基于多重分形理论的低阶煤孔隙结构非均质性及影响因素研究

摘要

我国低阶煤层气勘探开发备受关注，低阶煤中丰富的纳米孔隙对煤层气赋存与富集具有重要影响。然而低阶煤孔隙成因类型复杂，孔径分布非均质性强，采用传统几何理论分析难度大，是当前储层精细量化评价亟须突破的瓶颈。采集吐哈盆地西山窑组低阶煤钻孔岩心样品为研究对象，采用场发射扫描电子显微镜、低压CO₂和N₂吸附实验，表征分析低阶煤孔隙发育形貌、成因类型及孔径分布特征。引入多重分形理论，定量分析低阶煤孔隙结构非均质性，并探讨地质控制因素和机制。研究结果表明，低阶煤样品主要发育3种类型孔隙：有机质孔（包括残留植物组织原生孔隙和次生气孔）、无机矿物粒内孔（包括溶蚀孔和晶间孔）以及基质颗粒间隙的粒间孔。低阶煤样品微孔（<2 nm）孔径呈双峰分布，优势孔径位于0.5～0.7 nm和0.8～1.0 nm;介孔（2～50 nm）孔径呈单峰分布，优势孔径集中在5～20 nm。多重分形分析表明低阶煤微孔与介孔均具有多重分形分布特征，奇异性谱[α-f（α）]呈上凸抛物线形态，广义维谱[q-D（q）]呈反“S”形态，其中奇异性谱宽度Δα与Hurst指数H可用于定量分析孔隙非均质性和连通性。相比于介孔，低阶煤微孔表现出更强的非均质性和较差的连通性。孔隙非均质性影响因素分析表明，在低阶煤热变质演化及物理压实过程中，介孔结构非均质性逐渐增强，而微孔结构非均质性变化不明显。随着固定碳含量增加，低阶煤孔隙结构非均质性增强而连通性减弱；灰分产率与孔隙非均质性呈负相关，与孔隙连通性呈正相关。本研究为储层孔隙结构及其非均质性定量化评价提供了理论依据。

关键词

孔径分布 / 非均质性 / 多重分形 / 低阶煤 / 煤层气

基金资助

国家重点研发计划(2024YFC2909400); 国家自然科学基金项目(42202190); 江苏省自然科学基金项目(BK20221147); 国家资助博士后研究人员计划(GZC20233002)