大宁—吉县区块位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡与晋西挠褶带之间，山西组5号煤和太原组8号煤为主要的煤岩发育段^[1]。其中太原组8号煤层埋深主要为2000~2400m^[2]，顶面呈南东高、北西低的单斜构造，预测资源量近3000×10⁸m³，已提交探明储量超1400×10⁸m³，勘探开发前景广阔。8号煤层受海平面升降影响发育多个短期沉积旋回，沉积演化过程中多次发育泥坪沉积^[3]，导致煤层内部易形成煤岩与薄泥岩交互分布，发育多套夹矸层，且煤层内部薄层夹矸在单井和井间差异变化大，煤层结构变化快，加剧了煤层气藏的不均一性^[4]。单一煤层内部夹矸发育的复杂程度对储层储集性能、含气性及敏感性均有重要影响，一方面夹矸增加了煤岩灰分含量，降低煤层吸附能力，含气量较低；另一方面夹矸分布使煤层结构变得复杂，对于保持煤储层完整性及煤层气的生成不利^[5]。

前人多利用测井解释方法对煤层段夹矸进行识别及分析，张莉莉等认为夹矸层在成像测井图上显示为清晰的暗色条带，能谱曲线上Th、U值高，密度值高于纯煤层段，电阻率低于纯煤层段^[6]。郭广山等认为夹矸层表现出中—低密度（1.2~1.6g/cm³）、中—高自然伽马（60~110API）特征^[7]。但由于分辨率的限制，厚度小或泥质含量相对低的夹矸层在测井曲线上很难有效识别^[8]，进而无法全面地对煤层结构进行分析和认识。对于尺度较小的夹矸，通常采用微米CT扫描技术对柱塞样品进行扫描，可以识别出毫米级别的夹矸分布。但受柱塞样品尺寸（直径多为2.54cm或3.8cm）的限制，仅能获得垂向上某一深度处的夹矸细微分布，单个柱塞样品的研究无法获得全井段夹矸分布定量结果。除非对全井段密集钻取柱塞样品，但又会增加实验工作量。整体看，前期研究区关于8号煤储层的研究多集中于孔隙结构方面^[9-13]，而对煤层全井段夹矸结构的精细刻画不足，其对煤层储集能力和含气性等的影响，还缺乏深入研究。勘探生产实际表明，煤层夹矸直接影响煤层气井钻进轨迹、储层改造射孔层位优选^[7]，以及煤层气生产能力。

本文利用螺旋CT扫描技术对煤层夹矸进行高精度的识别，精细刻画了研究区深层8号煤全井段的煤层结构，对研究区8号煤层内部夹矸分布特征、含气性、孔隙发育、物质组成及敏感性特点进行分析，并对比分析了夹矸含量对煤层气井单位厚度稳产日产气量的影响。

全直径螺旋CT扫描是医疗诊断中的常用手段，近年来逐渐在石油勘探行业得到应用^[14]。煤储层具有相对低密度、裂缝夹矸发育且强非均质性的特点，此前学者运用微米CT扫描技术对煤储层的研究主要基于柱塞样品，为非全直径岩心^[15-17]，扫描范围小，代表性较为局限。为了克服此问题，本文使用美国飞利浦Ingenuity全直径螺旋CT扫描仪（图 1）对研究区重点井取心段的全煤层段开展连续扫描和夹矸识别。首先根据岩心深度资料进行整理排序，将扫描样品由浅至深放置于样品台，通常情况下单次扫描长度为1m。设定扫描电压为140kV，电流为100mA，分辨率为146μm×146μm×800μm，开展X射线扫描；在X射线穿过岩心时，不同物质对射线的吸收和衰减程度有差异，从而实现不同物质的区分。然后，采用数学二值法求解衰减数值在扫描剖面上的二维分布矩阵，进而转化为灰度图像，实现岩心内部结构的刻画^[18-19]。

图 1

图 1 全直径螺旋CT扫描仪 Fig. 1 Full diameter core CT scanning instrument

扫描图像可以对煤层结构达到很好的全面表征效果，其中纯黑色部分为煤层裂缝，黑色部分为低灰度、低密度煤岩段，灰白色、亮白色部分为煤层中的无机物，无机物集合体构成煤层夹矸（图 2）。在此基础上，利用数字岩心阈值分割法，借助专业的图像处理分析软件，可计算夹矸层厚度、夹矸层数量（单一煤层内部夹矸的层数）、夹矸含量占比（夹矸累计厚度与整个煤层厚度的比值）等定量参数。

图 2

图 2 大宁—吉县区块H15井8号煤层夹矸识别图版 Fig. 2 Identification plate for gangues in No.8 coal seam in Well H15, Daning-Jixian block

夹矸层加剧了煤层气藏的不均一性，给工业开采带来一定困难^[20]。通过对大宁—吉县区块DJ54井、DJ55井、DJ56井、H15井等8口井煤层段系统开展全直径螺旋CT扫描分析，划分了主要夹矸层类型，明确了研究区主要的夹矸发育分布特征，并结合配套联测的常规分析化验数据，深入分析了夹矸层孔隙发育、含气性、物质组成及敏感性特征。

前人利用测井资料对煤层夹矸分布特征开展了相关研究，研究认为区块8号煤纵向一般发育“一分型”“二分型”和“三分型”三种煤层结构，其中“一分型”煤层夹矸不发育，“二分型”煤层发育一套夹矸，“三分型”煤层发育两套夹矸^[21]。

本次研究对大宁—吉县区块取心井煤层段采用全直径螺旋CT扫描，进行夹矸识别和划分，相比于测井评价方法，全直径螺旋CT扫描方法的精度更高，对夹矸识别更加精细，更有助于明确夹矸的分布特征（图 3、图 4）。研究区深层8号煤夹矸岩性以碳质泥岩为主，夹矸的单层厚度分布在0.02~1.57m，一般厚度小于1m，夹矸总厚度为0.20~2.66m，平均单井夹矸含量约25.16%，平均夹矸密度约为2.3层/m。根据8口井的全直径螺旋CT扫描数据统计结果，不同井间夹矸分布特征差异明显，研究区8号煤层分型复杂，夹矸的非均质性分布将煤层纵向上分隔为5层甚至10层以上，但主要为4~6分型（表 1）。夹矸的发育导致煤层被分割成多个薄层，在压裂作业时，夹矸与煤层的力学差异会形成天然应力屏障，抑制人工裂缝的垂向延伸，促使裂缝优先沿煤层与夹矸的界面扩展。裂缝系统的垂向沟通能力下降，将导致储层体积改造范围受限，从而影响压裂效果。

图 3

图 3 大宁—吉县区块典型井煤层结构测井解释成果图 Fig. 3 Logging interpretation results of coal seam structure in typical wells in Daning-Jixian block

图 4

图 4 大宁—吉县区块全直径螺旋CT扫描煤层典型分型特征图 Fig. 4 Typical classification characteristics of coal seams by full diameter spiral CT scanning in Daning-Jixian block

表 1

表 1 大宁—吉县区块8号煤层夹矸分布特征参数表 Table 1 Parameters of gangue distribution in No.8 coal seam in Daning-Jixian block 井号 夹矸层数 煤层分型 夹矸厚度范围/m 夹矸总厚度/m 夹矸含量/% DJ54 4 5 0.03~0.08 0.20 19.61 DJ55 4 5 0.02~0.08 0.20 15.69 DJ56 5 6 0.02~0.12 0.23 16.45 DJ57 7 8 0.02~0.58 1.51 26.82 DJ58 4 5 0.05~0.20 0.41 28.41 DJ9-3X6 9 10 0.02~1.57 2.66 35.32 H15 10 11 0.03~1.10 2.22 34.99 H18 3 4 0.09~0.72 0.94 23.96

表 1 大宁—吉县区块8号煤层夹矸分布特征参数表 Table 1 Parameters of gangue distribution in No.8 coal seam in Daning-Jixian block

煤层含气性是影响单井产量的重要因素，夹矸的发育程度对煤层含气性会产生重要影响。通常，煤层含气性采用现场自然解吸法进行含气量测试，测试标准为《煤层气含量测定方法》（GB/T 19559—2008），总含气量由保压气、损失气、解吸气及残余气组成，其中保压气为保压取心时保压桶中煤层气，损失气为岩心暴露在空气中损失的煤层气，解吸气为煤样在解吸罐中持续释放的煤层气，残余气为解吸实验结束后将煤岩粉碎释放出的煤层气，4部分总和为煤层总含气量。将夹矸煤层与纯煤层现场含气量测试结果进行对比，可以看出不含夹矸煤层段含气量平均可达20m³/t以上，而夹矸煤层的总含气量一般在10m³/t以下，甚至1m³/t以下（表 2、图 5），表明夹矸的发育会影响煤层含气性。因此，在煤层气勘探与开发过程中，应充分考虑夹矸层的发育特征及其对含气性的影响。

表 2

表 2 大宁—吉县区块DJ57井煤岩和夹矸煤层含气量数据表 Table 2 Gas content data of coal rock and coal gangue in Well DJ57, Daning-Jixian block 序号 深度/m 岩性 保压气/(m3·t-1) 损失气/(m3·t-1) 解吸气/(m3·t-1) 残余气/(m3·t-1) 总含气量/(m3·t-1) 1 1819.90 夹矸煤层 0.04 0.31 0.42 0 0.77 2 1820.49 夹矸煤层 0.45 3.10 3.36 0.16 7.07 3 1820.77 夹矸煤层 0.05 0.07 0.72 0.17 1.01 4 1821.59 煤 2.39 1.63 19.28 0.56 23.86 5 1822.14 煤 2.84 3.84 15.31 0.20 22.19 6 1822.43 煤 3.28 6.58 16.18 0.31 26.35 7 1824.34 夹矸煤层 0.03 0.25 0.17 0.05 0.50 8 1837.70 夹矸煤层 0 0.12 0.32 0.32 0.76 9 1848.62 夹矸煤层 0 0.11 0.51 0.04 0.66

表 2 大宁—吉县区块DJ57井煤岩和夹矸煤层含气量数据表 Table 2 Gas content data of coal rock and coal gangue in Well DJ57, Daning-Jixian block

图 5

图 5 大宁—吉县区块DJ57井不同深度点煤岩和夹矸煤层含气量测试结果图 Fig. 5 Gas content measurement results of coal rock and coal gangue at different depth points in Well DJ57, Daning-Jixian block

通过在高灰度值的夹矸煤层段选取子样进行工业分析实验（图 6），测试结果显示夹矸煤层样品干基固定碳含量介于11.35%~35.78%，平均为20.03%，灰分含量高（表 3）。通过等温吸附实验数据对比来看，夹矸煤层的兰氏体积要远低于煤岩，空气干燥基兰氏体积普遍在10m³/t以下（表 4）。由于灰分中的无机矿物不具备有机质的吸附活性位点，灰分含量升高会显著降低吸附能力。研究区夹矸煤层灰分含量远高于煤岩灰分，其高灰分特性是导致夹矸煤层自身吸附能力低下，进而降低含夹矸煤层段整体吸附储气能力的关键因素。

图 6

图 6 夹矸取样点示意图 Fig. 6 Schematic diagram of gangue sampling points

表 3

表 3 大宁—吉县区块夹矸煤层工业分析数据表 Table 3 Proximate analysis data of coal gangue in Daning-Jixian block 序号 井号 类型 深度/m 空干基水分/% 干基灰分/% 干基挥发分/% 干基固定碳/% 序号 井号 类型 深度/m 空干基水分/% 干基灰分/% 干基挥发分/% 干基固定碳/% 1 DJ-P22-1V 夹矸煤层 2141.14 0.42 56.54 18.71 24.75 2 DJ5-1X3 夹矸煤层 2150.96 0.48 78.06 10.36 11.58 3 H15 夹矸煤层 2412.20 0.40 70.89 12.40 16.71 4 DJ55 夹矸煤层 2135.04 0.29 55.22 9.00 35.78 5 DJ58 夹矸煤层 1976.52 0.52 77.79 10.86 11.35

表 3 大宁—吉县区块夹矸煤层工业分析数据表 Table 3 Proximate analysis data of coal gangue in Daning-Jixian block

表 4

表 4 大宁—吉县区块DJ57井煤岩和夹矸煤层空气干燥基兰氏体积数据表 Table 4 Air-drying basis Langmuir volume of coal rock and coal gangue in Well DJ57, Daning-Jixian block 序号 深度/m 煤号 岩性 空气干燥基兰氏体积/(m3·t-1) 1 1821.59 8号 煤 21.75 2 1821.87 8号 煤 25.72 3 1822.14 8号 煤 30.29 4 1822.43 8号 煤 28.54 5 1824.34 8号 夹矸煤层 0.73 6 1824.61 8号 夹矸煤层 1.04 7 1837.70 8号 夹矸煤层 1.65 8 1848.62 8号 夹矸煤层 0.64 9 1855.71 8号 夹矸煤层 2.29

表 4 大宁—吉县区块DJ57井煤岩和夹矸煤层空气干燥基兰氏体积数据表 Table 4 Air-drying basis Langmuir volume of coal rock and coal gangue in Well DJ57, Daning-Jixian block

前人研究认为，煤岩的孔隙结构是控制煤岩吸附能力最直接的因素^[22-25]，吸附气量与微孔体积、比表面积呈正相关关系，微孔提供大量的吸附点位，为深部煤层气的吸附和赋存提供场所。本次研究选取典型的煤岩和夹矸样品开展孔径测试实验，利用吸附实验、高压压汞及CT扫描联测全孔径拼接方法，得到夹矸煤层和煤岩全孔径分布，结果显示二者孔径分布具有明显差异（图 7），其中夹矸微孔（小于2nm）占比19.41%，介孔（2~50nm）占比4.72%，宏孔（大于50nm）占比75.87%；而煤岩微孔占比48.36%，介孔占比0.63%，宏孔占比51.01%。同时，比表面积分析结果显示，夹矸煤层微孔比表面积为11.4572cm²/g，煤岩微孔比表面积可达110cm²/g以上（表 5），煤岩的微孔比表面积远高于夹矸煤层的微孔比表面积。由于微孔是甲烷分子吸附的主要场所，根据实验结果可以认为研究区夹矸煤层微孔发育远低于煤岩是其吸附性差、对煤层气储集贡献低的重要原因。

图 7

图 7 大宁—吉县区块煤岩、夹矸孔径分布对比图 Fig. 7 Comparison of pore size distribution between coal rock and coal gangue in Daning-Jixian block

表 5

表 5 大宁—吉县区块DJ57井煤岩和夹矸比表面积及孔径分布数据表 Table 5 Specific surface area and pore size distribution of coal rock and coal gangue in Well DJ57, Daning-Jixian block 序号 深度/m 岩石类型 累计孔体积/(cm3·g-1) 微孔比表面积/(cm2·g-1) 微孔比例/% 介孔比例/% 宏孔比例/% 1 1822.14 煤 0.02949 113.9209 — — — 2 1821.59 煤 0.02987 117.5784 48.36 0.63 51.01 3 1822.43 煤 0.03373 122.6731 — — — 4 1819.90 夹矸煤层 0.00287 11.4572 19.41 4.72 75.87

表 5 大宁—吉县区块DJ57井煤岩和夹矸比表面积及孔径分布数据表 Table 5 Specific surface area and pore size distribution of coal rock and coal gangue in Well DJ57, Daning-Jixian block

研究区夹矸岩性以碳质泥岩为主，石英碎屑和泥质发育（图 8）。X-衍射全岩黏土分析结果显示，夹矸矿物成分以黏土、石英为主，黏土含量为61.61%，石英含量为14.96%，方解石、黄铁矿、云母等矿物少量发育（图 9）。其中黏土矿物中以伊利石、高岭石及伊/蒙混层为主，伊利石含量为43.61%，高岭石含量为33.66%，伊/蒙混层含量为16.15%，绿泥石少量发育（图 10）。

图 8

图 8 大宁—吉县区块夹矸煤层镜下特征图 Fig. 8 Microscopic characteristics of coal seam with gangues in Daning-Jixian block

图 9

图 9 大宁—吉县区块夹矸无机矿物类型及含量分布图 Fig. 9 Inorganic mineral types and contents in coal gangue in Daning-Jixian block

图 10

图 10 大宁—吉县区块夹矸黏土矿物类型及含量分布图 Fig. 10 Clay mineral types and contents in coal gangue in Daning-Jixian block

夹矸黏土矿物含量及发育类型对煤层敏感性有重要影响。泥质夹矸所含的速敏性矿物高岭石对岩石颗粒的附着力很差，在流体剪切力的作用下，矿物颗粒极易从岩石颗粒上脱落和破碎，并随流体在孔隙中流动，造成孔隙喉道堵塞。水敏性矿物伊/蒙混层、伊利石则因与流体阳离子交换过程中极易发生水化作用导致黏土矿物膨胀^[26]，两者导致大量敏感矿物微粒生成，这类具有迁移距离大、波及范围广、形变显著的微粒能够造成复杂的渗流通道堵塞^[27]。在煤层气开发方案制定时，应基于开发层的煤层结构、岩性空间变化和敏感性矿物含量，适度应用黏土矿物防膨剂和煤粉稳定剂等，降低黏土矿物的分散程度、增强煤岩表面疏水性和提高煤层在裂隙面的黏附力^[28-30]，以此降低矿物颗粒造成的储层伤害。

“十三五”以来，大宁—吉县区块系统开展了大量的勘探评价工作^[31-32]，在此基础上实施开发先导试验项目，落实了气井产能，直井产气量突破2×10⁴m³/d，展示了良好的勘探开发前景和潜力^[33-36]。但研究区仍存在井间产能差异大、稳产时间短、产能下降明显的突出问题，产能差异影响因素复杂^[37-38]。本文选取研究区完成全直径螺旋CT扫描评价且已投产的直井进行产能影响因素分析。通过收集整理稳产后平均日产气量与测试井段煤层夹矸含量数据（表 6），建立二者相关性散点图，结果显示煤岩基质含量（除泥岩夹矸及方解石、黄铁矿等无机矿物外的纯煤岩部分）与日产气量呈较好的正相关关系（图 11），而夹矸含量则与日产气量呈明显的负相关关系（图 12）。

表 6

表 6 大宁—吉县区块典型井8号煤层平均日产气量与煤岩夹矸参数对应关系数据表 Table 6 Statistics of average daily gas production of coal seam No.8 and corresponding coal gangue parameters in typical wells in Daning-Jixian block 井号 稳产后平均日产气量/m3 单位厚度稳产日产气量/m3 煤岩基质含量/% 夹矸含量/% 煤层分型 夹矸最大厚度/m 夹矸平均厚度/m DJ54 15000 2586 77.78 19.61 5 0.08 0.050 DJ55 37000 7115 83.03 15.69 5 0.08 0.050 DJ56 22000 3793 81.97 16.45 6 0.12 0.046 DJ57 12500 2451 70.50 26.82 8 0.58 0.216 DJ58 7000 1273 70.78 28.41 5 0.20 0.078 DJ9-3X6 3000 429 62.30 35.32 10 1.57 0.157 H15 800 99 61.93 34.99 11 1.10 0.222 H18 2000 294 73.38 23.96 4 0.72 0.313

表 6 大宁—吉县区块典型井8号煤层平均日产气量与煤岩夹矸参数对应关系数据表 Table 6 Statistics of average daily gas production of coal seam No.8 and corresponding coal gangue parameters in typical wells in Daning-Jixian block

图 11

图 11 大宁—吉县区块深层煤层气井煤岩基质含量与单位厚度稳产日产气量相关性图 Fig. 11 Relationship between coal rock matrix content and daily steady gas production of per unit coal seam thickness in deep CBM wells in Daning-Jixian block

图 12

图 12 大宁—吉县区块深层煤层气井夹矸含量与单位厚度稳产日产气量相关性图 Fig. 12 Relationship between gangue content and daily steady gas production of per unit coal seam thickness in deep CBM wells in Daning-Jixian block

为进一步探究产气量与夹矸发育相关参数的关系，开展了煤层分型、夹矸平均厚度、最大厚度与单位厚度稳产日产气量的相关性分析（图 13—图 15），结果显示单位厚度稳产日产气量与煤层分型数相关性较差，与夹矸平均厚度、夹矸最大厚度相关性较好，表明投产后日产气量不仅受夹矸总厚度（夹矸含量）的影响，同时与单个夹矸发育规模有较大关系。从单位厚度日产气量曲线（图 16）来看，开采深层8号煤的H15井、DJ54井和DJ55井，夹矸含量分别为34.99%、19.61%和15.69%，在生产初期日产气量具有相似规律，但夹矸含量更高且单层夹矸厚度为1.10m的H15井很快到达了产量瓶颈期，单位厚度稳产日产气量很低；而夹矸含量相对较低且单层夹矸厚度仅为0.08m的DJ55井，单位厚度稳产日产气量较高。分析认为夹矸的发育降低了煤层总体的有机质含量，同时增强煤层非均质性及敏感性。

图 13

图 13 大宁—吉县区块深层煤层气井煤层分型与单位厚度稳产日产气量相关性图 Fig. 13 Relationship between coal seam classification and daily steady gas production of per unit coal seam thickness in deep CBM wells in Daning-Jixian block

图 14

图 14 大宁—吉县区块深层煤层气井煤层夹矸平均厚度与单位厚度稳产日产气量相关性图 Fig. 14 Relationship between the average single-layer gangue thickness and daily steady gas production of per unit coal seam thickness in deep CBM wells in Daning-Jixian block

图 15

图 15 大宁—吉县区块深层煤层气井单层夹矸最大厚度与单位厚度稳产日产气量相关性图 Fig. 15 Relationship between the maximum single-layer gangue thickness and daily steady gas production of per unit coal seam thickness in deep CBM wells in Daning-Jixian block

图 16

图 16 大宁—吉县区块不同夹矸含量井单位厚度稳产日产气量曲线 Fig. 16 Daily steady gas production curves of per unit coal seam thickness in wells with various coal gangue contents in Daning-Jixian block

煤层有机质富集程度是含气富集的物质基础，煤储层非均质性和敏感性则对压裂效果及排采制度具有重要影响，夹矸大量发育的井应注意适当通过使用防膨剂、煤粉稳定剂及适当地控制排采压差来降低敏感性带来的不利影响。全直径螺旋CT扫描夹矸识别及评价技术有效地反映了研究区煤层纵向非均质性特征，为煤层结构精细刻画、压裂方案设计及合理排采措施制定提供有力的技术支撑。

（1）全直径螺旋CT扫描技术实现了全井段煤层的连续三维精细表征，纵向分辨率达800μm，能精细识别煤层中毫米级夹矸，可量化夹矸厚度、夹矸数量、夹矸含量占比等参数，为研究煤层夹矸分布特征提供了可靠的技术手段。

（2）研究区深层8号煤夹矸以碳质泥岩为主，单层厚度分布在0.02~1.57m，夹矸总厚度为0.20~2.66m，平均单井夹矸含量为25.16%，夹矸发育密度约2.3层/m，夹矸的非均质性分布将煤层纵向上分隔为4层以上，甚至达到11层，夹矸分布特征的差异对井的压裂改造效果会造成影响，并最终影响单井产量。

（3）含夹矸煤层与纯煤层在物理性质上存在明显差异。夹矸煤层段固定碳含量平均为20.03%、兰氏体积小于10m³/t、微孔占比19.41%、含气量小于7.07m³/t，均显著低于纯煤层，由于微孔不发育，导致吸附性差、对煤层气储集贡献低；同时，夹矸中黏土矿物含量占比61.61%，以伊利石和高岭石为主，加剧储层敏感性。

（4）夹矸发育情况与日产气量有较好的负相关性，夹矸含量低、煤层分型少、夹矸平均厚度及单一夹矸最大厚度小的煤层更易获得更高产能。