沁水盆地南部煤储层显微裂隙发育的影响因素_胡咤咤.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2015-10-16 基金项目 国家重点基础研究发展计划（973 计划）课题（2014CB238901）；国家科技重大专项课题（2011ZX05042-001）；中央高校基本科研业 务费专项资金（2652011266） Foundation itemThe National Key Basic Research and Development Program of China （973 Program） （2014CB238901）；The National Science and Technology Major Project（2011ZX05042-001）；The Fundamental Research Funds for the Central Universities of China（2652011266） 作者简介 胡咤咤1990，男，湖北红安人，硕士研究生，从事煤与煤层气地质工作. E-mailcharleshoo1990 引用格式 胡咤咤，黄文辉，刘素平，等. 沁水盆地南部煤储层显微裂隙发育的影响因素［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）63-70. HU Zhazha，HUANG Wenhui，LIU Suping，et al. Study on the influencing factors of the microfracture development in coal reservoir in southern Qinshui basin［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（5）63-70. 文章编号 1001-1986（2016）05-0063-08 沁水盆地南部煤储层显微裂隙发育的影响因素 胡咤咤 1，黄文辉1，刘素平2，张 谦1，许启鲁1，冯小龙1 （1. 中国地质大学（北京） 能源学院，海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室， 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；2. 湖南省煤田地质局 油气资源勘探队，湖南 长沙 410014） 摘要 为研究沁水盆地南部 3 号和 15 号煤储层显微裂隙的发育情况， 借助扫描电镜显微裂隙分析、 荧光显微镜显微裂隙统计、X 射线衍射分析等手段，总结了地应力、煤岩显微组分、煤变质程度、 煤中矿物质与显微裂隙发育的关系，探讨了影响煤储层显微裂隙发育主要因素。结果表明，该区 煤储层显微裂隙较为发育，显微裂隙密度一般为 7～59 条/9 cm2，以 C 型和 D 型裂隙为主，扫描电 镜下常见张性裂隙、剪性裂隙，对煤储层渗透性贡献较大，内生裂隙较少见。显微裂隙通常发育 于镜质组中，裂隙密度随变质程度的升高表现出降低的趋势，煤中矿物的充填作用对于显微裂隙 的发育影响较大，对煤样渗透性造成了直接破坏作用，地应力场的方向和大小控制着外生显微裂 隙的开合程度，进而对煤储层的渗透性产生影响。因此认为，地应力和煤中矿物是影响该区煤储 层显微裂隙发育的主要因素。 关 键 词沁水盆地南部；煤储层；显微裂隙；影响因素 中图分类号P618.11 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.012 Study on the influencing factors of the microfracture development in coal reservoir in southern Qinshui basin HU Zhazha1， HUANG Wenhui1， LIU Suping2， ZHANG Qian1， XU Qilu1， FENG Xiaolong1 （1. School of Energy Resources， China University of Geosciences （Beijing）， Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Enrichment Mechanism of Ministry of Education， Key Laboratory of Unconventional Natural Gas Geology uation and Development Engineering， Beijing 100083， China； 2. Oil and gas resources exploration team， Bureau of Coal Geology of Hunan Province， Changsha 410014， China） Abstract The developmental characteristics of microfractures in No.3 and No.15 coal seams in southern Qinshui basin were studied by means of scanning electron microscope， fluorescence microscope， X ray diffraction and so on. The relationship between microfracture and influencing factors including crustal stress， micropetrological unit， metamorphic grade and mineral were summarized. The main factors affecting the development of microfractures in coal reservoir were discussed. The results show that the microfractures in coal reservoir of this area are relatively developed and the density is generally 7～59 strips per 9 cm2. Microfractures of type D and type C dominate. Ten- sile fractures and shear fractures that make relatively larger contribution to the permeability are common in scan- ning electron microscope， whereas endogenetic fractures are rare. Microfractures are generally developed in vitrinite component. Microfracture density decreases with the increase of metamorphic grade. The mineral filling effect in coal has great influence on the development of microfracture and destroys the permeability of coal directly. The magnitude and direction of crustal stress field control the opening degree of exogenous microfracture and then affect coal permeability. Therefore， crustal stress and mineral in coal are the main factors that influence the devel- opment of microfractures in coal reservoir of this area. ChaoXing 64 煤田地质与勘探 第 44 卷 煤储层是由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的 三元结构系统［1］。其中，孔隙是吸附态和游离态煤 层气的主要储集场所，宏观裂隙是煤层气运移的通 道，而显微裂隙则是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁。 宏观裂隙系统是煤层气的紊流场，显微裂隙系统是 煤层气的渗流场，煤层气的运移受制于流速较慢的 渗流场［2］，由此可见，显微裂隙的发育对煤层气的 运移十分重要。近年来，一批学者致力于煤储层显 微裂隙的研究，张慧等［3］借助扫描电镜划分了煤储 层显微裂隙的成因类型，傅雪海等［2］认为沁水盆地 煤储层显微裂隙的发育程度将可能成为影响该区煤 层气产出的瓶颈问题之一，Yao Yanbin 等［4］研究发 现煤中的微裂隙（宽度在微米级）对煤储层的渗透性 和煤层气藏的开发具有重要意义，陈玮胤等［5］分析 了不同变形程度构造煤的显微裂隙分形特征，这些 研究主要是关于显微裂隙类型和发育特征的精确描 述，然而关于煤储层显微裂隙发育的控制因素的研 究却少见报道。 本文以沁水盆地南部 3 号和 15 号煤 层为研究对象，在对煤岩特征、显微裂隙发育特征 观察和分类统计的基础上，总结了该区煤储层显微 裂隙特征及其影响因素的控制机理。 1 样品采集与实验测试 沁水盆地含煤地层为上石炭统太原组和下二叠 统山西组，可采煤层多达十几层，其中 3 号和 15 号 煤层横向上发育稳定，全区分布广泛，分别为山西 组和太原组主力煤层［6］。山西组 3 号煤形成于以河 流作用为主的三角洲平原沉积环境， 太原组 15 号煤 形成于碳酸盐岩局限台地相沉积环境［7］。研究区位 于沁水盆地南部，在晋城北部、沁水东部、长治南 部和高平县境内（图 1），区内 3 号煤和 15 号煤镜质 体反射率 Rmax为 1.96％～3.51％（表 1），属于中-高煤 级煤，目前 3 号煤已进入商业开发阶段，而 15 号煤 尚未形成经济产能。针对沁水盆地南部主要矿区进 行了系统采样，由北往南采集了 13 个煤矿共计 32 件样品。所有样品均采用刻槽取样法，分别取自于 各矿井的新鲜工作面。所有样品在采集、运送和测 试过程中按相关规定进行了处理，尽量避免了人为 造成的煤岩裂隙的破坏。各样品的煤岩煤质特征见 表 1。 图 1 研究区位置及煤矿分布图 Fig.1 Location of the study area and coal mines 表 1 沁水盆地南部煤样显微组分含量及工业分析特征 Table 1 The maceral and industry analysis results of coal samples in southern Qinshui basin ％ 样号 煤矿 煤层 Rmax 镜质组 惰质组 矿物 Mad AadVad样号煤矿煤层 Rmax镜质组 惰质组 矿物 Mad AadVad SH3-1 寺河 3 3.41 74.23 20.13 5.64 0.53 9.64 5.59 WTP15-1 王台铺152.99 81.80 11.24 6.96 0.51 14.19 7.81 WZ3-1 王庄 3 1.96 70.90 21.40 7.70 0.67 10.04 15.27 WTP15-2 王台铺152.68 80.20 7.10 12.70 0.62 17.60 6.58 WZ3-2 王庄 3 2.01 69.40 23.12 7.48 0.83 9.04 14.74 FHS15-1 凤凰山153.12 80.80 13.71 5.49 0.85 12.52 8.52 WZ3-3 王庄 3 2.04 61.90 22.30 15.80 1.02 11.38 15.05 FHS15-2 凤凰山153.24 85.10 9.50 5.40 0.90 14.83 5.17 BF3-1 伯方 3 2.17 71.10 25.40 3.50 0.57 11.23 14.29 GSY15-1 古书院153.51 70.56 15.21 14.23 1.32 23.37 8.44 BF3-2 伯方 3 2.32 70.12 17.20 12.68 0.93 9.28 15.16 SGJ15-1 石圪节152.51 78.30 11.02 10.68 0.51 15.57 7.06 WY3-1 望云 3 2.21 76.10 19.70 4.20 0.84 18.50 10.91 SGJ15-2 石圪节152.43 80.04 16.60 3.36 0.64 13.19 6.10 WY3-2 望云 3 2.14 71.70 21.20 7.10 0.59 13.71 11.05 LDS15-4 龙顶山151.97 74.90 13.10 12.00 0.50 10.61 7.52 NZZ3-1 南赵庄 3 2.90 73.27 16.12 10.61 0.53 9.26 8.08 BC15-3泊村152.89 82.96 12.12 6.96 0.92 5.74 4.82 CZ3-1 成庄矿 3 3.15 75.69 16.71 7.60 1.62 10.40 6.82 CD15-2川底152.97 77.64 10.69 11.67 0.63 15.96 6.22 ChaoXing 第 5 期 胡咤咤等 沁水盆地南部煤储层显微裂隙发育的影响因素 65 2 煤的显微裂隙发育特征 煤中显微裂隙的发育程度取决于煤体结构演化 及变形特征，反映了应力、温度及其流体与煤岩相 互作用的关系，是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁，是 决定煤层气能否顺利产出的重要因素［8-9］。 2.1 扫描电镜下显微裂隙观察 扫描电镜的观察面为二维自然断面，可以多角 度观察研究显微裂隙的发育特征， 包括裂隙的形态、 大小（包括长度、宽度）、发育背景、开启程度、充 填情况、排列组合、连通情况、密度以及裂隙与层 理和组分的关系等［10］。 苏现波［11］从成因和形态两方面入手， 将显微裂隙分 为内生裂隙（割理）、外生裂隙和继承性裂隙 3 类。霍永 忠等［12］在光学显微镜下将显微裂隙划分出内生裂隙、层 面裂隙、继承性裂隙与构造裂隙4 类，前3 类属于原生 裂隙，构造裂隙属外生裂隙。张慧等［3］以煤岩学、构造 地质学研究为基础，依据煤中显微裂隙的形态、大小、 排列组合等发育特征，将内生裂隙进一步划分为失水裂 隙、缩聚裂隙、静压裂隙，将外生裂隙进一步划分为张 性裂隙、压性裂隙、剪性裂隙、松弛裂隙。 通过扫描电镜观察发现，沁水盆地南部 3 号和 15 号煤中显微裂隙多为外生裂隙，常见张性裂隙、 剪性裂隙，内生裂隙较少，可见静压裂隙、缩聚裂 隙、失水裂隙。张性裂隙宽度一般在中孔大孔级， 裂隙相互之间或平行（图 2a）或垂直（图 2b）或斜交（图 2c），部分裂隙被黏土矿物（图 2a）、方解石（图 2c）充 填，多条张性裂隙在一定范围内可连成不同级别、 不同组态的网络（图 2c）。剪性裂隙由剪应力作用而 产生，常有两组或多组共轭裂隙，典型的剪性裂隙 组成共轭 X 型裂隙（图 2e、 图 2f）， 可穿越不同组分， 裂面上有时可见碎粒（图 2f）。静压裂隙主要特征是 图 2 3 号煤和 15 号煤显微裂隙类型及发育特征扫描电镜照片 Fig.2 SEM photographs of the types and development characteristics of microfractures in No. 3 and No.15 coal seams ChaoXing 66 煤田地质与勘探 第 44 卷 短、直、定向，通常仅限于镜质组中，不穿越组分 （图 2g）。缩聚裂隙是煤在变质过程中因脱水、脱气、 脱挥发分而缩聚所形成的裂隙，其主要形态特征是 短浅、弯曲、密集、无序，受组分制约，主要发育 于镜质组中（图 2h）。失水裂隙是煤化作用初期煤层 在压实、失水、固结等物理变化过程中形成的裂隙， 单条失水裂隙多呈弯曲状，裂隙面呈锯齿状，无方 向性，长短不等（图 2i）。从裂隙成因类型上看，张 性裂隙和剪性裂隙发育规模大，尺度也大，可穿越 不同组分或多个分层，常构成不同级别上的连通网 络，沟通孔隙和宏观裂隙，对渗透率贡献较大；静 压裂隙和缩聚裂隙受组分制约比较严重，仅局部连 通，对局部渗透率有贡献。 2.2 荧光显微镜下显微裂隙观察统计 煤的显微裂隙可通过 LABORLXE 12 POL 型荧 光显微镜来观测统计，根据姚艳斌等［13］镜下观察显 微裂隙的方法，在 50 倍物镜下将规格为 30 mm 30 mm 的煤岩光片划分为 10 mm10 mm 的 9 个微 区， 分别将每个微区出现的裂隙按 A 型（宽度 W≥ 5 μm 且长度 L≥10 mm）、B 型（W≥5 μm 且 1 mm≤ L＜10 mm）、C 型（W＜5 μm 且 300 μm≤L＜1 mm）和 D 型（W＜5 μm 且 L＜300 μm）进行了统计， 显微裂 隙密度定义为在 9 cm2的范围内，50 倍物镜下 所见的裂隙总条数，单位为条/9 cm2，其统计结果 见表 2。 从表 2 可以看出， 沁水盆地南部煤储层显微裂 隙较为发育，显微裂隙密度为 7～59 条/9 cm2，平均 31 条/9 cm2，四种类型的裂隙中以 C 型和 D 型裂 隙最为发育，其次是 B 型，A 型少见，表明煤样较 为致密。3 号煤显微裂隙密度为 8～45 条/9 cm2，平 均为 23 条/9 cm2；15 号煤显微裂隙密度为 7～59 条/ 9 cm2，平均为 41 条/9 cm2。由此可见，15 号煤显 微裂隙较 3 号煤发育。3 号煤中 A、B、C、D 型四 种裂隙平均约占 2.28％、 10.96％、 30.80％、 53.05％， 15 号煤中 A、 B、 C、 D 型 4 种裂隙平均约占 0.88％、 5.84％、31.68％、61.58％。3 号煤层的 A、B、C、 D 四种类型裂隙配置比较合理， 不同类型裂隙之间 连通性较好，15 号煤层中以 C 型、D 型裂隙比例 较高，A 型和 B 型裂隙极少见，不同尺度的裂隙配 置不合理，对煤层气的扩散运移不利，这也可能是 导致 15 号煤煤层气开发难度大的原因之一。针对 这类储层可以采取水力压裂技术对储层进行改造， 压开一条或多条裂缝， 沟通相互之间不连通的原始 裂隙，同时使原有裂隙扩展、增宽，从而提高煤层 的导流能力， 加快排水采气过程， 提高气井产量［14］。 表 2 沁水盆地南部煤样显微裂隙密度统计结果表 Table 2 The microfracture density of coal samples in southern Qinshui basin 显微裂隙数/（条.（9 cm2）-1） 显微裂隙数/（条.（9 cm2）-1） 样号 煤矿 煤层 煤岩 类型 Rmax /％ A 型 B 型 C 型 D 型 合计 样号 煤矿 煤层 煤岩 类型 Rmax /％ A 型 B 型 C 型 D 型合计 SH3-1 寺河 3 光亮煤 3.41 05 9 10 24SH15-1寺河15半亮煤3.21 1 3 15 2544 SH3-2 寺河 3 半暗煤 3.38 00 4 6 10WTP15-1 王台铺15光亮煤2.99 0 4 17 2748 SH3-3 寺河 3 光亮煤 3.43 14 7 16 28WTP15-2 王台铺15半亮煤2.68 1 1 10 2234 SH3-4 寺河 3 半亮煤 3.36 02 12 10 24WTP15-3 王台铺15半亮煤2.86 0 0 7 2633 WZ3-1 王庄 3 半亮煤 1.96 15 15 22 43FHS15-1凤凰山15半暗煤3.12 0 1 2 47 WZ3-2 王庄 3 半亮煤 2.01 03 8 19 30FHS15-2凤凰山15半亮煤3.24 0 3 12 2035 WZ3-3 王庄 3 半亮煤 2.04 02 3 8 13FHS15-3凤凰山15光亮煤3.32 2 3 20 3459 BF3-1 伯方 3 半亮煤 2.17 21 10 16 29GSY15-1 古书院15半亮煤3.51 0 4 8 2335 BF3-2 伯方 3 半亮煤 2.32 03 4 3 10GSY15-2 古书院15光亮煤3.46 0 2 10 3648 BF3-3 伯方 3 半亮煤 2.25 02 6 15 23SGJ15-1石圪节15光亮煤2.51 0 2 16 2543 WY3-1 望云 3 半暗煤 2.21 01 3 5 9 SGJ15-2石圪节15光亮煤2.43 1 0 24 2853 WY3-2 望云 3 半亮煤 2.14 24 2 37 45SGJ15-3石圪节15半亮煤2.53 0 2 19 3051 WY3-3 望云 3 半亮煤 2.18 10 2 5 8 3 影响显微裂隙发育的因素 影响煤储层显微裂隙发育的因素较多，可以分 为外界因素和内在因素。外界因素主要是作用于煤 层的地应力及其性质、大小、作用方式，内在因素 包括煤岩显微组分、变质程度、煤中矿物。内在因 素对于内生裂隙的发育尤为重要，外界因素则与外 生裂隙的关系更为密切，内在因素通过外界条件起 作用，内外因素对显微裂隙的发育都很重要，进而 对煤层渗透性产生一定的影响。 3.1 地应力 裂隙系统是煤层气渗流的重要通道，成煤期后 ChaoXing 第 5 期 胡咤咤等 沁水盆地南部煤储层显微裂隙发育的影响因素 67 的构造活动，在煤储层中产生大小不等的构造裂隙 （外生裂隙），为煤层气的渗流提供新的通道［15］。地 应力场对外生裂隙的影响存在两种截然不同的情 况当地应力场最大主应力方向与煤储层的主裂隙 组发育方向一致时（图 3a），裂隙面实质上受到相对 拉张作用，裂隙宽度增大，渗透率增高，且主应力差 越大，相对拉张效应越强，裂隙张开的幅度也越大， 越有利于渗透率的增高；当地应力场最大主应力方向 与煤储层的主裂隙组发育方向垂直时（图 3b），裂隙面 受到相对挤压作用，裂隙宽度减小，渗透率降低， 且主应力差越大，相对挤压效应越强，裂隙闭合的 幅度也越大，渗透率也越低。地层中天然裂缝的方 向与最大主应力方向绝大多数情况下是相交或正交 的，因此沁水盆地南部煤系中主裂隙组发育方向与 地应力场最大主应力方向之间关系表现为图 3 中两 种情况的组合。由此可见，地应力场的方向和大小 控制着显微裂隙的开合程度，地应力对煤储层原始 渗透率的影响实质上是通过对显微裂隙开合程度的 控制而实现，地应力对于煤储层的渗透性既有建设性 作用，也有破坏性作用［16］。 （煤层中粗线条表示主裂隙组，细线条表示次裂隙组） 图 3 地应力场对煤储层显微裂隙发育控制模式图［15］ Fig.3 The control pattern of the stress field on the microfractures of the coal reservoir 3.2 煤岩显微组分 为了研究煤中显微裂隙与显微组分的关系，统 计了沁水盆地南部不同煤岩样品的显微组分含量及 其对应显微裂隙密度（图 4），可以看出，随着镜质组 含量的升高，显微裂隙密度增加；随着惰质组含量 的升高，显微裂隙密度降低。J C Close［17］、邹艳荣 等［18］的研究也认为，显微裂隙的发育程度受镜质组 含量的控制，镜质组含量越高，显微裂隙越发育。 姚艳斌等［19］也认为沁水盆地煤中惰质组不利于显微 裂隙的发育。 图 4 不同样品显微组分含量及显微裂隙密度变化图 Fig.4 The maceral content of different coal samples and the corresponding changes of the microfracture density 显微组分不同时显微裂隙发育程度也不同，主 要与各显微组分的力学性质有关，镜质组是煤中脆 性最大、韧性最小的组分，外生裂隙优先在其中发 育，此外镜质组富含水分和挥发分，是变质过程中 内部收缩量最大的组分，内生裂隙也主要发育于其 中；惰质组硬度最大，脆度和韧性中等，保留了较 多的植物组织孔，具有减弱和释放应力的作用，纤 维状丝质体常顺层排列，起阻挡裂隙延伸的作用， 故惰质组中外生裂隙发育程度远不如镜质组，内生 裂隙也很少见［20］。 3.3 变质程度 裂隙的发育程度与煤的变质程度有关，中煤级煤 裂隙最为发育［17］。 B E Law［21］对不同煤级裂隙密度的观 测结果是 长焰煤中裂隙密度＜10 条/5 cm； 气煤 10～15 条/5 cm；焦煤 30～40 条/5 cm；无烟煤＜10 条/5 cm。毕 建军等［22］认为随煤级增高，裂隙密度逐渐增加，在 镜质体反射率为 1.3％左右时达到最大值，之后裂隙 密度逐渐降低，在反射率＞4％时，裂隙密度基本保 持不变。 沁水盆地南部 3 号和 15 号煤显微裂隙密度 随镜质体反射率升高均表现出降低的趋势（图 5）， 与 前人研究基本一致。煤中显微裂隙密度之所以随镜 质体反射率增加未呈现出先增大后减小的趋势，是 由于研究中所采煤样镜质体反射率 Rmax为 1.96％～ 3.51％，变质程度均在瘦煤以上。 3.4 煤中矿物质 由地下水活动形成的后生矿物大多以充填煤空 隙的形式产出，其中以裂隙充填为主［10］。煤储层微 裂隙充填物通常呈现两种产状一种呈薄膜状附着 （图 2b），局部占据裂隙空间；另一种则几乎完全充 填裂隙（图 2c），占据整个裂隙空间，常使裂隙渗透 性丧失或大大降低［23］。从表 3 可以看出，沁水盆地 ChaoXing 68 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 5 镜质体反射率与显微裂隙密度的关系 Fig.5 The relationship between the vitrinite reflectance and the microfracture density 南部3号和15号煤微裂隙均受到不同程度的矿物充 填，3 号煤裂隙充填率为 39％，15 号煤裂隙充填率 为 65％， 15 号煤裂隙被矿物充填程度较 3 号煤严重， 且充填矿物主要为黏土矿物、碳酸盐矿物等。 表 3 3 号和 15 号煤显微裂隙矿物充填情况统计结果 Table 3 The statistical results of mineral filling of mi- crofractures in No.3 and No.15 coal seams 煤层 未充填 裂隙/条 半充填 裂隙/条 完全充填 裂隙/条 裂隙 总计/条 3号 61 22 17 100 15号 35 33 32 100 X 射线衍射分析结果（表 4）表明， 沁水盆地南部 煤中矿物大多为黏土矿物，以高岭石为主，其次为 碳酸盐类矿物， 以方解石为主。 15 号煤中的高岭石、 方解石质量分数平均分别为 52.82％、29.53％，3 号 煤中的高岭石、方解石含量平均分别为 63.73％、 19.08％，两煤层中矿物含量差别较大。高岭石是在 温暖潮湿气候的酸性介质条件下形成的，一般认为 高岭石是远离海相沉积的矿物［24］，3 号煤的高岭石 含量较高，可能与 3 号煤的陆相成因环境有关。15 号煤中方解石含量较高，可能与两煤层顶板岩性不 同有关，3 号煤顶板以泥岩为主，15 号煤顶板以灰 岩为主，顶板灰岩会在地下水的作用下溶解，富含 钙离子的地下水下渗到 15 号煤中沉淀，形成方解 石，堵塞煤层中的孔裂隙（图 2c）。 针对煤储层中充填的硅酸盐矿物、 碳酸盐矿物， 可通过优选酸液体系和酸化工艺［25］，将含有添加剂 的适当浓度的氢氟酸和盐酸酸液作为压裂前的预处 理液注入煤层，溶解煤层孔裂隙中的硅酸盐和碳酸 盐矿物，以有效提高煤层渗透率［26］。 矿物充填程度较小的 3 号煤样的渗透率随微裂隙 密度的增加而呈指数形式增加，矿物充填程度严重的 15 号煤煤样， 煤样渗透率与微裂隙密度之间关系十分 离散（图 6），没有明显规律，煤样渗透率普遍较低，低 于 0.510-3μm2，石圪节矿 SGJ15-2 号煤样显微裂隙 密度 53 条/9 cm2，渗透率却只有 0.110-3μm2，扫描 电镜下可见裂隙被矿物充填十分严重（图 2f）。15 号煤 显微裂隙被矿物充填程度较 3 号煤严重，矿物充填严 重可能是导致 15 号煤开发难度大的另一个重要因素。 由此可见， 矿物充填不仅对于显微裂隙发育影响很大， 而且对煤样渗透性造成了直接破坏作用。 表 4 沁水盆地南部煤中矿物 X 射线衍射分析表 Table 4 X ray diffraction analysis of minerals in coal samples in southern Qinshui Basin 矿物质量分数/％ 样号 煤矿 煤层 高岭石 伊利石 绿泥石石英方解石菱铁矿铁白云石 白云石 黄铁矿 WY3-1 望云 3 58.3 10 0.916.4 1.12 11.2 2.1 BF3-1 伯方 3 65.2 4.8 2.119.7 0.14 6.9 1.2 WZ3-1 王庄 3 65.3 2.5 0 19.9 1.72 9.8 0.8 SH3-1 寺河 3 69.7 5.6 1.117.2 0.78 5.3 0.32 NZZ3-1 南赵庄 3 61.2 5.2 1.319.8 0.99 10.8 0.71 CZ3-1 成庄矿 3 62.7 4.2 0.821.5 1.10 9.7 0 WTP15-1 王台铺 15 54.9 1.8 7.2 0 25.8 4.5 5.8 SGJ15-1 石圪节 15 47.3 4 5.4 5.828.1 2.1 7.3 FHS15-1 凤凰山 15 53.1 0 2.1 0 39.1 0 5.7 BC15-3 泊村 15 54.0 2.2 6.2 4.524.3 1.9 6.9 CD15-2 川底 15 49.7 3.1 5.9 5.130.7 1.4 4.1 LDS15-4 龙顶山 15 57.9 0 3.1 0 29.2 4.6 5.2 ChaoXing 第 5 期 胡咤咤等 沁水盆地南部煤储层显微裂隙发育的影响因素 69 图 6 3 号煤样渗透率与显微裂隙密度的关系 Fig.6 The relationship between coal permeability and microfracture density 4 结 论 a. 沁水盆地南部 3 号和 15 号煤中显微裂隙多 为外生裂隙，常见张性裂隙、剪性裂隙，内生裂隙 较少，可见静压裂隙、缩聚裂隙、失水裂隙。张性 裂隙和剪性裂隙对渗透率贡献较大，静压裂隙和缩 聚裂隙仅对局部渗透率有贡献。 b. 沁水盆地南部煤储层显微裂隙较为发育，15 号煤显微裂隙较 3 号煤发育，与 3 号煤相比，15 号 煤 C 型、D 型裂隙占很大部分比例，A 型和 B 型裂 隙极少见，不同尺度的裂隙配置很不合理，对煤层 气的扩散运移不利， 这也可能是导致 15 号煤储层的 煤层气开发难度大的一个原因，针对这类储层可以 采取水力压裂技术造缝，沟通相互之间不连通的原 始裂隙，同时使原有裂隙扩展、增宽，加速排水、 降压，提高煤层气井产量。 c. 探讨了影响煤储层显微裂隙发育的内在因 素和外界因素，认为地应力和煤中矿物是影响煤储 层显微裂隙发育的主要因素。地应力场的方向和大 小控制着微裂隙的开合程度，当最大主应力与主裂 隙发育方向一致时，有利于裂隙的开启，提高储层 渗透性；当最大主应力与主裂隙发育方向垂直时， 导致裂隙闭合，降低储层惨透性。内在因素中尤以 矿物充填对于显微裂隙的发育影响最大，而且对煤 样渗透性造成了直接破坏作用，15 号煤微裂隙被矿 物充填程度较 3 号煤严重， 在压裂前可向 15 号煤层 注入含有化学添加剂的适当酸液，对煤层进行酸化 处理，溶解裂隙中的硅酸盐和碳酸盐矿物，达到增 加煤储层渗透性的目的。 参考文献 ［1］ 傅雪海，秦勇，李贵中，等. 山西沁水盆地中、南部煤储层渗 透率影响因素［J］. 地质力学学报，2001，7（1）45-52. FU Xuehai，QIN Yong，LI Guizhong，et al. An analysis on the principal control factor of coal reservoir permeability in central and southern Qinshui basin，Shanxi［J］. Journal of Geomechan- ics，2001，7（1）45-52. ［2］ 傅雪海，秦勇，姜波，等. 高煤级煤储层煤层气产能“瓶颈“ 问题研究［J］. 地质论评，2004，50（5）507-513. FU Xuehai，QIN Yong，JIANG Bo，et al. Study on the “Bot- tle-Neck” problem of coalbed methane productivity of high-rank coal reservoirs［J］. Geological Review，2004，50（5）507-513. ［3］ 张慧，王晓刚，贠争荣，等. 煤中显微裂隙的成因类型及其研 究意义［J］. 岩石矿物学杂志，2002，21（3）278-284. ZHANG Hui， WANG Xiaogang， YUN Zhengrong， et al. Genetic types of microfractures in coal and their significance［J］. Acta Petrologica Et Mineralogica，2002，21（3）278-284. ［4］ YAO Yanbin，LIU Dameng，TANG Dazhen，et al. A compre- hensive model for uating coalbed methane reservoirs in China［J］. Acta Geologica Sinica English Edition，2008，82（6） 1253-1270. ［5］ 陈玮胤，姜波，屈争辉，等. 碎裂煤显微裂隙分形结构及其孔 渗特征［J］. 煤田地质与勘探，2012，40（2）31-34. CHEN Weiyin， JIANG Bo， QU Zhenghui， et al. Fractal structure of microfractures and characteristics of porosity and permeability in cataclastic coals［J］. Coal Geology Exploration，2012， 40（2）31-34. ［6］ 刘