中低煤阶煤层气储层孔隙结构分段分形特征

中低煤阶煤层气储层孔隙结构分段分形特征

王镜惠

【摘要】为明确韩城、保德区块煤岩孔隙结构分形特征,基于火柴棍模型,推导了新的分形特征表征方法,并利用扫描电镜实验和压汞实验数据对新方法进行验证,在此

基础上研究了中、低煤岩孔隙结构分形特征.结果表明,火柴棍模型更能精确表征中、低煤阶煤岩的双重孔隙结构特征.在双对数坐标中,进汞饱和度与毛管压力成双线性

关系,即以半径1μm为界,中低阶煤岩孔隙结构具有分段分形特征,孔隙和裂缝具有

不同的分形区间和分形维数.韩城、保德区块裂缝分形维数和孔隙分形维数分别在2.80～2.98和2.17～2.33,且裂缝分形维数随孔隙分形维数增加而增加,两类分形维数均随平均孔隙半径、孔隙度和渗透率的增加依次降低.表明煤岩分形维数可以作

为储层评价的关键指标,分形维数越小,储层物性越好.煤岩分形维数能够表征其孔隙结构的非均质性,分形维数越大,孔隙结构非均质性越强.韩城、保德区块割理、裂缝的分形维数远远大于孔隙分形维数.

【期刊名称】《石油化工高等学校学报》

【年(卷),期】2019(032)004

【总页数】7页(P26-32)

【关键词】中低煤阶;孔隙结构;分段分形;特征;煤层气开发

【作者】王镜惠

【作者单位】榆林学院化学与化工学院,陕西榆林 719000

【正文语种】中文

【中图分类】TE371

鄂东缘是我国中、低阶煤层气商业化开发的主要地区，位于晋西挠折带北段，主力煤层为山西组4+5号煤和太原组8+9号煤[1]。煤储层孔隙度较低，一般为

2.6%~9.4%，平均为5.22%，且以小孔微孔为主。渗透率分布在0.01~4.90 mD，为低渗、特低渗储层。主要以宽度<5 μm、长度<1 mm的裂缝为主，裂缝与基质孔隙交叉分布，为典型的双重孔隙储层。因此，研究区域煤岩孔隙结构复杂，难以定量评价孔隙结构及其对煤层气开发的影响。

分形理论为储层和孔隙结构定量评价提供了有效手段[2⁃3]，目前许多学者对高煤

阶煤岩孔隙结构的分形特征进行了研究，徐龙君等[4]研究了煤微孔表面的分形维数，王文峰等[5]应用分形理论研究煤孔隙结构，傅雪海等[6]研究了煤储层孔、裂

隙系统分形特征，均认为煤层气储层具有分形特征。部分学者通过分形维数定量评价了煤层气储层孔隙的分形特征，C.Peng等[7]研究了高阶煤煤层气储层孔隙结构分形特征定量评价，陆小霞等[8]研究了深煤层孔隙结构分形特征的定量评价，均

认为分形维数可以定量评价储层孔隙结构。部分学者认为煤层气储层具有分段分形特征，贾慧敏[9]、徐欣等[10]，J.F.Zhu等[11],研究了高煤阶煤岩孔隙结构的多段分形特征，认为按照孔隙大小不同煤层气储层具有分段分形特征，但这些研究仅仅考虑了孔隙而忽略了裂缝的存在。袁哲等[12]认为煤层气储层不同于常规储层，提出了新的煤岩毛管压力模型，但仍未能基于双重孔隙结构模型提出新的分形特征理论。整体来看，目前对于中、低阶煤岩孔隙结构分形特征及其表征方法的研究较少，Y.Chen等[13]通过NMR T2图谱研究了Ro,max在0.66%~3.28%的11块煤岩

样品，认为吸附孔和渗流孔具有不同的分形特征，煤岩具有分段分形特征。

W.J.Sun等[14]研究了不同埋深条件下煤岩颗粒的分形特征，认为埋深越深，煤岩分形维数越大。姚铭檑等[15]基于低温氮气吸附实验数据对淮南和淮北煤田

（Ro,max为0.59%~1.08%）煤储层孔隙结构分形特征进行了研究，认为煤岩具有两段分形特征。王小垚等[16]研究了低阶煤分形模型的适用性。

基于煤层气储层孔隙、裂缝双重孔隙特征，以火柴棍模型为基础，推导了新的煤岩孔隙结构分形特征表征模型，并研究了中、低煤阶煤岩的分段分形特征，以期为中、低阶煤岩孔隙结构研究提供借鉴。

1 煤岩孔隙结构模型

1.1 等径毛管束模型

目前常用的孔隙结构分形特征的表征方法均源自等径毛管束模型，如图1（a）所示。该模型将单个孔隙简化为同等直径的毛细管，这样将多孔介质简化为一束等径毛管束，该模型的毛管压力计算公式为[17]：

式中，r为多孔介质孔隙半径，nm；Pc为毛管压力，MPa；σ为界面张力，

mN/m；θ为润湿角，（°）。该模型对于常规砂岩储层适应性较强，而煤层气储

层普遍发育端割理和面割理，该模型适应性较差，基于此，J.P.Seidle等[18]提出

了火柴棍模型[19]，如图 1（b）所示。

图1 典型孔隙结构模型Fig.1 Typical pore structure models for CBM formation

1.2 火柴棍模型

如图1（b）所示，火柴棍模型将煤岩中的端割理、面割理抽象化为连续、均匀且

相互垂直的裂缝组，裂缝组将煤岩切割成基质块，基质由煤岩骨架和孔隙组成。该模型考虑了煤岩孔隙⁃裂缝发育的双重孔隙特征，如煤岩样品扫描电镜结果（见图2）所示，研究区域煤岩割理、裂隙平行分布，割理裂隙中间基质部分发育铸模孔和气孔等微孔，这表明火柴棍模型更接近煤层气储层实际情况。以此为基础更能精确的表征煤岩孔隙结构。

该模型裂缝的毛管压力模型表达式为[12]：

式中，a为两个平行层面之间距离，nm；Pc为毛管压力，MPa；σ为界面张力，mN/m；θ为润湿角，（°）。

2 分形特征表征方法

根据分形理论定义，多孔介质的孔隙数目和孔隙半径满足以下关系式：

式中，N(r)为多孔介质孔隙数量，个；r为毛细管半径，nm；Df为分形维度，无量纲。根据火柴棍模型，选取单个裂缝进行研究，如图1（b）所示，裂缝宽度为a，裂缝高度为b，长度为l，则式（3）变为：

式中，a为裂缝宽度，nm。

根据火柴棍模型，设裂缝高度b为裂缝宽度a的d倍，则单个裂缝体积为da2l，d为常数。根据煤岩高压压汞实验，多孔介质孔隙数量N(r)：

式中，VHg为累积进汞体积，nm3。将式（4）和（5）联立得到：

图2 煤岩孔裂隙扫描电镜Fig.2 Scanning electron microscopy of pores and fractures for CBM formation

设Vp为煤岩样品表观体积，nm3，将式（2）和（6）联立得到：

式中，SHg为汞饱和度，%；C为常数，Pc为毛管压力，MPa；Df为分形维度，无量纲。将式（7）两边取对数可得：