煤储层基质孔隙和割理孔隙的特征及孔隙度的测定方法

第20卷第1期 华　北　水　利　水　电　学　院　学　报 V ol.20N o.1　1999年3月 Journal of N orth China Institute of Water C onservancy and Hydroelectric P ower Mar.1999
文章编号:1002-5634(1999)01-0023-05
煤储层基质孔隙和割理孔隙的特征
及孔隙度的测定方法Ξ
管俊芳1,侯瑞云2
(1.华北水利水电学院岩工系,河南郑州,450045;2.华北石油局,河南郑州,450006)
摘　要:以河南安阳和山西柳林两处试验勘查区及附近矿井煤样为例,对煤储层和基质孔隙和割理孔隙特征
分析进行了研究,并对孔隙度的测定方法作了探讨。

基质孔隙和割理孔隙构成煤储层的双重孔隙介质结构.
割理孔隙度一方面随围压增加有降低的趋势,另一方面随孔隙压力降低,气体解吸引起的基质收缩,又有增加
的趋势.通过分析实验室条件下,水饱和与气驱水过程基质孔隙的毛管力和润湿性,结合国外学者对气驱水条
件下割理内是否有残余水所做的实验,综合分析,认为气驱水法是测定割理孔隙度唯一可行的方法.基质孔隙
度只能由总孔隙度和割理孔隙度间接求取.
关　键　词:基质孔隙;割理孔隙;气驱水法
中图分类号:P618.1 文献标识码:A
煤储层煤岩孔隙物性特征,即煤岩总孔隙度,割理孔隙度、微孔隙度、孔隙体积压缩率、煤岩渗透率、孔隙结构特征等等,对煤层气储层评价具有重要意义.基质孔隙和割理孔隙构成煤储层的双重孔隙介质结构.基质孔隙发育于煤的基质块体之中,是煤层气吸附存在的场所,按其孔径不同可分为:大孔、过渡孔和微孔隙.中变质烟煤中过渡孔隙和微孔隙占80%左右.割理孔隙指煤化作用过程形成的微裂隙,是流体运移产出的通道,按其延伸长度不同分为面割理和端割理.经统计,安阳和柳林两个勘查试验区附近矿井煤样的孔隙度为:割理孔隙度小于2%,多为0.94%～1.65%,占总孔隙度的10%～18%;基质孔隙较多,为5.84%～10.5%,在总孔隙度中占有较高的比例.割理孔隙度,一方面随围压增加有降低的趋势,另一方面随孔隙压力降低,气体解吸引起的基质收缩,又有增加的趋势.
煤的基质孔隙度和割理孔隙度均不能用常规孔隙度仪直接测定.关于煤的割理孔隙度的测定,通过分析实验室条件下,水饱和与气驱水过程基质孔隙的毛管力和润湿性,结合国外学者对气驱水条件下割理内是否有残余水所做的实验分析,综合认为气驱水法测定割理孔隙度是唯一可行的方法.基质孔隙度只能由总孔隙度和割理孔隙度间接求取.
1　基质孔隙和割理孔隙特征
煤储层不同于常规砂岩、碳酸盐岩储层,基孔隙发育特征也有其特殊性.
1.1　基质孔隙、割理孔隙及其孔隙度的概念
煤岩在成煤演化过程中,发育成两组大致成直角相交的内生裂隙,将煤体分割成不同的基质块体也称基岩块体.因而,这些后生形成微裂隙和基质块中的原生微孔隙构成煤的总孔隙.
割理孔隙指煤化过程中形成的两组内生裂隙.因两组裂隙的发育程度不同,延伸较远的主裂隙组称面割理,介于主裂隙组之间的次裂隙组称端割理.基质孔隙指发育于煤基质块体中的原生微孔隙也称基岩微孔隙.割理孔隙和基质孔隙构成煤的总孔隙.相应地,割理孔隙度是割理孔隙体积与试样总体之百分比,基质孔隙度为基质孔隙体积与试样总体积之百分比,二者构成煤的总孔隙度.
Ξ收稿日期:1998-11-13;修订日期:1999-02-21
基金项目:“八五”国家重点科技攻关项目研究成果(85-102-02-02)
作者简介:管俊芳(1965-),女,山西闻喜人,华北水利水电学院岩工系讲师,硕士,从事沉积学和储层地质研究.
1.2　煤的基质孔隙和割理孔隙的结构特征
1.2.1煤的基质孔隙结构特征
煤的基质孔隙结构较为复杂,煤变质程度不同其孔隙大小、分布均不相同,所谓的基质微孔隙并非均为细小的孔隙.美国学者H.G an(1972年)通过研究将煤基质孔隙划分为3类:大孔隙(30～2960nm),过渡孔隙(1.2～30nm)和微孔隙(0.4～1.2nm).他利用低温氮吸附仪和汞孔隙度仪等手段,对无烟煤到褐煤的基质孔隙结构特征分别进行了实验研究.其结构表明,以挥发份烟煤为主体的煤层气储层基质孔隙,并以微孔隙和过渡孔隙为主的达80%左右.
1.2.2　煤的割理孔隙结构特征
表征割理发育程度的参数通常是指割理密度,即5cm距离内的面割理条数.因而“八五”期间对煤割理密度研究较多,而对割理缝宽和割理的延伸长度研究较少.割理的发育程度同样与煤变质程度及宏观煤岩成分有关.割理主要发育于亮煤和镜煤之中,经对安阳、柳林试验区的煤心及附近矿井中煤样的光亮煤和半亮煤观察统计,认为焦煤割理最为发育,其密度一般为每5cm内有30～40条.
1.3　煤的基质孔隙度和割理孔隙度特征
对我国柳林,安阳两个煤层气勘查试验区与附近矿井煤样的实验测试结果进行统计,焦煤中割理孔隙度为0.94%～1.65%,在总孔隙中所占的比例为10%～18%;基质孔隙度为5.84%～10.51%,在总孔隙度中所占的比例为82%～90%.随煤阶增高,割理孔隙度及其在总孔隙度中所占的比例有降低的趋势.相反,基质孔隙度及其在总孔隙度中所占的比例有增加的趋势,见表1.
表1　柳林、安阳地区中、高煤阶煤孔隙度特征统计表
样 号煤　阶<t(%)<c(%)<c/<t(%)<m(%)<m/<t(%) A4-二1-3焦煤7.20 1.3618.00 5.8482.00 LQ j-8-1焦煤12.00 1.4912.4210.5187.58 LQ j-8-5焦煤8.50 1.1713.76 6.3386.24 LQ-10-1(1)焦煤9.200.9410.228.2689.78 LQ-10-1(2)焦煤9.10 1.1212.317.9887.69 LQ-10-2焦煤11.10 1.6514.869.4585.14
A H-二1-2瘦煤7.200.7910.97 6.4189.03
A H-二1-1瘦煤 4.600.5311.52 4.0788.48
A H-二1-2贫煤8.000.739.007.2791.00
A H-二1-1贫煤11.800.57 4.8011.2395.20
A L-二1-3无烟煤 4.400.4710.68 3.9389.32 注:表1中数据为华北石油局地质研究大队资料;<t,总孔隙度;<c,割理孔隙度;<m,基质孔隙度.
煤储层的基质孔隙度和割理孔隙度这种特征与国外学者发表的研究结果一致,即割理孔隙度一般低于2%,在总孔隙度中所占的比例为20%左右;基质孔隙度一般较高,达10%左右,在总孔隙度中占有较高的比例.
1.4　煤基质孔隙和割理孔隙对压力的敏感性特征
煤层气以吸附形式存在于煤基质孔隙之中,由于煤层气的这种特殊储存方式,煤基质孔隙和割理孔隙与煤层气即吸附气的解吸压力密切相关.此外,由于煤具有较强的塑性,割理孔隙对应力较为敏感.
1.4.1　煤基质孔隙和割理孔隙的关系
煤的基质孔隙和割理孔隙随气体解吸压力降低而增加,按照物理吸附理论,吸附作用过程会使吸附剂的表面自由能降低,而这种降低又依次地使吸附剂发生与能量级降低成比例的膨胀,对于解吸过程是否有相应的效应,即随着孔隙压力降低,气体的解吸,基质微孔隙表面自由能增加,是否会使基质收缩并相应地增大基质孔隙和割理孔隙,是煤层气储层评价中应考虑的一个重要问题.
澳大利亚和日本的有限研究表明,孔隙气体压力降低不仅导致解吸作用,而且导致煤的收缩.由此可以间接说明,孔隙气体压力降低使基质孔隙度和割理孔隙度增加.
美国学者S.Harpalani等用美国西部白垩系和二叠系煤样进行了实验:在围压不变条件下,逐渐降低注入气体的压力,当气体压力小于煤样的解吸压
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力时,渗透率有增加的趋势.由此也间接证明了气体压力降低使基质孔隙和割理孔隙增大的问题.图1是他所做的一个典型实验,图中展示了气体压力降低过程中渗透率的变化和煤样吸附等温线的关系.在围压力14MPa 条件下,开始随气体压力降低,由于煤岩所受的有效净压增加,使其割理孔隙减小,渗透率略有降低;当气体压力小于煤的解吸压力时,随气体压力降低,由于气体解吸使煤基质收缩,基质孔和割理缝相应增大,从而使渗透率显著增加
.
图1　
煤渗透率和吸附量随气体压力降低的变化1.4.2　割理孔隙对应力的敏感性
研究煤的割理孔隙必须以煤基质块体为依托,如何排除煤基质块体中微孔隙对测量割理孔隙体积的影响是割理孔隙研究中首先考虑的问题.
由于基质收缩与相应的基质孔隙,割理孔隙变化仅与孔隙气体压力有关,因此,保持孔隙气体压力不变,并采用几乎不对煤产生吸附的He 2作载气,即可研究围压变化对割理孔隙的影响.
图2　孔隙度随围压变化曲线
图2是孔隙压力保持不变情况下,孔隙度随围限压力的变化曲线.可以看出,随围限压力增加,煤的割理孔隙明显降低,而同等条件下砂岩孔隙随围压变化不明显.
2　测定方法
煤的基质孔隙和割理孔隙共存,因而煤的基质孔隙度和割理孔隙度均无法直接用常规孔隙度仪测定.割理孔隙与流体流动密切相关,故可用气驱水法间接测定;而基质孔隙则需要通过计算求取,即总孔隙度与割理孔隙度之差即为基质孔隙度.2.1　煤岩总孔隙度的测定
关于煤总孔隙度,用常规孔隙度仪即可测定.因He 2分子直径小(0.265nm ),可以进入煤岩所有的基质微孔隙,且有资料表明,He 2作载气,即可测定煤的总孔隙度.
总孔隙度测试过程本身不存在难点,值得注意的是煤样的制备问题,煤具有较强的脆性,用于孔隙度测试的煤样必须妥善保存并小心制样,避免破坏煤的割理孔隙结构.此外,气体孔隙度测试前需对样
品进行烘干,以免水分影响测试精度,常规砂岩样烘干温度通常为120℃,对于煤样而言,为避免高温破坏煤样割理结构,建议煤样温度定为80℃.2.2　割理孔隙度的测定2.2.1　测试方法、依据
气驱水测定煤的割理孔隙度是国外割理孔隙度测试中常用的方法.其方法是,将煤样抽真空并被水饱和,然后用氦气驱替试样内的水,驱出的水称可流动水,代表试样的割理有效孔隙体积.该方法的前提条件是:气驱水条件下割理内没有残余水,基质微孔隙中的水均为束缚水或割理内的残余水可与基质孔隙中的可流动水抵消.这种条件是否存在是该方法使用前必须研究的问题.作者根据国外近期发表的有关文献资料结合测试过程中煤的润湿性,毛管力对此条件进行了论证.
关于割理内有无残余水的问题,美国阿莫科公司研究较多.R Puri (1990年)用X 一射线示踪法,以NaI 作示踪剂测定了气驱水结束后割理内残余水的饱和度,测试结果表明,割理内有一定的残余水,其饱和度为20%左右.B W G ash (1990.10)通过实验研究认为,用X 一射线示踪法求得的割理总孔隙度和用气驱水法直接测得割理有效孔隙度接近,他认为X 射线示踪法本身由于部分示踪剂被煤吸收的缘故,使其测得的结果普遍偏高.由此他认为割理内没有残余水即使有也很少.
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2第20卷第1期 管俊芳等:　煤储层基质孔隙和割理孔隙的特征及孔隙度的测定方法
图3　实验室与储层条件下煤的润湿性示意图
关于基质微孔隙中的水是否均为束缚水的问题,可根据基质孔隙润湿性和毛管力进行分析.煤基质块体是由众多微孔隙组成的多孔介质,每个微孔隙都可看成为一根毛细管.地表实验室条件下将煤样抽真空进行水饱和时,真空状态下水分子无需克服毛管压力即可进入微孔隙内.在气驱水过程中,基质微孔隙被水润,表现为亲水性,气要驱出微孔隙中的水必须克服微孔隙的毛管压力(如图3所示).毛管压力计算公式为
P c=-2σcosθ
γ
式中　σ———气水介面张力(72×10-5/N・cm-1);
　θ———润湿角;γ———微孔隙半径/cm.
有资料表明,煤孔隙壁与水的接触角为18°～30°,按平均为20°计算,前述不同类型基质孔隙的毛管力,如表2所示,对于微孔隙和过渡孔隙而言,气体分子很难克服毛管力进入其中将水排出;但气体分子很有可能克服大孔隙的毛管力,进入大孔隙.另据H G an对中变质程度烟煤基质孔隙所做的实验分析,过渡孔隙约占80%,大孔约占20%,那么,由此可见,基质孔隙中的水80%为束缚水,20%为可以流动的水.
表2　不同基质孔隙类型毛细管压力表
孔隙类型微孔隙过渡孔隙大孔隙
孔隙直径d/nm0.4～1.2 1.2～3.0>30
毛细管力/MPa900～300300～12<12
保持接触角不变,如基质孔隙半径不同,毛管力显著不同,按照P G Sevenster(1958年)的观点,煤的基质孔隙半径主要为2nm,那么由此计算出基质孔隙毛管力为90.24MPa,气体分子显然很难克服如此大的毛管力,因此基质孔隙中的水均为束缚水.
综上所述,如果以R Puri的观点认为割理内有20%的残余水,那么它可与基质大孔隙内20%的可流动水抵消;如果以G B G ash的观点,割理内没有残余水,即使有也很少,因此,基质孔隙中的水主要为束缚水相一致.无论以何种观点解释均可认为,用气驱水法测定割理孔隙度是可行的,其结果可以用于煤储层模拟评价.
2.2.2　测试步骤与注意事项
将试样抽真空2h并用2%的K C1水溶液或与地层水成分、矿化度相似的盐水饱和48h,使其达到充分饱和,然后擦掉表面水,放入静压型岩心夹持器,以一定压力注入润湿的He2,调节围压,使围压与注入He2的压力差达到储层条件下煤储层所受的有效静压力,使He2驱替试样中的饱和水,待夹持器未端气流稳定,没有水被驱出时结束试验,从计量管中读出被氦气驱出的水量,根据试样的体积,即可求得割理孔隙度.
由于煤的割理孔隙度很小,必须注意试样制备和测试等环节,以提高测量精度.几个值得注意的问题为:①用于割理孔隙度测试的样品,应妥善保存并迅速制样,避免破坏割理孔隙原始结构.②试样饱和前不能烘干,目的是保护煤割理孔隙原始结构.③测试过程中应以被水润湿的He2作载气,避免测试过程中He2吸收割理内的水分,减少驱出水体积.④仪器夹持器末端与计量管之间的连线应尽量短,避免管线内死体积的存在影响驱出水体积.
3　结　语
煤储层孔隙由基质孔隙和割理孔隙组成.基质孔隙占有较高的比例,是煤层气吸附存在的场所;割理孔隙孔隙度较低,但为流体产出提供了运移通道.钻井排采过程储层压力降低,一方面使煤储层所受有效上覆压力增加,使割理孔隙度减小;另一方面使气体解吸,基质孔隙表面自由能增加,基质收缩导致基质孔隙和割理孔隙相应增大.
关于煤的割理孔隙度的测定,目前尚无绝对精确的方法,最常用并且可行的方法是气驱水测定法.煤的基质孔隙度仍无直接测定方法,只能由总孔隙度和割理孔隙度间接求取.
62　华　北　水　利　水　电　学　院　学　报 1999年3月
参　考　文　献
[1]地质矿产部华北石油地质局编.煤层气译文集[M].河南科技出版社,1990,20-60,70-111
[2]
吕志民.块煤的孔隙特征及其影响因子[J ].中国矿业大学学报,1991,2(3)
[3] B.W.G ash.The E ffect of Cleat Orientation and C on fining Pressure on Cleat P orosity ,Permeability and Relative Perme 2ability in coal[J ].IC MS ,1993
[4]
S.Harpalani ,U.M.Pariti.study of coal s orption RS Opherm using a multi -component gas mixture[J ].IC MS ,1993
Coal pore properties of matrix &cleat and their porosity measurement methods
G UAN Jun -fang 1,HOU Rui -yun 2
(1.Dept of G eotechnical Engineering ,N orth china Institute of Water C onservansy and Hydroeleetric P ower.,Zhenzhou 450045,China ;2.N orth China Bureau of Petroleum and G eology.,Zhenzhou 450006,China )
Abstract :The properties of matrix pore and cleat pore of coal reserv oir and method of determining their porosities are analysed and studied ,based on the studying of coal sam ple in tw o reconnaissance and experiment areas.Anyang and Li 2ulin in Henan province and Shanxi province.Matrix pore and cleat pore constitute dual -pore medium texture of coal reserv oir.Cleat porosity has the tendencies of decreasing with declining of con fining pressure and increasing with declining of pore pressure which induce gas des orption and matrix shrinkage.With respect to cleat porosity ,by analyzing capillary pressure and m oisture -penetrability of matrix pore at the conditions of lab and foreign scholar ’s measurement analysis about whether residuae water exists in cleat after gas displacing ,gas displacing saturated water in sam ple was thought to be the only feasible method for cleat porosity measurement.Matrix porosity can only be obtained by calculating the total porosity and cleat porosity.
K ey w ords :matrix pore ;cleat pore ;gas displacing water method
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参　考　文　献
[1]蒋颂涛,韩正海,李忠定.混凝土面板堆石坝设计与施工[M].北京:水利电力出版社,1991
[2]
C ooke J B Progress in R ock fill Dams ,The E ighteenth T erza 2ghi Lecture[J ].Journal of G eotechnical Engineering ,ASCE ,1984,110(10)
[3]
曹克明.塔斯马尼亚混凝土面板坝考察报告[R ].华东勘测设计院,1988
[4]
E T Seliy &R S Ladd.Evaluation of Relative Density Mea 2surements and Applications[J ],AST M STP523,1972:141-155.
[5]
史彦文.大粒径砂卵石最大密度的研究[J ].土木工程学报,1981,(2):53-58
Study on laboratory testing methods of determining maximun index density of rock fill materials
LI U Bin -yun ,HU Jun -jiang
(Dept.of Engineer Beijing Institute of Water P ower management ,Beijing 100044,China )
Abstract :On the basis of analysis on laboratory test data of X ibeikou rock fill materials ,tw o testing methods for obtaining maximun index density of rock fill prototype materials are discussed.By com paring with insitu test data ,a series of useful laboratory test condition parameters is als o provided.
K ey w ords :rock fill materials ;maximum index density ;test condition parameters
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2第20卷第1期 管俊芳等:　煤储层基质孔隙和割理孔隙的特征及孔隙度的测定方法 。