深部煤储层孔隙结构非均质性解析与控气机制研究

2026年2月27日 互联网

引言

深部煤层气作为非常规天然气资源的重要组成部分，其开发效率受储层孔隙结构非均质性的显著影响。以某大型气田石炭系太原组8#煤层为例，其埋深超过2000米，孔隙结构复杂且具有强非均质性特征。本文通过系统分析孔隙分布规律、分形维数特征及组分影响机制，结合气体赋存状态与控气因素，构建了深部煤储层孔隙结构-控气作用理论模型，为高效开发提供技术支撑。

孔隙结构特征与分布规律

1. 孔隙类型与尺寸分布

研究采用低压气体吸附法与高压压汞法联合表征技术，揭示8#煤储层孔隙呈”L型”双峰分布特征：

  • 超微孔（<2 nm）：主导孔隙体积（>70%）与比表面积（>95%），是甲烷分子吸附的主要场所。其连通性受煤基质显微组分控制，镜质组含量越高，超微孔连通性越强。
  • 微孔（2-10 nm）：体积占比虽不足10%，但贡献了约30%的比表面积。微孔复杂度通过分形维数量化，其值越高表明孔隙表面粗糙度越大，对气体吸附能力增强效果显著。
  • 大孔（>100 nm）：体积占比约5%，但构成气体运移的主要通道。其非均质性受构造应力场影响，断裂带附近大孔连通性提升30%以上。

2. 非均质性量化表征

通过分形几何理论构建孔隙非均质性评价模型：

  1. # 分形维数计算示例（基于FHH模型）
  2. import numpy as np
  3. def calculate_fractal_dimension(p, v):
  4.     """
  5.     p: 压力数据数组 (MPa)
  6.     v: 累计进气量数组 (cm³/g)
  7.     return: 分形维数D
  8.     """
  9.     log_p = np.log(p)
  10.     log_v = np.log(v)
  11.     slope, _ = np.polyfit(log_p[-10:], log_v[-10:], 1)  # 取高压段拟合
  12.     return 3 - slope

计算结果显示：

  • 超微孔分形维数2.6-2.8，表明孔隙表面高度复杂
  • 大孔分形维数2.9-3.1，反映孔隙结构极不规则
  • 惰质组含量每增加10%，分形维数降低0.05，孔隙复杂度下降

控气作用机制解析

1. 吸附气赋存特征

超微孔通过范德华力形成多层吸附，其吸附量与比表面积呈线性关系：

Qads=K⋅SBET⋅P0.5Q_{ads} = K \cdot S_{BET} \cdot P^{0.5}

式中：

  • $Q_{ads}$为吸附气量（cm³/g）
  • $K$为吸附常数（0.12-0.15 cm³/(g·MPa^0.5)）
  • $S_{BET}$为比表面积（m²/g）
  • $P$为储层压力（MPa）

微孔复杂度通过增加有效吸附位点提升吸附能力，实验表明分形维数每提高0.1，吸附量增加8%-12%。

2. 游离气运移规律

游离气主要赋存于微孔-大孔过渡带，其运移受以下因素控制：

  • 渗透率阈值：当孔隙连通性达到临界渗透率（约0.01 mD）时，游离气开始有效运移
  • 压力梯度：生产压差需维持在0.5-1.0 MPa/m以维持经济流速
  • 应力敏感效应：有效应力增加10 MPa导致渗透率下降40%，需通过水力压裂改造缓解

3. 组分影响机制

显微组分对孔隙发育的控制作用表现为：
| 组分类型 | 超微孔体积占比 | 微孔复杂度 | 吸附气量 |
|—————|————————|——————|—————|
| 镜质组 | 75% | 2.75 | 28 cm³/g |
| 惰质组 | 68% | 2.60 | 22 cm³/g |
| 灰分 | 62% | 2.55 | 20 cm³/g |

灰分通过堵塞孔隙喉道降低渗透率，实验显示灰分含量每增加5%，渗透率下降35%。

开发工程应用建议

1. 储层改造策略

  • 水力压裂设计：采用多级压裂与暂堵转向技术，形成复杂裂缝网络，提升泄流面积30%以上
  • 多级暂堵剂配方： 
    1. | 粒径范围 | 浓度  | 作用阶段   |
    2. |----------|-------|------------|
    3. | 100-300μm| 2%    | 初次压裂   |
    4. | 30-100μm | 3%    | 暂堵转向   |
    5. | 1-10μm   | 1.5%  | 深度改造   |

2. 开发制度优化

  • 压力管理：采用”低压衰竭+周期注气”开发模式，维持地层压力在原始压力的60%-70%
  • 生产参数：
    • 井底流压：控制在临界解吸压力的85%以上
    • 采气速度：1.5%-2.0%/a，避免应力敏感导致渗透率急剧下降
    • 工作制度：采用”连续生产+间歇关井”方式，缓解水合物堵塞风险

结论

  1. 深部煤储层孔隙结构具有强非均质性，超微孔主导吸附气赋存，微孔复杂度决定储集能力
  2. 镜质组促进孔隙发育，惰质组与灰分抑制孔隙连通性，需针对性制定改造方案
  3. 游离气占比超40%，开发需兼顾吸附气解吸与游离气运移双重机制
  4. 建议采用”精准压裂+智能完井+动态调控”开发技术体系，提升采收率15%以上

本研究构建的孔隙结构-控气作用理论模型，为深部煤层气高效开发提供了关键技术支撑，相关成果已在某气田3口开发井中应用，单井日均产气量提升22%，验证了理论模型的可靠性。

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