表2 典型節理解剖點一覽表Table 2 List of typical section understanding points

圖7a取自于Y18點,巖性為細砂巖,巖層產狀為160°∠67°。可見4組節理,歸納為2套。第1組節理產狀為299°∠32°,節理密度為3條/m;第2組節理產狀為200°∠90°,節理密度為2條/m;第3組節理產狀為356°∠53°,節理密度為4條/m;第4組節理產狀為240°∠59°,節理密度為3條/m。4組節理構成了2套“X”共軛節理系,如圖7b所示。A 和C兩組節理相互切割和限制,故構成同一期次的節理;B 和D 兩組節理呈互相切錯的關系,故定為同一期次節理。圖中節理相互限制關系表明B 和D形成的節理系為第2套節理,A 和C 構成了第1套節理。

3.2 構造應力場分析

地質歷史時期中,每一階段的應力方向、大小等要素的不同,都會在地層特征上留下記錄,如地層抬升-下沉、褶皺、斷層等構造現象,節理的表達與相互關系即是其中記錄的之一。對各個期次的節理進行古構造應力分析,利用赤平投影計算最大主應力的方向。在野外構造節理填圖過程中,選取了共軛剪切節理關系明顯的4 個觀測點進行應力分析。

根據野外實測和節理應力場方向統計分析,結合地質歷史背景,研究區含煤地層形成之后經歷了2次明顯的構造應力場的作用:第一期次共軛節理形成于燕山期,其主應力方向為NW-SE(315°)。圖8為Y03點,巖性為細砂巖,巖層產狀為135°∠49°,巖層中發育2組節理,第1組節理產狀為255°∠50°,節理密度為6條/m;第2組節理產狀為22°∠60°,節理密度為4條/m。這2組節理為第一期次節理,從圖中可以看出這2組節理間呈現相互切錯的關系,其最大主應力方向為N W-SE(315°);第二期古構造應力方向為近SN 向,該古構造應力場主要作用于喜馬拉雅運動期,目前未發現該期構造運動對節理影響的證據。

圖8 Y03節理照片與刻畫對照分析圖Fig.8 Y03 joint photo and portrayal contrast analysis diagram

構造運動在成煤期后,可以確定構造應力對煤層及成煤期以早發育的地層具有塑造作用。此外,根據地層層序律,可進一步明確深部煤層節理裂隙發育的類似特征。

4 研究區煤儲層孔隙特征

在圍巖及煤層節理發育特征的基礎上[3-5,8,15],通過低溫氮等溫吸附試驗數據處理分析,探索煤層孔隙大小、結構、連通性以及微孔隙充填物性質,對于揭示煤層氣儲層的孔隙結構,預測煤層氣的解析排采難易程度,具有實際的指導意義。1)實驗儀器:Micromeritcs ASAP 2000自動等溫吸附儀;2)實驗方法:采用容量法;3)實驗環境:在-195.75℃(77.4 K)以下,以純度為99.99%低溫氮為吸附介質,在實驗壓力P與實驗溫度下汞飽和蒸氣壓力Po之比為0.01～1.00時測定吸附等溫線。對研究區A1,A2,A3三層煤層氣潛力層的試驗結果如圖9所示。

圖9 研究區煤層氣潛力層液氮等溫吸附和壓汞試驗Fig.9 Liquid nitrogen isothermal adsorption test and mercury intrusion test of coalbedmet hane potential layer in the study area

如圖9 所示,A1煤儲層BET 比表面積為5.268 7 m2/g,平均孔徑為7.843 5 nm,屬大、中孔發育,但多被無機礦物充填,導致孔隙連通性較差;鏡下觀察證實A1煤層被黏土礦物充填,其自身的微孔隙(3～4 nm)會提高煤儲層的比表面積[16],推斷為比表面積較其他兩層煤高的直接原因,此種形態孔隙有利于煤層氣的吸附保存,但宏觀上會降低氣體的儲量。A2煤儲層BET比表面積為4.395 9 m2/g,平均孔徑為6.375 08 nm,比表面積和平均孔徑都較A1煤層小;由BJH 曲線走勢判斷,A2煤層孔隙主要為“墨水瓶”型孔,導致孔徑有極不均一的特點,不利于已解析的煤層氣體的溢流擴散。A3煤儲層曲線顯示的比表面積和孔容區間較A1和A2穩定,計算的BET比表面積為0.055 1 m2/g,平均孔徑為70.198 75 nm,無機礦物含量較低,大、中孔較不發育但較少被無機礦物充填,孔隙連通性較好,判斷為煤層儲存空間大,且解析后氣體溢流順暢;與A1和A2相比較而言,A3是最有利于煤層氣體開發的煤層。

根據等溫吸脫附曲線原理,將相對壓力(P/Po)劃分為低壓0～0.1、中壓0.3～0.8、高壓0.9～1.0。其中,低壓階段A1,A2,A3三層煤的曲線走勢都偏向X 軸,說明液氮與實驗煤樣的作用力強度較弱,相比之下A3煤層最弱,最有利于解析脫附和溢流采出。從孔徑變化上看,A3中小于10 nm 的孔徑基本不存在,孔徑多為70～600 nm,以中、大孔徑孔隙為主。量化證實了BET 曲線與吸脫附曲線的統一性。A1和A2煤層脫附曲線在中壓段顯示一個突然增大的特征,反應此兩層煤孔徑區間較大,從吸附量與孔徑峰值看3～4 nm 的孔徑對氣體的儲存貢獻較大,孔徑喉道對氣體的脫附影響較大。

5 結語

1)研究區節理裂隙發育的優勢方向以NWW或NNE為主;裂隙的密度受巖性及巖層厚度制約,量化巖層厚度與節理密度的相關性系數為R2=0.873 2。微觀實驗結果認為研究區三層煤層氣潛力層的孔徑差別較大,相比認為A3最具開發潛力。在地表圍巖的節理裂隙發育特征及規律性認識的基礎上,推斷深部巖層及煤層的節理裂隙發育特征,進而指導目的煤層的開發方案。

2)由于地質構造運動對區域性地層的影響不同,其改造地層的效果也有很大差異。因此,煤層氣勘探開發過程以“滾動式”模式形成逐步深入的區域性地質特征認識和影響煤層氣產能的關鍵參數獲取可以在很大程度上規避投入風險。該研究區位于新疆南部,煤層氣勘探開發技術工作尚處于探索階段,尋找科學的證據,確定勘探開發初期的優勢煤層作為首期開發對象,成功的概率較大,對于探索區域性勘探開發技術,建立技術團隊的信心,吸引國內外同領域的專家學者具有實質性意義。