0 引言
目前关于孔隙结构测试方法有显微CT法、核磁共振法、压汞法、低温氮吸附法和扫描电镜法等。对此前人做过很多工作，苟启洋等[5]、李俊键等[6]、操应长等[7]、崔连训等[8]、李胜等[9]、李爱芬等[10]采用上述方法对砂岩储层进行相关测试分析，认为孔隙结构可由孔隙体积、孔径大小、孔隙形态及空间分布等多个参数共同表征，微观孔隙的精细分析和表征能为下一步煤层气勘探与开发提供更加符合客观实际的储层地质依据。高尚等[11]通过低温氮吸附、扫描电镜、核磁共振等方法对沁水盆地高阶煤样进行相关测试分析，研究表明：高阶煤热成因孔发育，煤中微孔和小孔体积所占比例较大，比表面积随之增加而增大，使得高阶煤微孔和小孔对比表面积的贡献占绝对优势，这种孔隙体系有利于煤层气的吸附聚集，却不利于煤层气解吸扩散。上述研究为我们理解和分析高阶煤的孔隙结构特征提供了方法和理论基础，对于今后的高阶煤煤层气勘探开发具有重要的指导意义。
因此，笔者以沁水盆地赵庄井田3#煤层为研究对象，针对3#煤层有气难出的问题，通过对地质条件进行分析，认为3#煤层的地质条件是制约煤层气开发效果的主要因素。于是，笔者对3#煤层的煤岩样品进行高压压汞和解吸实验等测试分析，基于实验数据，研究3#煤层的孔隙结构及分形特征，并探讨了孔隙结构对煤层气解吸产出的影响，为研究区后期煤层气开发部署提供理论依据。
1 研究区3#煤层基本概况
赵庄井田处于沁水复式向斜东南翼，晋获褶断带南部，沁水盆地南缘东西—北东向断裂带的北东部，井田中的构造形态与这些周围构造密切相关。井田内主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，其中2#、3#、8-1#、14#、15#、16#煤层为井田内可采煤层，该区目前进行煤层气开发的煤层为3#煤层(图1)。3#煤层镜质组最大反射率在2.45%~3.04%之间，确定煤变质程度为贫煤—无烟煤三号。3#煤层为黑色、条痕为黑色，参差状—贝壳状断口，玻璃—金刚光泽，内生裂隙较发育。3#煤层有机组分以镜质组为主，其次为惰质组,壳质组未见，有机组分中镜质组含量变化在73.6%~92.8%之间，惰质组含量为6.9%~27.7%。无机组分以黏土类为主，黏土矿物含量在1.7%~21.8%之间，多为分散状和浸染状黏土，部分充填状，少见脉状方解石。
3#煤层厚度为0~6.35 m，平均为4.69 m，煤层厚度整体由东向西逐渐增大。3#煤层空气干燥基气含量平均为10~16 m3/t，埋深介于300~1 000 m之间，埋深整体由东向西逐渐增大，因此，气含量整体呈现由东向西逐渐增加的趋势。3#煤层空气干燥基Langmuir体积平均为32.18 cm3/g，干燥无灰基Langmuir体积平均为37.91 cm3/g，Langmuir压力平均为1.65 MPa，煤层吸附性能较好。3#煤层渗透率为（0.88~2.31）×10-3 μm2，储层压力为3.53~6.25 MPa，压力梯度为0.46~0.86 MPa/100m，煤层压力梯度低于静水压力梯度；煤层闭合压力为8.43~10.89 MPa，闭合压力梯度为1.12~1.53 MPa/100m，地应力属于正常应力区；煤层临界解吸压力为0.48~1.63 MPa，含气饱和度为21.83%~72.89%，变化范围较大。
2 高阶煤的孔隙结构特征
2.1 高阶煤的高压压汞实验
2.1.1 实验方法与设备
为了获取煤储层微观孔隙结构参数，进一步对3#煤样进行压汞实验，通过进汞饱和度与进汞压力间所形成的毛管压力曲线几何形态特征，获取储层孔隙结构类型、孔喉半径及其分布等储层特征。因此，对赵庄井田采集的3#煤样钻取4组煤心，钻取的煤心柱平行于岩性稳定段(尽量消除岩性非均质性的影响)。煤心柱子长约为45 mm、直径约为25 mm，通过对4组煤心的孔隙度和渗透率参数进行测试显示：孔隙度范围在8.74%~10.2%之间，平均值为9.56%；渗透率范围在（0.32~3.16）×10-3 μm2之间（表1）。孔渗参数测试结束以后对岩心烘干12 h，并将岩心放入岩心室，开真空泵抽空15~20 min，之后采用美国麦克仪器公司的AutoPore IV 9500型压汞仪（实验可测孔径范围为0.003~1 100 μm，最大进汞压力约为227.5 MPa）对4块煤心进行压汞退汞实验。按照设定压力逐级进汞退汞，稳定后记录压力与进汞退汞体积直至实验设定压力，试验后计算含汞饱和度，绘制毛管曲线。
表1 煤心孔隙度和渗透率测试数据Table 1 Data table of porosity and permeability test of coal seam |
| 煤心编号 | 煤心长度/cm | 煤心直径/cm | 密度/（g/cm3） | 孔隙体积/cm3 | 孔隙度/% | 水平渗透率/(10-3 μm2) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| No.1 | 2.280 | 2.610 | 1.014 | 1.158 | 9.50 | 0.83 |
| No.2 | 2.338 | 2.616 | 1.032 | 1.276 | 10.21 | 3.16 |
| No.3 | 2.280 | 2.610 | 0.965 | 1.068 | 8.74 | 1.35 |
| No.4 | 2.348 | 2.632 | 1.076 | 1.230 | 9.79 | 0.32 |
2.1.2 实验数据与结果
4块煤心孔渗测试结果表明，高阶碎裂煤的孔隙度和渗透率较原生结构的高阶煤明显偏大，原因是大量的微裂隙存在，改善了煤层的孔渗结构，但也加剧了煤层孔缝结构的复杂性。同时压汞测试结果显示（图2），4个煤样的进退汞曲线形态基本相同，高阶煤的进汞和退汞曲线差值较大，在整个压力阶段都具有明显的压汞滞后环，表明高阶煤的孔隙结构较复杂。通过压汞曲线可得到煤样的详细孔隙参数：①在孔喉半径参数中，最大孔喉半径（R max）值为2.02 μm，范围为1.46~2.21 μm；中值孔喉半径（R 50%）为0.008 9 μm，范围为0.008 2~0.009 2 μm。②在孔喉连通性参数中，排驱压力（P cd）平均值为0.38 MPa，范围为0.33~0.50 MPa；中值压力（P Hg50%）平均值为83.07 MPa，范围为79.07~89.77 MPa；最大进汞饱和度（S Hg-max）平均值为86.35%，范围为85.00%~88.11%；退汞效率（We）平均值为56.46%，范围为53.21%~59.87%。③在孔喉分布特征参数中，分选系数(CS)平均值为1.77，范围为1.56~1.87；均值系数（CC）平均值为15.12，范围为14.93~15.40；歪度系数（SK）平均值为-0.38，范围为-0.37~-0.40。通过对压汞参数进行分析，4个样品的压汞参数较为相近，样品分选系数整体较大，平均为1.77，说明研究区煤样孔隙结构整体较差；样品的平均歪度系数为-0.38，说明样品的孔隙结构较为复杂；样品排驱压力只有3号样品略高，为0.503 1 MPa，样品最大孔喉半径为2.21 μm，且相对变化不大；样品的毛管压力曲线均处于细歪度，说明该样品孔隙半径整体较小。
2.2 高阶煤的孔隙类型与分布特征
基于压汞实验数据对孔喉半径类型和分布特征作进一步的分析，目前关于煤孔隙的孔径结构分类方案很多，但是霍多特孔隙结构分类方法在国内应用最为广泛，依据霍多特十进制孔隙结构划分方案（表2，图3），结合样品孔隙结构的具体情况，取孔隙半径r界限点为1 μm、0.1 μm和0.01 μm，将煤中孔隙主要划分为4类：①微孔，孔径<0.01 μm，构成煤中气体吸附容积；②细孔，孔径在0.01~0.1 μm之间，构成气体扩散空间；③中孔，孔径在0.1~1.0 μm之间，构成气体缓慢层流渗透的区域；④大孔，孔径>1.0 μm，构成强烈的气体层流渗透区域。因此，微孔和细孔是气体吸附、扩散的主要场所，中孔和大孔是气体渗流、产出的主要场所。从图4可以看出，4块样品的孔隙半径数据非常接近，具有一致的分布规律，即微孔所占比例最大，范围为52.43%~57.19%，平均值达到53.88%；细孔所占比例次之，范围为37.16%~39.78%，平均值达到38.23%；中孔和大孔所占比例非常少，平均值分别为6.62%和1.27%，主要原因是高压压汞作用下，大部分微裂隙被压实所致，反映的孔隙主要为煤基质中的中孔和大孔比例。测试结果表明：高阶煤的孔喉结构主要以气体吸附孔和气体扩散孔为主，气体渗流孔占比很小，宏观上表现为煤层的吸附气体体积大、吸附性能强、气体的扩散、渗流条件差[11,12,13]。
表2 煤岩的孔喉半径分布数据Table 2 Data table of pore radius distribution of coal seam |
| 煤样 | 孔喉半径比例/% | |||
|---|---|---|---|---|
| r>1.0 | 0.1<r≤1.0 | 0.01<r≤0.1 | r≤0.01 | |
| No.1 | 1.28 | 4.37 | 37.16 | 57.19 |
| No.2 | 1.41 | 7.22 | 38.33 | 53.04 |
| No.3 | 0.74 | 8.74 | 37.67 | 52.85 |
| No.4 | 1.65 | 6.14 | 39.78 | 52.43 |
|
2.3 高阶煤的孔隙结构分形特征
国内外研究表明，煤是一种分形多孔介质，其孔隙结构具有分形特征，因此，根据毛细管压力和非润湿相饱和度的关系，以毛细管压力曲线为基础，结合分形理论，建立了表征孔隙结构的分形维数数学模型，并探讨分形维数与孔隙结构的关系。
Lg（S Hg）=（D－2）Lg P+C
式中：S Hg为汞饱和度，%；P为毛管压力，MPa；D为分形维数；C为常数；
由式(1)可知，分形维数可以根据非润湿相饱和度 S Hg 与毛管压力P的双对数关系来确定，当Lg(S Hg) 与LgP存在线性关系时，孔隙结构就可能存在分形特征，直线的斜率K=D－2，由此可求得分形维数 D=K+2，根据压汞实验，分形维数的数据拟合曲线如图 4 所示，其拟合方程与分形维数见表3。可以得到：① 双对数坐标系下，No.1、No.2、No.3、No.4共4块煤心孔隙结构分形特征曲线呈“两段型”，双对数曲线整体拟合非常好，拟合度R 2值在0.96以上。② 4块煤心具有一致规律特性，孔径940.7 nm为“两段型”分形曲线的分界点，当孔径大于940.7 nm时，低压段分形维数D 1值介于4.26~4.59之间，分形维数较高；当孔径小于940.7 nm时，中高压段分形维数D 2值介于2.67~2.76之间。按照经典的分形理论，分形维数都小于3，因此中高压段具有很好的分形特征，低压段不具有分形特征，这主要是因为高阶煤的微裂隙发育，在高压压汞的作用下，高阶煤的双重孔隙介质具有较大的可压缩性所致。③ 4块煤心的中高压段较长、分形维数差异较小，低压段较短、分形维数较高，说明煤岩的微孔和细孔较发育、孔喉的分布范围较广；大孔不发育、孔喉分布范围较窄且结构较复杂。④ 分形维数与煤岩的孔隙度具有很好的相关性，且分形维数随孔隙度增加而减小；分形维数与煤岩的渗透率没有明显的相关性，可能是由于高阶煤的裂缝发育，孔缝结构复杂，裂缝中矿物充填堵塞影响造成（图5）。
表3 煤岩的孔隙结构分形拟合数据表Table 3 Fractal fitting data table of pore structure of coal seam |
| 煤样 | 孔隙度/% | 渗透率/（10-3 μm2） | 孔径范围/nm | 拟合方程 | 分形维数(D) | 拟合度(R 2) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| No.1 | 9.50 | 0.83 | >940.7 | y=2.593 6x+0.701 4 | D1：4.59 | 0.971 |
| 3.6~940.7 | y=0.711 2x+0.252 6 | D2：2.71 | 0.983 | |||
| No.2 | 10.21 | 3.16 | >940.7 | y=2.351 7x+0.683 8 | D1：4.35 | 0.982 |
| 3.6~940.7 | y=0.678 1x+0.389 6 | D2：2.67 | 0.998 | |||
| No.3 | 8.74 | 1.35 | >940.7 | y=2.266 1x+0.314 4 | D1：4.26 | 0.972 |
| 3.6~940.7 | y=0.766 7x+0.260 8 | D2：2.76 | 0.982 | |||
| No.4 | 9.79 | 0.32 | >940.7 | y=2.528 4x+0.800 6 | D1：4.52 | 0.968 |
| 3.6~940.7 | y=0.685 2x+0.376 7 | D2：2.68 | 0.996 |
3 高阶煤微观孔隙结构对煤层气解吸的影响
3.1 高阶煤的煤层气解吸特征
煤层气解吸速率及其解吸量能够反映出煤岩气体解吸的难易程度，依据高阶煤4类孔隙分布特征和排水采气生产特征，结合煤层气解吸速率及其解吸量数据对煤层气的解吸特征进行研究。通过采用密闭取心对沁水盆地赵庄井田3#煤层进行解吸测试，实验按照GB/T19559—2008 煤层气含量测定方法进行，测试结果表明：高阶煤解吸曲线及解吸率具有明显的阶段差异（图6,图7）。依据煤层气的解吸速率不同将解吸曲线划分为快速解吸和慢速解吸2个阶段，开始阶段解吸速度非常快，解吸速率>2 cm3/(kg/min)，解吸时间非常短，持续时间约8 h，解吸量占整个煤样含气量的比例为11%~13%，快速解吸主要由开启的裂隙、大孔和部分中孔中的气体解吸和游离气为主，由于大孔和中孔的孔隙占比低，致使煤层的快速解吸量占比低；随着时间的推进，当解吸时间大于8 h以后，解吸速率减慢，进入慢速解吸阶段，解吸速率<2 cm3/(kg/min)，解吸量高，占整个煤样解吸量的比例为87%~89%，慢速解吸主要由细孔和微孔控制，此时主要以部分中孔和细孔、微孔中的气体解吸、扩散为主，由于细孔和微孔的孔隙占比大，致使煤层的慢速解吸量占比高，气体以特别低的速度进行解吸、扩散，而且解吸、扩散时间非常漫长，持续时间约7~10 d、甚至更长，表明CH4在煤层基质孔隙中解吸、扩散、运移速度非常缓慢，煤层气产出非常困难。当煤心取出地面后，由于煤心应力释放、体积快速膨胀，致使煤心的孔隙度和渗透率增加，解吸速度相应加快，解吸量比地层条件下相应增多，煤层气解吸率相应偏高，之后随着孔隙度和渗透率增加等因素影响的减弱，对解吸量和解吸率的影响较小，使得进入慢速解吸阶段后的解吸量和解吸率与地层条件较为接近，因此，慢速解吸阶段中的大部分气体在地层条件下是难以被开采出来，增大了煤层气的开发难度[14,15,16,17]。
3.2 孔隙结构特征对煤层气解吸的影响
通过上述对高阶煤的孔隙结构和解吸特征进行分析，煤岩的孔隙结构对煤层气的解吸产出具有重要的影响，这类煤样具有较小的孔隙半径和复杂的孔隙结构，煤层的孔隙半径及分布特征控制着煤层的储气能力、解吸速率和解吸难度。高阶煤的孔隙类型主要以气体吸附孔和气体扩散孔为主，气体渗流孔占比很少，致使煤层对甲烷的吸附量高、吸附能力强；在解吸速率曲线上表现为煤层解吸速率慢、煤层气解吸困难。实际排水采气实践中表现出与室内相同规律的生产特征，随着排水降压的进行，煤储层压力缓慢降低，当煤层的储层压力低于临界解吸压力以后，煤层气开始解吸，此时主要以裂隙、大孔和部分中孔的气体解吸和游离气为主，解吸速度非常快，由于大孔和中孔的占比低、表现为煤层气井开始产气阶段时产气量增长较快，产气量在短时间内达到产气高峰，但高峰产气量仍然偏低；随着排水时间的延长，裂隙、大孔和中孔中气体即将解吸完毕，开始进入慢速解吸阶段，此时由于排水造成煤储层压力继续降低，容易造成煤层裂缝闭合，渗透率急剧降低，进而影响煤基质孔隙内气体的解吸、扩散，表现为煤层气井产气量开始出现小幅下降，而且持续时间较短；最后进入慢速解吸阶段，此时主要以部分中孔和细孔中的气体解吸、扩散产出为主，微孔中的气体在地层条件下难以解吸、扩散产出，气体以特别低的速度进行解吸、扩散，而且时间非常慢长，此时煤层气井以相对较低的产气量生产、且生产时间非常漫长，煤层气采收率低、开发难度大[18,19,20]。
4 结论
（1）3#煤层的最大孔喉半径（R max）为2.02 μm，中值孔喉半径（R 50%）为0.008 9 μm，煤层孔隙半径较小，煤层孔隙结构复杂；孔隙中气体吸附孔和气体游离孔所占比例分别为53.88%和38.23%；气体扩散孔和渗流孔所占比例分别为6.62%和1.27%，煤层主要以气体吸附孔和气体扩散孔为主，气体渗流孔占比很小，煤层的吸附气体体积大、吸附性能强、气体的扩散、渗流条件差。
（2）3#煤层孔隙结构分形特征曲线呈“两段型”，孔径大于940.7 nm时，低压段分形维数D 1值介于4.26~4.59之间，不具有分形特征；孔径小于940.7 nm时，中高压段分形维数D 2值介于2.67~2.76之间，具有很好的分形特征。分形维数与煤岩的孔隙度具有很好的相关性，与煤岩的渗透率没有明显的相关性。
（3）依据煤层气的解吸速率不同将3#煤层煤岩解吸曲线划分为快速解吸和慢速解吸2个阶段，快速解吸时间短，解吸率占比低，快速解吸主要由大孔和中孔控制；慢速解吸时间长，解吸率占比高，慢速解吸主要由细孔和微孔控制。煤岩的孔隙结构对煤层气的产出具有重要的影响，高阶煤较小的孔隙半径决定了煤层的解吸速率慢和解吸难度大，煤层气井排水采气实践中表现为开始阶段产气量增长快，产气高峰稳产时间短，产气量偏低、且生产时间非常漫长，煤层气产出困难，开发难度大。
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