准噶尔盆地南缘低煤阶煤储层可动流体及孔径分布特征_郑司建.pdf

第 46 卷 第 1 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.1 2018 年 2 月COALGEOLOGY 新疆维吾尔自治区重点研发计划项目2017B03019-1; 国家科技重大专项课题 2016ZX05043-001 Foundation itemNational Natural Science Foundation of China 41472137; Key Research and Development Projects of The Xinjiang Uygur Autonomous Region 2017B03019-01; National Science and Technology Major Projects 2016ZX05043-001 第一作者简介 郑司建，1992 年生，男，安徽宿州人，从事煤层气地质方面的研究工作. E-mail18811763522 通信作者姚艳斌，1978 年生，男，河北涉县人，教授，从事非常规油气地质与开发的研究工作. E-mailyyb 引用格式 郑司建， 姚艳斌， 蔡益栋， 等. 准噶尔盆地南缘低煤阶煤储层可动流体及孔径分布特征[J]. 煤田地质与勘探， 2018， 461 56–60. ZHENG Sijian， YAO Yanbin， CAI Yidong， et al. Characteristics of movable fluid and pore size distribution of low rank coals reservoir in southern margin of Junggar basin[J]. Coal Geology 3. 非常规天然 气地质评价及开发工程北京市重点实验室，北京 100083 摘要 为分析准噶尔盆地南缘简称准南低煤阶煤储层可动流体、束缚流体以及孔径分布特征，对 准南 6 个矿区 6 个煤样进行了高速离心和低场核磁共振实验。实验结果表明准南低煤阶煤以吸 附孔发育最优，其次为渗流孔和裂隙。建立束缚水状态的最佳离心力为 1.380 MPa；结合饱和水状 态和束缚水状态的核磁共振 T2谱，得到可动流体孔隙度为 0.451.89，平均 1.29；束缚流体 孔隙度为 1.037.45， 平均 4.18， 可动流体孔隙度与渗透率呈幂指数关系R20.935 8。 根据“离 心–T2C法”得到准南低阶煤孔隙半径主要分布在 0.011 μm，平均孔隙半径为 1.771 μm。 关键词低阶煤；煤层气；可动流体；孔隙半径；低场核磁共振 中图分类号TD845文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2018.01.010 Characteristics of movable fluid and pore size distribution of low rank coals reservoir in southern margin of Junggar basin ZHENG Sijian1,2,YAOYanbin1,2,CAIYidong1,2,LIUYong1,2 1. China University of GeosciencesBeijing, Beijing 100083, China; 2. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 3. Beijing Key Laboratory of Unconventional Natural Gas Geology uation and Development Engineering, Beijing 100083, China Abstract To analyze the movable fluid, bound fluid and pore size distribution of low rank coal reservoir in southern margin of Junggar basin, the paper pered the high-speed centrifuge and low-field nuclear magnetic resonance experiment on six coal samples from six coalfields in southern margin of Junggar basin. The experimental results showed that low rank coal mainly developed adsorption pores, followed by seepage pore and fracture. The optimum centrifugal pressure for establishing irreducible water state is 1.380 MPa. The paper integrated the T2spectra of both saturated water state and irreducible water state to calculate movable fluid porosity and residual water porosity. The movable fluid porosity ranges between 0.451.89averaging at 1.29, the residual water saturation ranges between 1.037.45averaging at 4.18. The movable fluid porosity shows exponential relationship with air permeability R20.935 8. Based on the of “centrifugal-T2C”, the pore size of low rankcoal in southern margin of Junggar basin was mainly distributed in 0.011 μm and the average of pore size is 1.771 μm. Keywords low rank coal; coalbed methane; movable fluid; pore radius; low-field NMR 煤层气的勘探开发不仅可以降低矿井瓦斯灾害 程度，还能弥补常规油气资源的不足[1]。随着美国 粉河盆地，加拿大阿尔伯塔盆地和澳大利亚苏拉特 盆地等低阶煤盆地煤层气的成功开发，推动了我国 低煤阶煤层气勘探开发[2]。我国低煤阶煤层气资源 丰富，约占煤层气总资源量的 40，主要分布在吐 哈盆地、准噶尔盆地和鄂尔多斯盆地等[3]。准噶尔 盆地南缘是我国“十三五”低煤阶煤层气勘探开发重 点示范区，然而目前针对该区煤储层孔隙结构、可 动流体孔隙度及渗透率的研究不足，需要借助新的 技术手段从机理方面开展深入的研究工作。 低场核磁共振是指某原子核对磁场的响应，其弛 豫速率对于多孔介质内流体的氢核和孔隙壁的作用非 常敏感，能够反映流体与孔隙介质之间相互作用[4]， ChaoXing 第 1 期郑司建等 准噶尔盆地南缘低煤阶煤储层可动流体及孔径分布特征57 其特点是快速、无损，实验结果具有可重复性，已被 广泛应用于评价煤储层的孔隙度、渗透率、孔隙结构 特征等方面[5-7]。笔者以准南低阶煤为研究对象，通过 低场核磁共振技术和离心实验，研究低阶煤储层可动 流体饱和度、束缚流体饱和度和孔径分布特征。 1实验原理 核磁共振以氢核为研究对象。在煤储层中，氢核 存在于固体骨架和孔隙流体 2 种环境下。通过选择适 当测试参数，可观测仅来自孔隙流体而与固体骨架无 关的信号[4]。一般通过测量氢核的横向弛豫时间 T2来 分析煤岩的孔隙流体特征。有 3 种弛豫机制影响横向 弛豫时间 T2，即自由弛豫、表面弛豫和扩散弛豫[8-9]。 根据核磁共振理论[10]，总的弛豫时间 T2可表示为 22B2S2D 1111 TTTT 1 式中T2B为自由弛豫时间；T2S为表面弛豫时间； T2D为扩散弛豫时间。 本次研究实验环境采用均匀磁场，且所取的回 波时间足够小＜1 ms，因此式1右端第 3 项可忽 略不计，而 T2B远比 T2大得多，式1右端第 1 项也 可忽略，因此 T2近似等同于 T2S[11]，即 2 2 1 S ρ TV 2 式中S 为孔隙的表面积，μm2；V 为孔隙的体积， μm3；ρ2为岩石的横向表面弛豫强度，μm/ms。 由式2可知， 岩石弛豫时间 T2与孔隙半径呈正 比关系，弛豫时间越短表示岩石的孔隙半径越小。 2实验样品与实验方法 实验样品采自准噶尔盆地南缘 6 个矿区，共计 6 组煤样。 对各样品进行了显微煤岩特征、 孔隙度氦 气法和渗透率空气测定等测试， 结果如表 1 所示。 由表 1 可知， 样品的镜质体反射率为 0.420.84， 镜质组体积分数为 64.379.7，惰质组体积分数 16.534.0，壳质组体积分数 0.46.1。孔隙 度 为 1.518.66 ， 平 均 5.69 。 渗 透 率 为 0.154 21.447 810-3μm2，平均 0.752 310-3μm2。 实验方法 ① 在6组煤样上分别钻取直径2.5 cm、高度≤5 cm 的柱状煤心；② 将制备好的柱状煤 心置于干燥箱，在 110℃温度下烘干至恒重；③ 置于 真空饱和装置干抽 12 h， 而后加入蒸馏水， 湿抽 24 h； 取出饱和水煤样， 用无磁保鲜膜包裹煤样防止水分蒸 发，并置于核磁共振仪中，在离心力分别为 0.345 MPa、 0.690 MPa、 1.035 MPa、 1.380 MPa 和 1.725 MPa， 25 ℃恒温条件下离心 1 h。离心后置于核磁共振仪测 量 T2谱弛豫时间谱图，确定最佳离心力。 表 1煤样显微组分和镜质体反射率与孔隙度和 渗透率测定结果 Table 1Results of the analyses of coal maceral composition, vitrinite reflectance, porosity and gas permeability 样品 编号 显微组分体积分数/ Rmax/ 孔隙度/ 渗透率/ 10-3μm2 镜质组惰质组壳质组 LHG-179.717.82.60.465.730.7904 DB-164.330.75.00.828.660.5812 XG-165.634.00.40.847.040.9250 DHS-177.416.56.10.651.510.1542 CXY-173.026.50.50.542.540.6153 BTY-175.622.71.70.428.631.4478 核磁共振仪选用的测量参数为TE0.3 ms， TW3 000 ms，回波数为 10 000，扫描次数为 64。 3实验及结果讨论 3.1最佳离心力的确定 为确定煤样合适的束缚水状态，离心力大小的 确定至关重要。对于常规砂岩，D Rahul 等[12]将离 心力从 0 逐步增加到 0.828 MPa 来标定最佳离心力， 结果表明 0.690 MPa 为最佳离心力；李海波[13]研究 得出 2.76 MPa 为火山岩的最佳离心力； 但对于低阶 煤的最佳离心力的确定前人研究很少。本文通过将 离心力从 0.345 MPa 逐步增加到 1.725 MPa 来确定 煤样合适的可动流体和束缚水状态图 1。6 个样品 在不同离心力后的含水饱和度结果如图 2 所示当 离心力从 1.380 MPa 增大到 1.725 MPa 时， 6 块煤样 含水饱和度差值为 0.71.2，平均 0.93，故可 标定 1.380 MPa 为准南低阶煤核磁共振最佳离心 力。依据 Washburn 方程 c c 2 cosσθ r p 3 式中 pc为离心力， MPa； rc为与 pc对应的孔隙半径， μm；σ为水和煤之间的表面张力，N/m；θ为水分子 与煤表面间的接触角。根据前人的研究结果[14]，σ 取 0.076 N/m，θ取 60。式3可简化为 c c 0.14 r p 4 由式4计算可知，1.380 MPa 离心力对应的孔 径约为 0.1 μm， 即 1.380 MPa 离心力可排出半径 0.1 μm 以上孔隙中的可动水。 ChaoXing 58煤田地质与勘探第 46 卷 图 1煤样在不同离心力下核磁共振 T2谱 Fig.1NMR T2spectra of coal samples under different centrifugal pressures 图 2煤样不同离心力后的含水饱和度 Fig.2Water saturation of coal samples under different centrifugal pressures 3.2孔裂隙特征 T2图谱形态可有效地反映不同孔径孔裂隙所 占的比例， 其中峰值大小可指示该孔径尺度的孔裂 隙含量的大小， 峰的面积和峰宽则表示某类孔裂隙 的比例大小及该类孔隙的分选性， 而峰的连续性则 体现了不同孔径孔裂隙之间连通性好坏[4,15]。姚艳 斌[4]根据煤的核磁共振 T2谱特征， 将煤孔裂隙划分 为吸附孔0.1 ms＜T2≤10 ms＝、渗流孔10 ms 100 ms。根据饱和水煤样 T2谱特征图 1可知低煤阶煤的 T2谱形态为 3 峰 型分布谱，表明吸附孔、渗流孔和裂隙均有发育， 其中以吸附孔和渗流孔占优，DHS-1 和 CXY-1 相 比于其他 4 组煤样裂隙比较发育。 饱和水煤样经过 1.380 MPa 离心后，T2谱形态主要为双峰分布谱， T2分布范围 0.1100 ms。相对于饱和水煤样 T2谱 特征，CXY-1、BTY-1、LHG-1、XG-1、DB-1 煤样 在 T2为 0.110 ms 时峰面积变化很小， 以束缚流体 为主，表明吸附孔连通性较差，毛细管压力大，在 高速离心时不易离出；相对于其他煤样 DHS-1 在 0.110 ms 时峰面积变化较大，则其吸附孔的连通 性较好。离心后 6 组煤样在 T2为 10100 ms 时峰 面积均减小，信号总强度下降 71.8295.64，表 明渗流孔中大部分孔隙流通性较好， 可使自由流体 在离心力作用下离出。 3.3可动流体与束缚流体孔隙度 T2截止值即可动流体和束缚流体的 T2分界线[4]， 是核磁共振计算束缚水饱和度和渗透率的关键参 数。 理论上一般认为 T2截止值左侧的 T2谱代表吸附 孔中的束缚流体， 其右侧代表渗流孔中的可动流体。 求取 T2截止值方法为对离心前后的煤样分别作累 计孔隙率曲线，从离心后的 T2谱累计孔隙率最大值 作与 X 轴平行直线，与饱和水煤样累计孔隙率曲线 交于一点，该点所对应的 T2值即为 T2截止值简称 T2C值图 3。计算结果表明，准南低阶煤的 T2C值 普遍较低，为 0.57.0 ms表 2。 核磁信号强度与样品所含的氢核数目呈正比， 可以用饱和水煤样的核磁共振 T2谱来计算孔隙度 φN[10]。计算结果表明，6 组煤样总孔隙度φN为 1.488.56，平均 5.47表 2。姚艳斌等[4]基于 核磁孔隙度结果，将孔隙度进一步划分为可动流体 ChaoXing 第 1 期郑司建等 准噶尔盆地南缘低煤阶煤储层可动流体及孔径分布特征59 孔隙度φM和束缚流体孔隙度φR，其计算公式为 MN BVM/BVM BVIφφ5 RN BVI/BVM BVIφφ6 式中BVM 为可动流体饱和度，；BVI 为束缚流 体饱和度，。 图 3BTY-1 煤样 T2C的求取 Fig.3Calculation of the T2cutoff value of coal sample BTY-1 由表 2 可知， 6 组煤样可动流体饱和度 BVM 为 13.047.0，平均 27.4；可动流体孔隙度φM为 0.451.89，平均 1.29。束缚流体饱和度 BVI 为 53.087.0，平均 72.6；束缚流体孔隙度φR 为 1.037.45，平均 4.18。从图 4 可以看出， 可动流体孔隙度与渗透率二者有很好的拟合优度 图 4a，且呈幂指数关系；而束缚流体孔隙度与 渗透率相关性较差图 4b。由此表明，根据煤样的 可动流体孔隙度来确定煤的渗透率具有重要意义。 表 2煤样中各种孔隙度和饱和度测定结果 Table 2NMR porosity, movable fluid porosity, residual fluid porosity and T2cutoff of coal samples 样品编号φN/BVM/BVI/φM/φR/T2C/ms LHG-15.3324.975.11.334.001.3 DB-18.5613.087.01.117.451.1 XG-16.5926.573.61.744.851.4 DHS-11.4830.569.50.451.030.5 CXY-12.5347.053.01.191.342.0 BTY-18.3222.777.31.896.437.0 平均值5.4727.472.61.294.18 3.4孔径分布特征 前人[16-18]基于压汞和核磁共振方法研究常规油 气储层的孔隙结构提出了很多种转换方法，如平均 饱和度误差最小法、曲线相似对比法和基于幂函数 关系转换法等。姚艳斌等[4]发现应用上述方法研究 煤储层孔隙结构时，其误差较大，且计算繁琐应用 性差。基于离心实验 T2截止值提出了一种新的转换 方法“离心–T2C法”，其原理为基于饱和水和束 缚水确定的 T2截止值所对应的孔隙半径 r 为常数。 因此第 i 个弛豫时间 T2i所对应的孔径 rci为 图 4煤样渗透率与可动流体孔隙度a和束缚流体孔隙度b的关系 Fig.4Relationships of a permeability vs. movable fluid porosity, and b permeability vs. residual fluid porosity 2 c 2c i i rT r T 7 本次实验确定的最佳离心力为 1.380 MPa，所对 应的孔隙半径为 0.1 μm。根据式7计算不同弛豫时 间所对应的 rci，再根据 rci值统计不同孔径区间内的 核磁信号幅度， 建立核磁共振转换孔径分布图图 5。 结果表明， 研究区煤样平均孔隙半径为 0.1158.456 μm， 平 均 1.771 μm 。 0.010.1 μm 孔 径 所 占 比 例 为 45.777.1，平均 60.5；0.11 μm 孔径所占比例 为 17.733，平均 26.2；在 110 μm 孔径所占 比例为 6.512.2，BTY-1 样品所占比例仅为 1.0， 其余煤样孔径分布区间在 10100 μm， DHS-1 煤样所占比例为 19.8，其余煤样所占比例为 0.63.5。表明准噶尔盆地南缘低煤阶煤孔径主要 分布在 0.0110 μm，以吸附孔为主，且渗流孔和渗 流孔之间连通性较好。 ChaoXing 第 1 期 张开军等 准噶尔盆地南缘硫磺沟地区水文地质特征及其对煤层气富集的影响 65 [2] 伏海蛟，汤达祯，许浩，等. 准南中段煤层气富集条件及成藏 模式研究[J]. 煤炭科学技术，2015，43994–98. 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