煤层孔隙与裂隙特征研究进展

煤层孔隙与裂隙发育特征是非常规油气沉积学的重要研究内容,其研究对深入认识煤层流体赋存与传质过程微观机理、优化地质适配性开发工艺具有重要意义。煤层孔隙、裂隙成因类型复杂、尺度分布范围广、非均质性强,其发育特征是煤化作用、变质作用类型、构造演化作用、煤岩物质组成、地下流体等多因素共同作用的结果。煤化作用是其内因,构造应力作用是其主要外因,内外因作用下形成了不同煤阶、不同含煤盆地、不同构造部位煤层孔隙、裂隙发育的现今特征,而成煤物质、沉积环境、盆地埋藏史、热史等具有重要的控制作用。煤层孔隙、裂隙的研究与煤层气高效开发紧密关联,未来研究中将煤层孔隙—裂隙作为具有整体性的解吸—扩散—渗流网络加以认识更具意义,而煤层孔隙—裂隙连通网络控制的渗透率来源和有效性、纳米尺度孔隙—裂隙发育特征与结构关系、孔隙—裂隙与煤层流体之间的界面性质、多尺度孔隙—裂隙结构表征等需要进一步探讨。数字岩石物理表征技术的发展和应用为该领域的研究提供了新方法和新思路。

淮南煤田山西组泥页岩微量元素地球化学特征及其意义

泥页岩中微量元素特征对反演泥页岩形成时的沉积和古地理气候条件具有重要意义。采集淮南煤田山西组泥页岩样品,利用ICP-MS对泥页岩中微量元素进行了测试分析,探讨了研究区山西组泥页岩中微量元素的地球化学特征及其意义。结果表明,B、Cr、U、Ga、Li、Sn、Pb、Mo、Th、W等元素富集,Cd、Co、Cu、Ti、Zn、Sc、Ba、Mn、Ni、Sr等元素亏损;揭示淮南煤田山西组形成于温暖湿润和半咸水–高咸水的沉积环境中,沉积体系为开放型,体系内为弱氧化–还原环境,其中以弱还原–还原环境为主,且表现出从早期弱氧化到中后期的还原环境的演化特征;依据U/Th、Ni/Co、Sr/Cu、B/Ga、Sr/Ba、TOC等地球化学参数结果推测,盐度和氧化还原条件受到多种因素的影响,有机质的原始堆积量是影响山西组泥页岩中有机质含量的主要因素,而盐度和氧化还原条件影响有机质中各显微组分含量。研究区温暖湿润的气候和较为还原的环境为有机质的堆积和保存提供了有利条件,为页岩气的成藏提供了物质基础。

淮南煤田二叠系沉积相特征及其与烃源岩的关系

在对淮南地区二叠系岩性、矿物和生物化石进行观测研究以及相关地球化学参数测试的基础上,对淮南地区这一时期的沉积相演化特征及其与烃源岩之间关系进行分析。结果表明:淮南地区早、中二叠世时期海水震荡性后退,总体以水下沉积为主,大致可划分为2种沉积亚相:山西组的三角洲沉积和下石盒子组的水下分流河道沉积,又可以进一步细分为前三角洲、泥炭沼泽、分流河道、决口扇、河漫滩等微相,泥页岩在前三角洲和河漫滩相最发育。岩性和显微组分的组成受沉积微环境变化的控制作用明显,"(腐泥组+壳质组)/∑显微组分"以大于等于70%为主,利于生气;有机碳含量则受沉积亚相和沉积微环境的共同控制,山西组泥页岩中有机碳平均质量分数约2.78%,明显高于下石盒子组泥页岩中的1.11%。综合考虑泥页岩累计厚度、有机碳含量及有机质的显微组成等因素认为,研究区山西组和下石盒子组都可作为页岩气的有利勘探层位,尤以"潘集镇–潘集区–泥河镇–平圩镇"这一带最为有利。

淮南煤田泥页岩地球化学特征分析及生烃潜力评价

为了对淮南地区煤系烃源岩特征作出评价,在采集相关样品的基础上对淮南煤田下石盒子组泥页岩样品的矿物特征和有机质的含量、显微组成以及成熟度进行了测试。结果表明:下石盒子组泥页岩中石英含量在35%左右;黏土矿物含量均值为56.28%。有机碳平均含量1.21%;干酪根以Ⅲ型和近于Ⅲ的Ⅱ2型为主,利于生气;样品的镜质组反射率均大于0.7%;生烃峰温基本高于445℃,有机质已进入成熟阶段。此外,多层煤层或煤线也为生烃提供了物质基础。综合评价认为,下石盒子组的烃源岩具有良好的生烃潜力,但较高的黏土矿物含量可能对后期的开采带来不利影响。

不同粒度构造煤的视电阻率特征

应力释放煤层气开发理论技术是构造煤煤层气开发的新技术方向,构造煤视电阻率的研究可以为应力释放煤层气开发提供构造煤识别的技术支撑。开展了单轴加载条件下,不同粒度构造煤的视电阻率与应力-应变监测试验,探讨了应力-应变过程中构造煤视电阻率变化规律与响应机制。结果表明,轴向载荷大于单轴抗压强度后,随载荷增大构造煤视电阻率呈负指数降低,至轴向载荷≥10 MPa时,视电阻率对载荷的敏感性降低;随粒度减小,构造煤视电阻率呈降低趋势,相同载荷下,粒度越小构造煤视电阻率对载荷的响应越敏感。受煤颗粒堆积方式和胶结类型影响,5~200目(4.000~0.075 mm)的构造煤具特殊性,其视电阻率整体较小、对载荷相对敏感。构造煤视电阻率随载荷的变化过程可划分为4个阶段。压密阶段,构造煤的视电阻率降幅取决于煤颗粒堆积方式和胶结类型;弹性阶段,粒度决定了构造煤视电阻率降幅,粒度越大,构造煤原有大孔和微裂隙保留越好,可压缩性越强,视电阻率降幅越高;扩容阶段,径向变形和微破裂导致构造煤视电阻率上升,构造煤力学强度则决定了视电阻率变化特征,随粒度减小,构造煤胶结强度和单轴抗压强度增大,视电阻率增幅降低;持续弹性阶段,破碎、压实作用使构造煤粒度分布更均匀、堆积更紧密,增强了电子导电性能,视电阻率降低。

淮南煤田山西组页岩气富集条件与有利区分析

根据淮南煤田二叠系山西组的泥岩沉积分布特征,结合钻孔资料以及实验数据,总结了山西组页岩气富集的条件。运用GIS手段和多层次模糊综合评判的方法,对山西组页岩气有利勘探区进行分析。研究结果表明:山西组泥岩较厚,有机质丰度较高,有机质类型以Ⅱ2型为主,孔隙较为发育;与一般的海相以石英为主的泥岩相比,山西组石英含量较少,长石类矿物含量较少,对于页岩气开采压裂较为不利;页岩气有利勘探区可以分为四个类型,其中在东南区域、古店乡–顾桥镇–桂集镇–岳张集镇一带及杨楼乡一带综合评价值较高,均在0.56以上,为优等开发有利区。

淮南煤田石炭-二叠系泥页岩层系分布与沉积环境分析

基于钻孔岩心观察、室内试验测试以及结合前人研究成果,探讨了淮南煤田石炭-二叠系泥页岩层系分布特点及其沉积环境演化。结果表明:太原组、山西组和下石盒子组、上石盒子组均发育了不同厚度的泥页岩层系,泥岩岩石类型包括粉砂质泥岩、暗色泥岩和高岭石泥岩。太原组发育浅海相的碳酸盐岩和碎屑组成的含煤沉积,部分沼泽、湖泊相发育了泥岩;山西组为海退系列的水下三角洲平原沉积,下部厚约10m的暗色泥岩段有机质含量相对较高,为研究区内主要赋页岩气层段,上部为分流河道沉积,泥岩发育不稳定;下石盒子组与上石盒子组河流作用增强,沉积环境更靠近陆地一侧,不利于有机质的聚集,沉积泥岩有机质含量相对较低。山西组和下石盒子组为本区富有机质泥岩的富集层段,更具生气潜力。

基于X-ray CT与FIB-SEM的无烟煤孔裂隙发育特征

以沁水盆地南部无烟煤为研究对象,基于X-ray CT和FIB-SEM扫描成像试验,构建了无烟煤孔裂隙网络结构模型并提取了关键特征参数,进而对无烟煤孔裂隙发育特征与连通关系开展了定量研究。结果表明:沁水盆地南部无烟煤以孔径小于50 nm的中孔为主,大孔数量较低,显微裂隙和割理对孔隙体积具有较高的贡献;孔隙截面以不规则形状为主,毛管阻力较大;孔隙具有较好的连通性,连通路径较丰富,有利于气体运移和产出;随孔裂隙发育尺度的减小,孔裂隙连通性和渗透率随之降低;对连通性起主要作用的是中孔、显微裂隙和割理;显微裂隙和割理提高了无烟煤微米尺度、毫米尺度孔裂隙的连通性和渗透性,无烟煤纳米尺度以中孔连通为主,限制了无烟煤整体连通性。

基于非理想气体流动模拟的无烟煤纳米孔隙中CH4流动规律

基于沁水盆地南部无烟煤纳米尺度渗流网络模型,开展了考虑滑流、扩散、气体解吸/吸附和达西流动的CH4运移渗流物理仿真模拟,探讨了无烟煤纳米孔隙视渗透率和CH4的微观流动形态.研究发现,渗流物理仿真模型量化了滑流、扩散以及气体性质对视渗透率的作用,受CH4滑流和扩散的影响,无烟煤纳米孔隙的视渗透率大于达西渗透率.无烟煤纳米孔隙视渗透率与切向动量协调系数(β)、气体压力和孔径具有显著的负指数关系;Knudsen数(Kn)随气体压力降低和孔径减小,以非线性趋势增加,受其影响视渗透率表现为非线性气体压力关系;滑移系数则随β和气体压力的降低而升高.当β<0.1、气体压力小于等于8 MPa时,孔径为2~50 nm的中孔和孔径为50~100 nm的大孔中的滑流和扩散作用迅速增大,对CH4产出和煤层气开发效率至关重要.

基于GIS的复杂地质条件煤层基本顶稳定性综合评价

在对芦岭煤矿矿井资料收集整理的基础上，结合8煤层顶板岩性、厚度以及分布特征和构造发育情况，运用GIS的多层次模糊综合评判法，对芦岭矿8煤层基本顶稳定性进行综合评价。评价结果表明，8煤层基本顶稳定性可以划分为4类：顶板来压强烈区、顶板来压较强烈区、顶板来压明显区和顶板来压不明显区。该评价结果与实际生产揭露基本相符，对8煤层未开采区支护选型、开采方式的决策具有指导性的作用。