神東礦區(qū)不同埋深弱膠結(jié)砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

李回貴，李化敏，許國勝

(1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

神東礦區(qū)由于其特殊的沉積環(huán)境和沉積過程，造成該地區(qū)地層中存在大量的弱膠結(jié)砂巖地層，其成分特征、微觀結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)特征與常規(guī)砂巖有顯著的差異[1-3]。我國西部地區(qū)雖然降水少，干旱缺水，但該地區(qū)同樣存在嚴(yán)重的水害威脅[4-5]。砂巖的孔隙大小、孔喉大小及連通性對其自身的富水性和滲透性存在顯著影響，與該地區(qū)地層的富水性及水害的形成機(jī)理有關(guān)系。

國內(nèi)外學(xué)者對巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征開展了大量的研究，取得了一系列的重要成果。周科平團(tuán)隊(duì)[6-11]以砂巖、大理巖、花崗巖等為研究對象，采用AniMR-150核磁共振測試分析系統(tǒng)對凍融循環(huán)作用后、卸荷損傷后的孔隙大小、孔徑分布、T2譜特征進(jìn)行了詳細(xì)的研究；宋朝陽等[12]以侏羅系砂巖、泥質(zhì)砂巖為研究對象，采用掃描電鏡對不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；劉欽等[13]以新疆哈密弱膠結(jié)砂巖為研究對象，通過氦孔隙度實(shí)驗(yàn)與壓汞實(shí)驗(yàn)對弱膠結(jié)砂巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；李化敏等[14-16]采用SEM對神東礦區(qū)不同沉積時期砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)、大小以及孔隙分布規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的研究；張嘉凡等[17]以陜北礦區(qū)紅砂巖為研究對象，采用SEM對其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，并建立了巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)與其宏觀水理特性間的聯(lián)系；王蘇健等[18]采用高壓壓汞、核磁共振等實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)對檸條塔井田不同時代地層、不同巖性砂巖微觀孔隙特征進(jìn)行了研究。楊鵬等[19]、王春剛等[20]采用壓汞測試手段對錦界煤礦侏羅系砂巖和榆橫北區(qū)煤層頂板砂巖的孔隙特征進(jìn)行了研究。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者采用壓汞實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡實(shí)驗(yàn)和低場核磁共振實(shí)驗(yàn)對大理巖、花崗巖、砂巖、弱膠結(jié)砂巖等的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，但是對于神東礦區(qū)弱膠結(jié)砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征研究相對較少，不能滿足該地區(qū)礦業(yè)工程、地質(zhì)工程建設(shè)和保水采煤的基礎(chǔ)理論需求，因此，筆者以神東礦區(qū)布爾臺煤礦不同埋深弱膠結(jié)砂巖為研究對象，對其進(jìn)低場核磁共振實(shí)驗(yàn)(NMR)，分析了弱膠結(jié)砂巖的孔隙率、孔徑大小及分布、孔喉半徑。

1 試樣采集與加工及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣采集與加工

弱膠結(jié)砂巖試樣采集于神東礦區(qū)布爾臺煤礦，經(jīng)過防震膜包裝之后，裝入巖芯盒打包運(yùn)送到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，對采集的巖芯進(jìn)行取芯、切割、磨平后制成Φ50 mm×50 mm的試樣。弱膠結(jié)砂巖的試樣共分為4組，A組試樣～D組試樣都為粗粒砂巖，試樣的埋深分別為92.14～94.30 m、118.40～120.69 m、242.27～242.95 m、317.86～320.33 m。試樣參數(shù)見表1。

表1 弱膠結(jié)砂巖的基本參數(shù)表Table 1 Basic parameters of weakly cemented sandstone

1.2 試驗(yàn)方案

NMR試驗(yàn)采用蘇州紐曼生產(chǎn)的MesoMR23-060H-I中尺寸核磁共振分析與成像系統(tǒng)，該設(shè)備的主磁場為0.5 T，頻率為21.3 MHz。 實(shí)驗(yàn)前需要將試件在水中進(jìn)行真空包和2 h，飽水壓力為100 kPa；然后運(yùn)用核磁共振測試儀對12個不同埋深粗粒砂巖(A組試樣～D組試樣)進(jìn)行T2譜測試，然后運(yùn)用該設(shè)備對其孔隙率及孔喉進(jìn)行測試。

2 不同埋深弱膠結(jié)砂巖的T2譜分布

低場核磁共振實(shí)驗(yàn)的T2譜可以反映巖石內(nèi)部的孔隙率及尺寸。T2值的大小與孔隙尺寸成正相關(guān)；T2譜曲線譜面積與孔隙數(shù)量正相關(guān)，譜面積越大，孔隙的數(shù)量就越多；單個譜峰的面積和峰值與相應(yīng)尺寸的孔隙數(shù)量正相關(guān)[21]。

圖1為不同埋深砂巖的T2譜特征，表2為不同埋深砂巖的譜面積分布統(tǒng)計(jì)表。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，布爾臺煤礦埋深為92.14～94.30 m的粗粒砂巖存在3個波峰，第一波峰占比為18.58%～34.53%，平均值為26.86%；第二波峰占比為64.70%～80.57%，平均值為72.11%；第三波峰占比為0.77%～1.46%，平均值為1.03%。埋深為118.40～120.69 m的粗粒砂巖也存在3個波峰，第一波峰占比為15.23%～20.23%，平均值為17.65%；第二波峰占比為79.58%～84.50%，平均值為82.20%；第三波峰占比為0.00%～0.27%，平均值為0.15%。埋深為242.27～242.95 m和317.86～320.33 m的粗粒砂巖都存在2個波峰，第一波峰占比分別為98.77%～99.21%和99.05%～99.30%，平均值分別為99.06%和99.18%；第二波峰占比分別為0.79%～1.23%和0.70%～0.95%，平均值分別為0.94%和0.82%。結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析和圖1可知，隨著埋深的逐漸增加第一波峰逐漸減小，并與第二波峰合并成第一波峰，這主要是由于隨著埋深的逐漸增加，弱膠結(jié)砂巖內(nèi)部的微小孔減少，小孔和中大孔逐漸增加導(dǎo)致的；隨著埋深的增加，最大波峰的峰點(diǎn)時間逐漸減小，這說明埋深對其中大孔孔徑有顯著的影響，孔徑逐漸減小。不同埋深弱膠結(jié)砂巖最后1個波峰的峰點(diǎn)時間都很大，基本都在600 ms左右，這說明不同埋深弱膠結(jié)砂巖內(nèi)部存在一定量的微裂隙。4種不同埋深砂巖的T2譜波形連續(xù)性很好，這說明其內(nèi)部的孔隙連通性好。4種埋深弱膠結(jié)砂巖的孔隙率分別為39.180%、36.132%、44.782%、19.732%，這說明隨著埋深逐漸變大，弱膠結(jié)砂巖的孔隙率有逐漸減小的趨勢。

圖1 不同埋深弱膠結(jié)砂巖的T2譜分布Fig.1 T2 spectrum distribution of weakly cemented sandstone with different buried depths

表2 不同埋深弱膠結(jié)砂巖的T2譜面積和孔隙參數(shù)表Table 2 T2 spectral area and pore parameters of weaklycemented sandstone with different buried depths

3 不同埋深弱膠結(jié)砂巖孔徑分布分析

根據(jù)核磁共振弛豫機(jī)制，對于孔隙材料，孔隙中流體的橫向弛豫速率1/T2可近似表示為式(1)[11,22]。

(1)

式中：S為孔隙表面積，cm2；V為孔隙體積，cm3；ρ2為橫向表面弛豫強(qiáng)度，μm/ms。

由于孔隙半徑與孔隙喉道孔徑成正比，式(1)可簡化為式(2)[11,22]。

(2)

式中：r為孔隙半徑，μm；Fs為幾何形狀因子(球狀孔隙，F(xiàn)s=3；柱狀孔隙，F(xiàn)s=2)。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[22]，巖石類Fs取值為2，ρ2的取值范圍一般為1～10 μm/ms，本文取其中值5 μm/ms，代入式(2)中可以化簡成式(3)。

r=10T2

(3)

根據(jù)式(3)將不同埋深弱膠結(jié)砂巖的T2譜分布圖進(jìn)行轉(zhuǎn)化，如圖2所示。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，不同埋深弱膠結(jié)砂巖的孔徑存在差異。砂巖為多孔介質(zhì)，國內(nèi)外學(xué)者對其孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分的研究，但是對于孔徑劃分標(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，周科平等[23]認(rèn)為砂巖小孔為r<100 μm，中孔為100 μm1 000 μm；李杰林等[11]認(rèn)為小孔為r≤1 μm，中孔為1 μm5 000 μm)。

圖2 不同埋深弱膠結(jié)砂巖孔徑分布圖Fig.2 Pore size distribution of weakly cementedsandstone with different buried depths

根據(jù)以上劃分標(biāo)準(zhǔn)對弱膠結(jié)砂巖的孔徑進(jìn)行劃分，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，不同埋深弱膠結(jié)砂巖都明顯存在微孔、小孔、中孔和大孔，但是孔徑占比有所差異；埋深為92.14～94.30 m、118.40～120.69 m和317.86～320.33 m的弱膠結(jié)砂巖存在一定的微裂隙，但是埋深為242.27～242.95 m的弱膠結(jié)砂巖不存在微裂隙。從表3中還可以發(fā)現(xiàn)，不同埋深弱膠結(jié)砂巖的微孔分別為4.40%、1.45%、2.12%、1.50%，這說明微孔在弱膠結(jié)砂巖中的比例相對較??；小孔分別為30.79%、20.61%、20.85%、24.37%；中孔分別為49.34%、40.30%、61.98%、53.71%；大孔分別為15.25%、37.39%、15.05%、19.76%；微裂隙分別為0.21%、0.25%、0%、0.66%。 以上數(shù)據(jù)分析說明弱膠結(jié)砂巖雖然存在5種不同類型的孔徑，但是以中小孔為主，大孔次之，小孔、中孔和大孔之和都在90%以上。

表3 按5類孔徑劃分的弱膠結(jié)砂巖巖樣孔隙分布比例Table 3 Proportional variations of pore sizes of weaklycemented sandstone specimens classified bypore radius of five kinds

4 不同埋深弱膠結(jié)砂孔喉分布分析

孔喉大小與弱膠結(jié)砂巖的滲透性以及孔隙連通性有關(guān)，且地下水的賦存和運(yùn)移也對其有影響。研究我國西部地區(qū)弱膠結(jié)砂巖的孔喉大小有助于進(jìn)一步理清該地區(qū)水的賦存、運(yùn)移規(guī)律。圖3為不同埋深弱膠結(jié)砂巖的孔喉分布圖。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，不同埋深弱膠結(jié)砂巖的孔喉以小于0.10 μm為主，分別占比83.97%、63.50%、85.68%和80.52%；孔喉半徑在0.10～0.16 μm之間占比相對較小，分別占比為7.18%、11.08%、6.18%、7.38%；孔喉半徑在0.16～0.25 μm之間占比與前兩者相比有所減小，分別為5.20%、11.39%、4.95%、6.04%；孔喉半徑在0.25～0.40 μm之間占比也有所減小，分別為0.75%、5.09%、0.81%、1.76%；孔喉半徑大于0.40 μm的占比非常小，分別為1.44%、6.64%、0.95%、2.93%。

圖3 不同埋深弱膠結(jié)砂巖孔喉分布圖Fig.3 Pore throat distribution of weakly cemented sandstone with different buried depths

5 結(jié) 論

1) 布爾臺煤礦埋深為92.14～94.30 m、118.40～120.69 m、242.27～242.95 m和317.86～320.33 m，弱膠結(jié)砂巖的孔隙率分別為39.180%、36.132%、44.782%、19.732%，隨著埋深的增加有減小的趨勢。

2) 4種不同埋深砂巖的T2譜分布存在顯著差異，隨著埋深的增加，T2譜由3個波峰向2個波峰轉(zhuǎn)變，第一波峰和第二波峰逐漸合并在一起，T2譜的波形連續(xù)性好，這說明巖石內(nèi)部不同直徑的孔隙連通性好。

3) 弱膠結(jié)砂巖孔徑可以分為5類：微孔(r≤5 μm)、小孔(5 μm5 000 μm)，孔徑以中小孔為主，大孔次之。

4) 不同埋深弱膠結(jié)砂巖的孔喉半徑存在差異，但孔喉半徑都是以小于0.10 μm為主，0.10～0.16 μm次之。