微米CT掃描尺度下構造煤微裂隙結構特征及其對滲透性的控制

王相龍,潘結南,王 凱,李建新, 程南南,李 猛

(1.河南理工大學 資源環境學院,河南 焦作 454000;2. 中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心,河南 焦作 454000)

煤儲層孔、裂隙特征控制著煤層氣的吸附解吸、擴散與滲流等過程[1-3],而儲層滲透率是煤層氣地面開發的重要指標,同時也是井下瓦斯抽采與災害防治的重要參數[4-5]。我國煤礦地質條件復雜,煤層多受構造應力作用改造,煤層結構發生不同程度的變形與破壞,形成各種類型構造煤。通常構造煤(尤其是強構造變形煤)儲層含氣量高但透氣性差,且發育結構復雜的孔、裂隙系統。因此,有必要針對構造煤的孔裂隙結構特征與滲透性的關系開展研究。

構造變形煤與原生結構煤相比,其經歷了復雜的變質變形過程,導致瓦斯賦存與運移條件發生改變[6]。近些年來,眾多學者對構造煤中孔裂隙及其滲透性特征進行了大量研究[7-19]。姜波等[7]系統地論述了構造煤的變形特征、物理化學結構及其瓦斯吸附特征,為煤與瓦斯突出預防與煤層氣開采提供了理論指導。學者們普遍認為構造應力作用會使煤體抗壓強度降低[8],煤中孔、裂隙體積[9]與比表面積增加[10],分形維數減小[11]。但原位地應力下,由于儲層地應力集中與壓實作用,構造煤孔隙度小、含水性差,煤層氣幾乎全部以吸附狀態賦存[12],且超量煤層氣可能賦存于超微孔中[13]。此外,構造應力作用會使煤大分子結構官能團發生脫落、重排和縮聚等現象,并改造孔隙結構分布從而影響煤體吸附瓦斯能力[14],同時構造應力還可促進煤化進程[15]。

在滲透性特征方面,構造煤的滲透性與原生結構煤存在差異。隨著有效應力的增加,滲透率呈減小的趨勢[16],而應力加卸載過程中,構造煤滲透率的損失要大于原生結構煤,構造煤滲透率對應力的響應更加明顯[12]。根據CHENG 等[17]研究,弱構造變形煤中發育連通良好的微裂隙,具有較高的滲透率,而在糜棱煤中,連通的孔裂隙結構遭到破壞,滲透率降低和滲透率損傷率提高。相反,在ZHAI等[18]研究中,構造煤孔、裂隙發育,氣體滲流通道明顯通暢,相比于原生結構煤的滲透率大,但從野外資料和井下瓦斯抽采經驗可以清楚地看出,構造煤儲層的透氣性低于完整煤層,與實驗室結果相悖。這可能是因為構造煤原位條件下的孔、裂隙結構與室內條件下構造煤實驗樣品存在較大差異的緣故。由此可見構造煤制樣與滲透率準確測試是仍然一個難點問題。

同時,在有效應力加卸載過程中不同變形程度構造煤中裂隙結構特征及對滲透性的控制機制還有待進一步揭示。因此,進行構造煤中裂隙特征(分布、發育、結構和形態)的精確識別與定量表征,深入探討構造煤裂隙特征對儲層滲透率的影響與控制作用,將有助于全面認識構造煤儲層復雜裂隙網絡中氣體滲流規律,為煤層氣勘探開發與瓦斯防治提供一些理論依據。

1 實驗樣品與方法

1.1 樣品制備

實驗樣品采自山西省沁水盆地胡底礦3號煤層和河南省平煤十三礦已17煤層,其中樣品HD01與PM01(偏向原生結構煤)的堅固性系數分別為1.19和0.81,為弱構造變形煤。而樣品HD02與PM02的堅固性系數分別為0.22和0.13,為強構造變形煤。煤巖顯微組分信息見表1。

對強構造變形煤進行力學性質和滲流特性的試驗研究,柱狀煤樣的制作是首要難題。弱構造變形煤樣品HD01和PM01可沿著垂直層理方向取心,煤心直徑為25 mm,長為27 mm。而強構造變形煤煤體強度低,松散且易變形,難以直接取心。因此,筆者采用冷膠法將強構造變形煤HD02和PM02進行密封,真空飽水1 h后,用環氧樹脂將煤樣密封在直徑為25 mm,長為40 mm的柱狀模具中,靜置24 h后,將模具去下,成型的柱狀樣品可用于CT掃描與滲透率測試。

表1 煤巖顯微組分與工業分析信息

1.2 實驗方法

本研究采用掃描電鏡和CT掃描對構造變形煤中裂隙的二維-三維特征進行綜合表征,同時開展三軸滲透實驗對其滲透性進行分析。

1.2.1 CT掃描實驗

CT掃描實驗采用型號為Phoenix v |tome |x m微焦點CT系統(美國,General Electric Company)。該系統最大電壓/功率為300 kV/500 W,三維幾何放大倍率為1.3～100倍,細節檢測能力為2 μm,能實現對多種樣品微觀結構的掃描。對樣品進行80 ℃,24 h烘干后進行掃描,同時采用Phoenix datos |x CT軟件對整個CT流程鏈進行全自動分析處理,有效減少了操作時間和人為因素影響,極大提高了CT結果的可重復性和可再現性。每個樣品得到1 853張分辨率為14.57 μm的CT二維切片。

數字圖像處理是煤中孔裂隙的精確識別與提取的前提。數字圖像處理包括圖像裁剪、灰度調節、濾波處理、閾值分割和三維重構。采用高性能計算機硬件配置,包括高性能圖形顯卡和雙路處理器以及384 G四通道內存,并利用ImageJ,VG Studio和Avizo等軟件對煤樣二維切片進行處理,如圖1所示。數字圖像處理中最為重要的是濾波處理和閾值分割模塊。采用非局部均值濾波消除圖像點噪聲[19],圖像降噪后煤裂隙與基質邊界變得自然。閾值分割采用分水嶺算法,它是一種基于拓撲理論的數學形態學的分割方法,對弱邊緣具有較好的識別能力[20]。

圖1 CT掃描中數字圖像處理過程Fig.1 Digital image processing process of CT scan

1.2.2 三軸滲透實驗

三軸滲透實驗采用實驗儀器型號為TC-3非常規天然氣巖-氣多過程耦合綜合實驗平臺(中國,江蘇拓創)。設備主要部件有:注氣系統、模型系統、軸壓系統、圍壓系統、出口計量系統和采集系統。該儀器參數電源為380 V,溫控為常溫-150 ℃,測試加載圍壓為0～40 MPa,測試加載軸壓為0～40 MPa,滲透率測試范圍為0.000 1×10-15～10×10-15m2?？蓪崿F樣品在應力、溫度加載下的滲透性演化多場耦合過程。

實驗氣體采用氦氣,進口恒定氣壓為1 MPa,軸壓恒定為4 MPa,圍壓初始為1 MPa,然后將圍壓逐級加壓至2、3、4、5、6、7、8、9和10 MPa,隨后將圍壓進行逐級卸載至1 MPa,測試溫度為25℃,逐級加載和卸載過程中對滲透率進行測量。根據氣體達西定律,將煤樣的長度、橫截面積、流量等參數代入式(1)求得滲透率為

(1)

式中,K為煤樣的氣體滲透率,10-15m2;Patm為標準大氣壓,101 325 Pa;μ為氦氣的氣體黏度,mPa·s;Q為氣體的流速,mL/s;L為煤樣的長度,cm;A為煤樣的橫截面積,cm2;P1為氣體的進口壓力,MPa;P2為氣體的出口壓力,MPa。

2 掃描電鏡與CT掃描分析孔裂隙特征

2.1 裂隙二維平面形態特征

煤是一種具有較強非均質性和結構復雜的多孔材料[21],其表面孔裂隙的形態特征可直接利用掃描電鏡觀測,同時與CT掃描二維切片進行對比研究,如圖2所示。

圖2 孔裂隙二維表面特征Fig.2 2-D surface characteristics of pore-fractures

弱構造變形煤HD01(圖2(a))煤樣表面光滑,發育形態簡單且迂曲度小的裂隙;而強構造變形煤HD02(圖2(c))發育形態復雜的裂隙,且表面多成隆起形成凸面,表面附著許多煤顆粒且粗糙,這些顆粒接觸不緊密進而造成許多空隙結構的存在。CT二維切片明顯呈現3種灰度,其中亮色代表煤中礦物,灰色代表基質,而黑色則代表為裂隙,反應出煤的強非均質性。弱構造變形煤CT切片中(圖2(b))有大量礦物存在,其中包括原生礦物和充填裂隙的礦物。在強構造變形煤中(圖2(d))礦物和裂隙形態和分布極為復雜,表明構造揉皺作用明顯,使基質、裂隙和礦物條帶均發生扭曲變形。

2.2 裂隙三維內部結構特征

CT二維切片經過一系列的圖像處理后,煤中的裂隙得以準確的提取出來,圖3為裂隙的三維可視化。弱構造變形煤中可見尺寸較大的平板狀裂隙,而強構造變形煤中多數為尺寸小的裂隙團簇,定量分析的裂隙開度、體積等數據見表2。

圖3 孔裂隙三維可視化Fig.3 3-D visualization of pore-fractures

利用Avizo軟件提取與計算不同開度裂隙占裂隙總體積的比例,即為不同開度裂隙的體積貢獻,如圖4所示。樣品HD01中開度為600～700 μm的裂隙體積貢獻最大,占41.8%;樣品HD02中開度為300～400 μm的裂隙體積貢獻最大,占28.9%;樣品PM01中開度為250～300 μm的裂隙體積貢獻最大,占36.3%;樣品PM02中開度為400～500 μm的裂隙體積貢獻最大,占39.2%。弱構造變形煤HD01體積貢獻主要為大裂隙,PM01中裂隙則幾乎不發育。而強構造變形煤HD02和PM02中微裂隙和大裂隙同時有較大的體積貢獻。

2.3 孔隙網絡模型特征分析

首先使用軟件Avizo中Separate Objects模塊將裂隙空間分隔成一組連接和標記的球體,然后軟件擴展模塊Avizo XPoreNetworkModeling Extension中Generate Pore Network Model命令來建立孔隙網絡模型,然后將其可視化,孔隙的顏色按照體積的大小生成,而喉道的顏色按照等效半徑劃分,生成復雜的孔隙網絡模型如圖5所示。

表2 CT掃描裂隙的基礎參數

圖4 不同開度裂隙的體積貢獻Fig.4 Volume contribution of fractures with different aperture

孔隙網絡模型中主要包括孔隙、喉道及其連接模式等參數。圖6(a)為孔隙半徑頻率分布,可看出4個樣品孔隙半徑分布均不同,其中高煤階構造變形煤(HD01和HD02)孔隙半徑分布較廣,而中煤階構造變形煤(PM01和PM02)孔隙半徑集中分布于0～50 μm。同時高煤階弱構造變形煤HD01中有多組峰的出現,連接模式復雜。圖6(b)為喉道半徑分布,高煤階構造變形煤(HD01和HD02)喉道半徑分布廣,裂隙連通性較好。中煤階強構造變形煤PM02喉道半徑多出現接近于0的谷值,表明了部分喉道的缺失,連通強度較差或是裂隙在小范圍內連通。此外,孔裂隙的連通性可由配位數分析,即每個孔隙與其他孔隙連接的個數。圖6(c)配位數分布,配位數最大為26,配位數在1～5內的孔隙構成了樣品主體,其中高煤階弱構造變形煤HD01存在多孔隙連通的情況,而中煤階弱構造變形煤PM01中有相當一部分孔隙為末端孔隙,即配位數為1的孔隙。

煤層滲透率受煤中裂隙的開度、間距、連接強度、連通性以及礦物充填程度和方向等多因素控制[22]。本研究使用26連通作為連通性準則,即物體之間連接的方式可以是點接觸、線接觸和面接觸任意一種,三維連通性評價公式[23-24]為

(2)

其中,C為連通性;V′為連通裂隙體積;V為樣品體積。而裂隙的連接強度用孔隙-喉道半徑之比來表示,即

(3)

圖5 孔隙網絡模型Fig.5 Pore network model

圖6 孔隙半徑、喉道半徑和配位數頻率分布Fig.6 Distribution of pore radius,throat radius and coordination number

其中,Rpt為孔喉比;lp為孔隙半徑;lt為喉道半徑。Rpt≥1,孔喉比越大,表明其連接強度越弱,孔喉比越小,表明孔隙的連接強度越強。

樣品中裂隙的連通性與孔喉比見表3,高煤階煤連通性好于中煤階煤,而強構造變形煤連通性大于弱構造變形煤。在連接強度方面,強構造變形煤的孔喉比均小于弱構造變形煤,表明此尺度下強構造變形煤的裂隙連接強度強于弱構造變形煤。

表3 連通性與孔喉比

3 構造煤滲透率及其主控因素分析

3.1 加卸載有效應力下滲透率特征

本研究應用平均有效應力來描述煤層的地應力與其存在于孔裂隙的流體壓力之差[25]:

(4)

式中,σe為平均有效應力,MPa;σa為軸壓,MPa;σr為圍壓,MPa。

本實驗初始條件軸壓為4 MPa,圍壓為1 MPa,氦氣壓力進口壓力為1 MPa,出口壓力為0.1 MPa。圖7為加卸載有效應力條件下滲透率變化。由圖7可知,隨著有效應力的逐級加載,所有煤巖樣品的滲透率均減小,而當有效應力逐級卸載時,所有煤巖樣品的滲透率均又增大。滲透率與有效應力之間呈負指數函數關系,其擬合方程為

y=A1e-tσe

(5)

式中,y為滲透率,10-15m2;A1為常數;t為有效應力敏感系數,MPa-1。

從圖7中的煤巖樣品滲透率變化趨勢發現,強構造變形煤和弱構造變形煤滲透率變化均分為3個階段:即有效應力在1.57～2.90 MPa,滲透率隨有效應力的增加明顯呈快速下降趨勢;在有效應力2.9～4.9 MPa,滲透率隨有效應力的增加呈較快下降趨勢;而4.9～6.9 MPa,滲透率隨有效應力的增加呈緩慢下降趨勢。

為分析不同變形程度構造煤本身特性與其滲透率的關系,引入了滲透率損失率和不可逆滲透率損失率[26]:

圖7 加卸載有效應力條件下滲透率變化Fig.7 Permeability variation under load andrelief effective stress

(6)

式中,Dmax為煤巖樣品的滲透率損失率;K1為初始有效應力對應的滲透率,10-15m2;Kmin為在有效應力加載上升過程中最后一個應力點所對應的滲透率,10-15m2。

滲透率損失率反應了煤巖樣品在有效應力加載過程中滲透率損失的占比,而不可逆滲透率損失率反應了煤巖樣品在有效應力加載后又卸載的滲透率的損傷[26]:

(7)

式中,Dk為煤巖樣品的不可逆滲透率損失率;K1為初始有效應力對應的滲透率,10-15m2;K′1為當有效應力在加載又卸載到初始有效應力后所對應的滲透率,10-15m2。

表4為4個樣品的滲透率損失率和不可逆滲透率損失率,由表4可知,樣品的滲透率損失率分布在61.06%～95.98%,而不可逆滲透率損失率分布在22.83%～52.56%。其中HD01煤樣的滲透率損失率和不可逆滲透率損失率均略大于HD02煤;而PM01與PM02總體裂隙度較低且滲透率偏低,滲透率損失率和不可逆滲透率損失率表現出較為復雜的特征,這可能與受多種因素綜合影響有關,例如裂隙連通性、基質組分差異與礦物含量等。

表4 滲透率損失率和不可逆滲透率損失率

3.2 裂隙特征對滲透性控制作用

煤是一種復雜且非均質性強的多孔介質,煤中孔、裂隙是煤儲層滲透率大小的直接控制因素,具體包括裂隙開度、數量與體積,裂隙連通性與連接強度,以及礦物充填程度等。圖8為煤樣實測滲透率與裂隙結構參數的關系,由圖8可知,煤樣的滲透率與裂隙的開度、裂隙連通性均呈正相關關系,而與孔喉比呈負相關關系。同時,滲透率與孔裂隙體積和數量也呈正相關關系。其中,裂隙的連通性直接決定了流體可流動的通道,裂隙的孔喉比表現了流體流過通道連接處的難易程度,而裂隙的開度對滲透率大小影響最為顯著。此外,裂隙中充填的礦物與裂隙壁粗糙程度會降低煤儲層滲透率。值得注意的是,本文中強構造變形煤滲透率大于弱構造變形煤,是由于在此尺度下強構造變形煤的微裂隙發育,平均開度、連通性和連接強度均強于弱構造變形煤。

3.3 基于CT掃描裂隙參數的滲透率模型

3.3.1 模型推導

煤體滲透特征主要由裂隙控制,流體主要在裂隙空間中做層流流動,假設煤體中連通裂隙空間由若干個圓柱形管組成,聯立式(2)樣品中裂隙連通性,可得到圓柱形管的數量n可表達為

(8)

其中,wav為裂隙的平均開度,L為裂隙長度。流體在水平圓柱形管中做層流運動時,可由泊肅葉定律得到單個裂隙的流量q[27]:

(9)

其中,ΔP為孔隙兩端壓差。聯立式(8)、(9)可計算出裂隙的總流量Q為

(10)

由達西定律變形后裂隙的滲透率表達為

(11)

將式(10)代入式(11)可計算出裂隙滲透率為

(12)

同時,考慮到多孔介質中孔裂隙形態復雜且表面粗糙,對流體流動存在負面影響,因此引入裂隙的分形維數、與裂隙度,其關系表達式[28-29]為

(13)

(14)

其中,φ為裂隙度;D為分形維數;wmin、wmax為裂隙的最小和最大度。考慮到裂隙通道兩壁的粗糙度時,需引入,相對粗糙度[30]為

(15)

其中,σ為裂隙通道的相對粗糙度;h為絕對粗糙度,因此裂隙的平均有效開度則變為wav-2h。聯立式(12)～(15)可得到煤體裂隙的有效平均開度與滲透率,裂隙的開度、連通性、連接強度、粗糙度以及分形維數與滲透率可表達為

(16)

考慮到裂隙分形維數與裂隙度則表達為

(17)

由式(17)可看出,滲透率與連通性和裂隙開度呈正相關關系,而與裂隙粗糙度和裂隙分形維數呈負相關關系。

3.3.2 模型驗證

由式(12)可看出,煤樣滲透率與裂隙連通性呈正相關關系,裂隙連通性直接決定了滲透率的大小;同時裂隙的開度對滲透率影響顯著,滲透率與開度呈二次方正相關關系。通過對煤樣加卸載有效應力下滲透率實驗,可得到滲透率與有效應力的擬合關系,擬合公式如圖7所示。當有效應力為零時代入擬合公式中即可求出煤樣在無受載情況下的滲透率。將CT掃描樣品的裂隙度、連通性、最大開度與分形維數代入模型中求得預測滲透率,分別為0.002 8×10-15、0.287 5×10-15、0.000 8×10-15和0.008 7×10-15m2,見表5。模型預測滲透率均大于實測滲透率,裂隙粗糙度對滲透率具有負面影響。樣品的滲透率模型預測與實驗滲透率誤差分別為3.57%、2.02%、50.00%和5.75%。由于樣品PM01中幾乎無裂隙發育且連通性差,當等效為連通的管狀裂隙時預測的滲透率相差較大,其余誤差均較小,驗證了本文中基于CT掃描滲透率模型的準確性與適用性。

表5 滲透率模型參數及與實測誤差

4 結 論

(1)利用掃描電鏡和CT切片觀測了樣品二維表面特征,弱構造變形煤表面發育形態簡單的裂隙,強構造變形煤表面多成隆起形成凸面,表面附著煤顆粒且粗糙,裂隙形態復雜。

(2)利用CT圖像處理技術定量分析孔裂隙三維結構特征,結果表明,在微米尺度下弱構造變形煤體積貢獻主要為大裂隙,而強構造變形煤中微裂隙有較大體積貢獻。在微米尺度下高煤階連通性好于中煤階,強構造變形煤連通性大于弱構造變形煤,連接強度也強于弱構造變形煤。

(3)構造煤滲透率均隨有效應力增大均呈負指數下降趨勢。多因素控制了煤儲層滲透率,包括孔隙體積,裂隙開度、數量、體積、連通性與連接強度,其中開度影響最為顯著。此外,結合CT掃描裂隙參數建立了滲透率模型,并驗證了在此尺度下的準確性和適用性。