煤储层中裂隙充填物的特征及其研究意义

THE CHARACTERISTICS OF THE FRACTURE FILLINGS IN COAL
　　RESERVOIRS AND ITS STUDY SIGNIFICANCE

Duan Lianxiu　Wang Shengwei　Zhang Ming　(China University of Geoscience)

　Abstract　The fracture fillings are mainly the products resulted by the interactions between the water solution in the fractures of surrounding rocks and the fluid in the coal resrvoirs,and the latter was generated by the pyrolysis of organic macerals and dominated by the gas phase.The location of interaction between both of them had a very important affect on the trap and preservative conditions of CBM pool.The trap condition of CBM pool was good and the gas saturation was high if the inorganic filling was developed only in the surrounding rock;otherwise,the trap condition of it was bad and the gas saturation was low if a great of inorganic filling had developed in the fractures of coal reservoirs.In addition,the inorganic filling had stopped up the fracdture passages in coal reservoirs and had reduced the permeability.
　Keywords　coal seams;fracture;fillings

1　引言
　　煤储层中的微裂隙、内生裂隙和气胀裂隙是煤热演化过程中煤层气大量集中生成与间歇性释放的产物；外生裂隙是在煤储层及相邻围岩中由于构造应力作用而形成的一种裂隙系统。它们为煤层气向外逸散和围岩中流体进入煤储层之中提供了可能的通道^［1］。它们的存在为围岩中的流体与煤储层中流体的相互作用提供了场所。
　　煤储层与围岩中的流体无论是在相态、温度，还是在无机物浓度、pH值，甚至压力上均有明显的差异。煤储层中的流体主要是煤热演化作用的产物，特别是在气煤级以上的煤中，这些流体是以气相为主的有机流体。煤储层中的流体与相邻围岩中的流体相比，温度高、无机沉淀物少、pH值一般较低(这是由于煤中一般含有较高硫分所致)。围岩中的流体多以液相无机流体为主，含有较高的溶解物质，温度一般较煤储层流体的温度低，pH值较高，溶解物质主要以CaCO₃为主。上述两种不同流体通过裂隙系统相遇后，势必形成一种混合流体，当这种流体的温、压和介质条件改变时，就极可能在裂隙中形成沉淀。
　　随着煤储层与围岩中流体参数的变化，这种相互作用的过程会多次发生，因而在裂隙中形成多期次的沉淀作用。
　　两种流体压力的大小决定了其相互作用带的位置。若煤储层内含气饱和度高、流体压力大，那么两种流体相互作用带和沉淀带的位置就位于围岩之中；反之，若煤储层内的流体压力小，那么相互作用带的位置就处在煤储层中。对于一个厚度大于3 m的煤储层而言，其作用带的位置则由含气饱和度来确定。此外，作用带的位置也可由封闭条件来确定，若煤层气藏的封闭条件好，那么煤热演化过程中形成的气量就大，通常不会在煤储层内形成沉淀。若煤储层的裂隙系统与围岩充分连通，那么随着煤层气不断向外扩散和运移，煤储层内流体压力会相对降低，导致围岩中的流体逐渐进入煤储层内并形成沉淀。
　　
2　煤储层中裂隙充填物的基本特征
2.1　充填物的产状
　　煤储层中裂隙充填物通常有两种主要产状：一种是呈薄膜状附着在内生裂隙面上，(厚度为0.001～0.01 mm)或附着在外生裂隙面上；(厚达0.1 mm)(图1A) 另一种则呈几乎完全充满状态充填于裂隙中，并主要分布于外生裂隙和一部分内生裂隙中，其产状呈对称脉状，(图1B) 充填物由两侧向裂隙中心对称生长。

图1　煤储层中裂隙充填物的主要产状
A——呈薄膜状；B——几乎完全充填状

2.2　充填物的矿物成分
　　煤储层裂隙充填物中常见的矿物成分有白铁矿、黄铁矿和方解石^［2］。在我国华北石炭二叠纪煤系中方解石充填最为普遍，特别是在太原组煤的裂隙中表现得最典型，其晶体大多发育良好，时有气体包体。(图2，3)

图2　河北二叠系煤储层中裂隙充填物

图3　河北二叠系煤储层中方解石充填物

2.3　充填物发育带的若干特征
　　以黄铁矿为主的充填物一般仅发育于煤储层的内部。以方解石为主的充填物广泛发育于三个带：一是邻近煤储层的围岩之中；二是煤储层与顶板(局部为底板)的接触面附近；三是煤储层的内部。其总体形状是外大内小，先充填外生裂隙，后充填内生裂隙，方解石充填都有充填的通道。(图4)

图4　煤储层裂隙中方解石充填的通道
Ⅰ——内生裂隙已全充填；Ⅱ——内生裂隙半充填；
　　Ⅲ——内生裂隙未充填。

3　裂隙充填物的形成机理
3.1　物源
　　从充填物的空间分布特征、产状和矿物成分分析中得知，这种充填物是来自不同物源的两种流体相互作用的产物：一种是来自于煤储层内部由煤热演化作用而形成的以有机气相为主的流体；另一种是来自围岩的以液相为主的流体。煤储层中流体的主要特征是温度较高，流体中富HCO₃^－、HS^－和SO₄^2－离子，pH值较低。而围岩中的流体富Fe^3＋、Pb^2＋、Zn^2＋、Cu^2＋、Si^4＋、Ca^2＋、Mg^2＋等阳离子^［3］，其浓度较高、温度较低。
3.2　充填物形成机理及生长方式
　　煤储层中的流体在压力的驱使下沿通道向煤储层外运移，而围岩中的流体在浓度的驱使下沿通道向煤储层内运移。当这两种流体相遇后，由于煤储层中流体的温度较高、pH值较低，并含有大量气体，而围岩中流体的温度低而浓度高，所以必然要形成一个气、液混合的二相流体带。在该带内及外侧，由于温度、压力、pH值、溶液浓度等条件的变化，使煤储层流体中的阴离子(如HCO₃^－、HS^－)与围岩流体中的阳离子(如Ca^2＋)发生反应，产生沉淀^［4］，形成裂隙充填物。充填物的生长方式大致分为两种：一种是充满新生的裂隙；另一种是充满重新张开的裂隙^［5］。(图5)

图5　煤储层中裂隙充填物形成过程示意图
A——充填新生的裂隙；B——充填重新张开的裂隙

　　我国华北煤田常见的充填物是方解石，其次是黄铁矿和白铁矿。其主要反应式如下：

2HCO₃^－＋Ca^2＋→CaCO₃↓＋H₂O＋CO₂

　　若煤储层内含气饱和度高、流体压力大，充填作用就发生在围岩中；若煤储层内的流体压力小，充填作用就发生在煤储层内。
　　
4　研究意义
4.1　充填物的发育程度及其空间位置与煤层气藏封闭和含气饱和度的关系密切。据笔者观察发现，若充填物发育带出现在煤储层的核心部位(如淮南潘二矿背斜的倾伏端，含气饱和度仅0.2左右)，则其封闭条件破坏严重，欠饱和现象明显，表明煤层气通过裂隙已大部分运移到围岩中。若该带不出现在煤储层直接顶底板围岩附近，则表明煤层气藏压力较高，封闭条件较好，含气饱和度高(0.8以上)，与外界缺乏连通。若该带仅出现在部分断层或节理附近，则表明煤层气藏封闭遭到部分破坏，煤储层有机流体逸散，内部压力较低。
4.2　充填物发育带间接地反映了煤层气藏的封闭特征。充填物的存在表明煤储层与围岩之间有明显的裂隙通道相连。这种裂隙通常不是太大，但对于煤储层内部压力体系的破坏是巨大的，而且对于甲烷(CH₄)分子来讲，不是扩散，而是向外流动。
4.3　充填物发育带间接地反映了水文地质条件。笔者观察发现，在充填物中，亦即与煤储层流体作用的外来水溶液中含有大量的阳离子，表明该作用带是地下水的活动范围。这种充填作用可能仅发生一次，也可能发生多次，反映出水文地质条件的变化。
4.4　充填物对煤层气可采性评价的影响。充填物的存在对煤层气藏的封闭保存及产出均不利，它一方面降低了渗透率，另一方面破坏了孔裂隙结构，因此它的存在是一个十分不利的条件。
　　
5　结论
　　a.　煤储层中裂隙充填物通常呈两种主要产状，一种呈薄膜状，另一种呈近乎完全充满状。
　　b.　充填物中常见的矿物成分有：白铁矿、黄铁矿和方解石，其中方解石在我国华北煤田石炭二叠系煤储层中表现最为典型。
　　c.　以方解石为主的充填物通常发育于三个带，一是邻近煤储层的围岩之中；二是煤储层与顶板的接触面附近；三是煤储层内部。
　　d.　充填物的形成是两种不同来源、不同性质的流体在裂隙中相遇并相互作用的结果，这个作用带的位置也是充填物富集带的场所。这两种流体相遇后，由于温度、压力、pH值和溶液浓度等因素的变化而引起化学反应并形成沉淀。
　　e.　充填物作用带的位置与煤层气藏封闭和含气饱和度密切相关。这个带也可间接反映煤层气藏的封闭特征及水文地质条件，对煤层气可采性十分不利。

作者简介：段连秀　女　38岁　编辑　煤田地质

作者单位：段连秀　王生维　张明　(中国地质大学　武汉　430074)