《Journal of Asian Earth Sciences》：Multiscale pore structure and coalbed methane in the Jurassic deep coal seams of Southern Junggar Basin, China
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多尺度孔隙結(jié)構(gòu)與深層煤炭氣賦存特征研究：以準(zhǔn)噶爾盆地南緣中侏羅統(tǒng)西沙洋組為例，通過FE-SEM、μ-CT、MIP及氮?dú)?二氧化碳吸附實(shí)驗(yàn)等綜合表征技術(shù)，揭示埋深2460-2585米煤炭?jī)?chǔ)層以巨孔隙（>50nm，占比67.7%）為主、微孔隙（<2nm，占比27.9%）為輔的孔隙結(jié)構(gòu)特征，證實(shí)微孔隙貢獻(xiàn)96.43%比表面積并主導(dǎo)吸附氣賦存，同時(shí)發(fā)現(xiàn)受應(yīng)力（3.45-35MPa）影響顯著，孔隙度和滲透率分別下降23.2%-63.5%和97.5%-99.4%，自由氣占比平均達(dá)44.8%，顯著高于淺層儲(chǔ)層。研究建立統(tǒng)一孔隙-裂縫分類體系，為深層煤炭氣儲(chǔ)滲評(píng)價(jià)提供理論支撐。
陳忠紅|董克功|姚偉江|胡鑫|金曉杰|徐鷗
中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)學(xué)院，中國(guó)青島 266580
摘要
本研究探討了深部煤層儲(chǔ)層空間（>2400米）面臨的關(guān)鍵科學(xué)挑戰(zhàn)。煤巖中的多尺度孔隙結(jié)構(gòu)以及受該結(jié)構(gòu)控制的煤層氣（CBM）的存在狀態(tài)（如吸附氣體和游離氣體的比例）對(duì)于理解深部煤巖的滲透性和吸附能力至關(guān)重要。采用多尺度實(shí)驗(yàn)技術(shù)（包括場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡FE-SEM、微計(jì)算機(jī)斷層掃描μ-CT、高壓汞侵入孔隙度測(cè)量MIP、低溫N?/CO?物理吸附、核磁共振NMR和等溫吸附實(shí)驗(yàn)）研究了準(zhǔn)噶爾盆地中南部侏羅紀(jì)西山窯組（J?x）煤層（2460–2585米）的孔隙結(jié)構(gòu)和氣體含量。結(jié)果表明，全尺度孔隙結(jié)構(gòu)主要由大孔隙（>50納米，占孔隙體積的67.7%）組成，其次是微孔隙（<2納米，占27.9%）。關(guān)鍵的是，微孔隙貢獻(xiàn)了96.43%的比表面積，是吸附氣體的主要儲(chǔ)存場(chǎng)所。圍壓（3.45–35兆帕）顯著降低了儲(chǔ)層質(zhì)量，導(dǎo)致孔隙度損失23.2%–63.5%和滲透率下降97.5%–99.4%。深部煤層同時(shí)含有吸附氣體和游離氣體。吸附氣體含量（4.63–10.09立方厘米/克）受微孔體積和比表面積控制，而游離氣體含量（6.16–8.04立方厘米/克）與大孔隙體積呈正相關(guān)，平均占比為44.8%，遠(yuǎn)高于淺層CBM儲(chǔ)層。大孔隙（包括微裂隙）提供的有效孔隙度（平均2.06%）構(gòu)成了游離氣體的儲(chǔ)存空間。這些結(jié)果為評(píng)估深部CBM儲(chǔ)層提供了重要的理論基礎(chǔ)。
引言
全球能源轉(zhuǎn)型突顯了非常規(guī)天然氣（尤其是煤層氣CBM）的戰(zhàn)略價(jià)值，因其儲(chǔ)量豐富且環(huán)境影響小（國(guó)際能源署，2023a，2023b）。在中國(guó)，CBM的研究重點(diǎn)已從淺層儲(chǔ)層轉(zhuǎn)向深層儲(chǔ)層（>2000米），這些儲(chǔ)層被認(rèn)為是未來勘探的關(guān)鍵（劉等人，2020；徐等人，2019；吳等人，2024）。最近的突破，包括在鄂爾多斯盆地東部、清水盆地南部和準(zhǔn)噶爾盆地東部的高產(chǎn)井，證實(shí)了深部CBM的巨大潛力（姚等人，2007；劉等人，2015b；徐等人，2022）。然而，深部煤層儲(chǔ)層面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn)。由于受到高原應(yīng)力、高溫和復(fù)雜構(gòu)造的影響，其孔隙演化及CBM生成機(jī)制與淺層儲(chǔ)層（<1500米）有顯著差異（徐等人，2022；李等人，2021；魏等人，2019）。傳統(tǒng)的地質(zhì)框架和技術(shù)難以應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜性，成為開發(fā)的關(guān)鍵瓶頸（徐等人，2022；李等人，2021；魏等人，2019）。
準(zhǔn)噶爾盆地南部擁有豐富的深部侏羅紀(jì)CBM資源，其中侏羅紀(jì)西山窯組（J?x）是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)（>1500米，通常>2000米）（桑等人，2023）。該地區(qū)受多次構(gòu)造事件影響，形成了復(fù)雜的前陸逆沖帶。深部J?x煤層（>2000米）經(jīng)歷了強(qiáng)烈的變形和熱成熟作用，形成了多樣的孔隙-裂隙系統(tǒng)，并具有顯著的異質(zhì)性（彭等人，2021；支和劉，2013）。現(xiàn)有研究主要關(guān)注J?x煤層的淺層段或宏觀結(jié)構(gòu)（李等人，2016；侯等人，2022），但孔隙-裂隙異質(zhì)性——?dú)怏w儲(chǔ)存和產(chǎn)量的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素——仍知之甚少。一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是煤的應(yīng)力敏感孔隙結(jié)構(gòu)，這在深部條件下會(huì)導(dǎo)致孔隙度和滲透率測(cè)量的誤差。因此，在原位應(yīng)力下量化儲(chǔ)層特性至關(guān)重要。
煤作為CBM儲(chǔ)層的有效性取決于其多尺度孔隙-裂隙網(wǎng)絡(luò)，其中孔徑分布控制著氣體的吸附、擴(kuò)散和遷移（劉等人，2015a；紀(jì)，2018）。當(dāng)前的表征技術(shù)包括：（1）成像方法（如FE-SEM、光學(xué)顯微鏡、AFM、CT），可以可視化孔隙形態(tài)，但在定量方面缺乏統(tǒng)計(jì)穩(wěn)健性（茍等人，2019；高等人，2018）；（2）流體侵入技術(shù)：高壓MIP（大孔隙>50納米）（蔡等人，2016；張等人，2017）、低溫N?吸附（LT-N?）（中孔隙2–50納米和小大孔隙）（張等人，2022；李等人，2019）和CO?吸附（LT-CO?）（微孔<2納米）（張等人，2022；李等人，2019）；（3）非破壞性方法（如低場(chǎng)NMR）用于快速、無損分析（姚等人，2010）。
盡管在煤巖孔隙結(jié)構(gòu)研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在許多挑戰(zhàn)和未解決的問題。一方面，煤巖孔隙系統(tǒng)具有高度復(fù)雜性和變異性，其孔隙結(jié)構(gòu)覆蓋從納米到微米多個(gè)尺度。這種固有的復(fù)雜性使得孔隙結(jié)構(gòu)的定量和定性表征極具挑戰(zhàn)性，經(jīng)常導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)不確定性。另一方面，現(xiàn)有的表征方法和技術(shù)仍存在固有局限性，以往的研究往往依賴有限的分析技術(shù)范圍，限制了孔隙表征的廣度，無法進(jìn)行全面的多尺度分析（茍等人，2019；高等人，2018；蔡等人，2016；張等人，2017；張等人，2022；李等人，2019；姚等人，2010）。特別是傳統(tǒng)方法無法捕捉深部煤層（埋藏深度>2000米）的完整孔隙-裂隙系統(tǒng)——從納米孔（<2納米）到微裂隙（>1微米）——從而導(dǎo)致對(duì)深部煤層氣體儲(chǔ)存、遷移和脫附動(dòng)態(tài)的理解不完整。此外，準(zhǔn)確確定和評(píng)估吸附氣體與游離氣體的比例也是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方法（如USBM方法）在計(jì)算巖心采樣過程中的氣體損失時(shí)存在較大誤差，尤其是在含有游離氣體的情況下。缺乏針對(duì)性的表征導(dǎo)致對(duì)深部CBM的多尺度孔隙結(jié)構(gòu)和氣體存在情況的了解不足，為深部CBM的勘探和開發(fā)帶來了關(guān)鍵的知識(shí)空白。
為了解決這些空白，本研究對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地中南部深部J?x煤層進(jìn)行了多尺度定量表征。采用了一種綜合多種先進(jìn)分析技術(shù)的協(xié)同方法：場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）直接觀察微裂隙和納米孔形態(tài)；高壓汞侵入孔隙度測(cè)量（MIP）量化大孔隙（>50納米）的喉部分布；低溫N?/CO?吸附分別表征中孔隙（2–50納米）和微孔（<2納米）；微計(jì)算機(jī)斷層掃描（μ-CT）實(shí)現(xiàn)孔隙-裂隙連通性的三維可視化；核磁共振（NMR）分析流體-巖石相互作用和孔徑分布；變圍壓測(cè)試模擬原位應(yīng)力引起的孔隙演化。同時(shí)，為了準(zhǔn)確確定煤層氣（CBM）的存在狀態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)室和原位測(cè)量的結(jié)合計(jì)算了吸附氣體和游離氣體的含量：進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)以確定最大甲烷吸附容量（朗繆爾體積），并進(jìn)一步計(jì)算儲(chǔ)層條件下的吸附氣體含量；同時(shí)進(jìn)行原位壓力保持巖心采樣并實(shí)時(shí)測(cè)量氣體含量，從而得出游離氣體含量（通過減去計(jì)算出的吸附氣體含量得出）。基于多技術(shù)表征數(shù)據(jù)（如FE-SEM、MIP、低溫N?/CO?吸附和μ-CT的數(shù)據(jù)），建立了一個(gè)統(tǒng)一的孔隙-裂隙分類系統(tǒng)——符合IUPAC標(biāo)準(zhǔn)和煤的特定地質(zhì)特征——包括四個(gè)類別：微孔（<2納米）、中孔隙（2–50納米）、大孔隙（>50納米）和微裂隙（寬度>1微米）。這一標(biāo)準(zhǔn)化分類框架使得能夠系統(tǒng)地量化評(píng)估煤層氣（CBM）儲(chǔ)存和遷移潛力的關(guān)鍵孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)：孔隙體積（反映總氣體儲(chǔ)存空間）、比表面積（表征吸附位點(diǎn)的豐富程度，特別是對(duì)于微孔）和孔隙連通性（評(píng)估流體流動(dòng)路徑，主要來自μ-CT和NMR數(shù)據(jù)）。目標(biāo)是揭示孔隙結(jié)構(gòu)特征和CBM生成機(jī)制，加深對(duì)深部?jī)?chǔ)層的理解，并為高效開發(fā)深部CBM提供基礎(chǔ)。
區(qū)域構(gòu)造背景
準(zhǔn)噶爾盆地位于中國(guó)西北部的新疆維吾爾自治區(qū)，是一個(gè)具有復(fù)雜構(gòu)造演化歷史的大型復(fù)合沉積盆地。作為中國(guó)第二大內(nèi)陸盆地，準(zhǔn)噶爾盆地周邊分布著廣泛的古生代地層，是中國(guó)CBM資源最豐富的盆地之一。其南部邊緣是深部CBM勘探的戰(zhàn)略目標(biāo)，最近在侏羅紀(jì)深部（>2000米）煤層氣方面取得了突破（郭等人
樣品分析
水分含量（Mad）范圍為1.40%至4.53%（平均2.18%），屬于低水分煤。灰分含量（Ad）變化較大（2.68%–43.83%，平均10.68%），樣品S2的灰分含量異常高（43.83%），可能是因?yàn)槌练e過程中陸地碎屑輸入增加。高灰分含量會(huì)抑制吸附能力，這與先前的觀察結(jié)果一致。揮發(fā)物含量（Vd）范圍為19.33%至32.68%（平均26.56%），具有中高揮發(fā)性的特征
全尺度孔隙體積
不同的孔隙表征技術(shù)和計(jì)算模型在量化特定孔徑范圍方面表現(xiàn)出不同的性能。高壓汞侵入孔隙度測(cè)量（MIP）、低溫N?吸附、CO?吸附和微CT掃描各自具有可靠的“主導(dǎo)范圍”，能夠可靠地表征孔隙和裂隙：（1）CO?吸附：在相對(duì)較高的壓力下，微孔隙因快速擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)而被有效填充，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確
結(jié)論
- （1）
準(zhǔn)噶爾盆地中南部的深部J?x煤屬于中等品位，揮發(fā)物含量中等偏高（平均26.56%），灰分含量中等偏低（平均10.68%）。礦物以鏡質(zhì)體（平均44.3%）和惰質(zhì)體（平均48.9%）為主，主要礦物成分是粘土礦物和石英。
- （2）
多尺度孔隙表征顯示，孔隙大小分布以大孔隙（>50納米，平均67.7%）為主，其次是微孔隙（<2納米，平均27.9%），還有少量其他類型
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
陳忠紅：撰寫——原始草稿、研究、數(shù)據(jù)管理、概念化。董克功：撰寫——原始草稿、概念化。姚偉江：監(jiān)督、項(xiàng)目管理。胡鑫：監(jiān)督、項(xiàng)目管理、研究。金曉杰：方法論、研究。徐鷗：研究。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。
致謝
本研究得到了以下項(xiàng)目的財(cái)政支持：（1）新疆維吾爾自治區(qū)的關(guān)鍵研發(fā)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2024B03002）；（2）中國(guó)石油集團(tuán)有限公司的關(guān)鍵應(yīng)用科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2023ZZ18-2）；以及（3）中國(guó)石油新疆油田的重大科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2024XJZX0302）。我們感謝編輯和審稿人的寶貴意見，這些意見對(duì)研究工作具有重要意義
