《International Journal of Hydrogen Energy》：Influence of pore space of deep coal reservoirs on gas occurrence: A case study of Daning-Jixian area
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本研究分析鄂尔多斯盆地东缘丹宁-鸡西区块九种煤样，利用HPMI、LTGA-N2和LPGA-CO2多尺度表征技术，揭示孔隙结构以U型分布为主，微孔占比最高（77.72%），吸附气主要赋存于微孔，而大孔及微裂隙主导自由气渗流通道，建立多尺度孔隙-裂隙气赋存模型，为深层煤bed methane开发提供理论支撑。
作者：季玉松、李松、侯伟、李永洲、陈默、杨世壮、张开超、周汉淼
中国地质大学（北京）能源资源学院，北京，100083，中国
摘要
深部煤层储层的孔隙空间特性对于评估和开发煤层气资源至关重要。本研究使用气体吸附和汞侵入技术分析了丹宁-济县区块的9个煤样，以研究多尺度孔隙-裂隙结构。通过气体含量测试和高压甲烷吸附实验，探讨了孔隙结构对气体赋存的影响。研究表明，该地区的孔径分布主要为U形，其中微孔占比最高，其次是 macropores（大孔）和 microfractures（微裂隙）。随着微孔的发展，吸附气体含量增加。分形维数（D）用于表征孔隙结构的复杂性；较高的D值表明大孔和微裂隙发育良好，从而增强了游离气体的储存能力。吸附气体填充在微孔中，而中孔则将储存空间与渗流通道相连。大孔和微裂隙作为主要的渗流通道，将气体与外部储存空间连接起来。
引言
随着全球能源转型的加速，深部煤层气（CBM）已成为一种重要的非常规天然气资源。高效开发深部煤层气对于确保能源安全和推进碳中和具有重要意义[[1], [2], [3]]。在深部煤层中，甲烷主要以吸附态和游离态存在[4]。煤层的吸附能力和孔隙空间的储存能力是决定煤层气含量的关键因素。然而，深部煤层储层在孔隙结构、气体赋存和迁移机制方面与浅层储层存在显著差异，这给传统的煤层气开发理论带来了挑战。
深部煤层作为主要的气体储层，在高应力和高温条件下，其气体赋存特性主要受孔隙-裂隙系统控制。孔径分布和结构特征在调节煤层气的吸附-解吸动态和迁移机制中起着关键作用[[5], [6], [7], [8]]。最近的进展加深了我们对深部煤层气储层孔隙结构特性的理解[[9], [10], [11], [12]]。煤层气赋存状态将孔隙和裂隙分为以下类型：微孔（<2 nm）、中孔（2-50 nm）、大孔（50 nm-10 μm）和微裂隙（>10 μm）[13,14]。孔隙的不同尺度、比例和特性显著影响煤层气的吸附、解吸、扩散和迁移过程。储层孔隙结构的分类和研究方法主要借鉴了页岩储层的研究方法[15,16]。通过高压汞侵入（HPMI）、低温氮吸附（LTGA-N?）和低压CO?吸附（LPGA-CO?）技术对孔隙-裂隙结构进行了全尺度表征，揭示了基于孔径的气体含量变化[[17], [18], [19], [20]]。进一步的分析，包括常规孔隙度测量、甲烷等温吸附测试和低场核磁共振（NMR），阐明了可流动流体空间、游离气体储存潜力以及微观结构在控制深部煤层气赋存中的作用[[21], [22], [23], [24]]。
许多学者进行了大量实验研究，以探讨深部煤层储层中孔隙结构与气体赋存之间的关系[[25], [26], [27], [28]]，从而初步形成了对深部煤层气特性的共识[[29], [30], [31], [32]]。深部煤层具有异质性的多尺度孔隙结构，孔隙结构通常表现为微孔和微裂隙的双峰分布。然而，中孔和大孔的发育程度存在显著差异[33]。微孔主要控制吸附气体的赋存，而微裂隙则主要控制游离气体的储存和产出。不过，深部煤层气储层中复杂的气体饱和行为，特别是其对孔隙-裂隙结构的依赖性，可能会限制气体含量[[34], [35], [36]]。
现有研究主要集中在不同尺度孔隙结构参数的定量表征上，而对多尺度孔隙空间与气体含量之间关系的系统研究仍较为有限。这一限制阻碍了人们对深部煤层气储层空间特性的全面理解。因此，本研究分析了来自鄂尔多斯盆地东缘丹宁-济县区块7口井的9个煤样。通过采用多尺度孔隙表征技术（包括HPMI、LTGA-N?和LPGA-CO?），建立了定量方法来表征深部煤层储层的全尺度孔隙-裂隙结构，从而揭示了其孔径分布特征。基于Washburn方程和FHH模型，计算了不同尺度孔隙的分形维数，并进一步明确了分形参数、孔隙结构与吸附气体和游离气体含量之间的定量关系。这种方法有助于填补现有研究中关于孔隙空间异质性与气体含量之间关系评估的空白[37,38]。此外，通过引入甲烷压缩因子，定量确定了深部煤层储层中游离气体的赋存空间，并建立了以“微孔填充、中孔扩散和大孔/微裂隙渗流”为特征的多尺度孔隙-裂隙气体赋存模型。本研究为鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气资源的勘探和开发提供了科学依据。
样本
丹宁-济县区块位于鄂尔多斯盆地东缘，横跨伊山斜坡和山西西侧褶皱带。该区域以相对宽阔、坡度平缓的单斜构造为特征。从西到东，该区块包含四个不同的构造带：西坡带、中坡带、太原背斜带和东坡带（图1）。西坡带是一个宽阔且坡度平缓的区域，地层倾角较小。
煤层储层的孔隙特性
根据Hodot（1996）的研究，煤样中的孔隙可以分为微孔（<2 nm）、中孔（2 nm–50 nm）、大孔（50 nm–1000 nm）和微裂隙（>1000 nm）。其中，微孔和中孔具有吸附特性，其发育程度决定了煤层中吸附气体的储存能力。微裂隙和大孔则是游离气体的主要流动通道[46,47]。
完整的孔隙结构特征
煤层储层的全孔隙结构表征主要取决于适用孔径范围和每种分析方法的测量精度，每种方法的最佳孔径区间下限作为孔隙连接的依据[37,51,52]。基于对各种实验技术原理和计算模型的分析，选择2 nm和50 nm作为三种方法的孔径连接点：高压汞侵入（HPMI）、低温氮吸附（LTGA-N?）和低压CO?吸附（LPGA-CO?）。
结论
本研究定量表征了丹宁-济县区块8号煤层的多尺度孔隙结构，并阐明了其对煤层气赋存的控制机制，主要结论如下：
- (1)
定量分析显示，研究区域的孔径分布主要为U形，其中微孔占比最高（平均77.72%），其次是大孔和微裂隙（平均18.77%）。
吸附气体含量主要受...
作者贡献声明
季玉松：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、软件使用、方法论设计、数据分析。
李松：撰写 – 审稿与编辑、指导工作、方法论设计、资金获取、概念构思。
侯伟：软件使用、数据采集、资金获取、数据分析。
李永洲：资源获取、数据分析。
陈默：数据采集。
杨世壮：数据可视化处理。
张开超：方法论设计、数据分析。
周汉淼：数据采集。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42130802和42072198）、中国石油集团有限公司的科学技术计划（“深部煤岩气聚集理论及高效开发技术研究”，2023ZZ18YJ）以及中国石油集团有限公司的煤层气科学技术项目（“鄂尔多斯盆地东缘上古生代煤层的基础地质研究”）的资助。
