砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型及其對(duì)含水層富水性的影響
——以檸條塔井田為例

王蘇健，馮 潔，侯恩科，黃克軍，薛衛(wèi)峰，段會(huì)軍

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065; 2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 3.三秦學(xué)者“礦山地質(zhì)學(xué)”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，陜西 西安 710065; 4.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

受沉積環(huán)境的影響，陜北侏羅紀(jì)煤田砂巖含水層在空間上巖性、巖相、富水性等特征差異較大，錦界煤礦實(shí)際涌水量與勘探階段預(yù)測(cè)涌水量甚至相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，影響含水層富水性的因素眾多[1-2]，檸條塔煤礦南翼S1210工作面頂板直羅組基巖風(fēng)化帶在初次來(lái)壓后大面積出水，最大涌水量達(dá)1 300 m3/h，至今仍有400 m3/h涌水量，工作面被淹停產(chǎn)，損失巨大。因此，理清影響含水層富水性的因素及其影響程度是富水性預(yù)測(cè)與礦井防治水工作急需解決的難題。對(duì)于巖性、巖相與富水性關(guān)系的研究已取得了一定成果，武強(qiáng)等[3]選取砂泥質(zhì)量比、巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)等巖性指標(biāo)預(yù)測(cè)了含水層富水性;侯恩科等[4]對(duì)比紅柳林煤礦風(fēng)化基巖巖性組合與鉆孔單位涌水量，認(rèn)為粗砂巖含量大的強(qiáng)風(fēng)化基巖厚度大、裂隙孔隙發(fā)育，富水性相對(duì)較好;代革聯(lián)等[5]根據(jù)砂體的展布規(guī)律將檸條塔煤礦直羅組地層在垂向上分為辮狀河沉積相、辮狀河三角洲沉積相、曲流河沉積相和濱淺湖沉積相3段，直羅組砂巖厚度越大，富水性越強(qiáng)，直羅組沉積相與地層的富水性之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。目前，尚未從微觀角度研究砂巖孔隙結(jié)構(gòu)與富水性的關(guān)系，研究致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的方法與成果較多，研究方法主要有薄片鑒定[6-7]、掃描電鏡法[8-9]、壓汞法[10-12]、核磁共振法[13-15]、微米/納米CT法[16]等，成果集中于孔隙-喉道的特征(形狀、大小、分布、連通性等)、孔隙類型劃分、不同類型孔隙與產(chǎn)能(油、氣)的關(guān)系。筆者通過(guò)對(duì)檸條塔煤礦不同巖性砂巖的巖樣進(jìn)行普通薄片、鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振等實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究直羅組、延安組砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

陜北侏羅紀(jì)煤田是我國(guó)最大煤田、世界七大煤田之一，煤炭資源儲(chǔ)量約2 216億t，占全陜西省煤炭資源總量的53.5%，煤質(zhì)優(yōu)良，開(kāi)采條件相對(duì)簡(jiǎn)單。檸條塔煤礦是陜西煤業(yè)化工集團(tuán)公司在神府礦區(qū)興建的特大型礦井，核定生產(chǎn)能力1 800萬(wàn)t/a。井田位于陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠東南緣。地形西北、西南高，中部低，面積約119.77 km2。井田鉆探揭露的地層由老至新依次為三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)，侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y),直羅組(J2z)、新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)，第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)，第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)，第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙(Q4eol)和沖積層(Q4al)。含煤地層為延安組，含可采煤層8層，分別為1-2上，1-2,2-2上，2-2,3-1,4-2,4-3,5-2煤層，其中主要可采煤層為2-2,3-1,4-2,5-2層。檸條塔井田含水層、隔水層劃分及其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

2 砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

巖石孔隙空間[17]為一個(gè)復(fù)雜的立體孔隙(廣義)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可按其在地下水儲(chǔ)存和流動(dòng)過(guò)程中所起的作用分為孔隙(狹義)和孔隙喉道兩個(gè)基本單元，被巖石骨架顆粒包圍著并對(duì)地下水儲(chǔ)存起較大作用的相對(duì)膨大部分稱為孔隙(圖1)，在擴(kuò)大孔隙容積中所起作用不大，但在溝通孔隙形成通道中起著關(guān)鍵作用的相對(duì)狹窄部分稱為喉道，也就是說(shuō)孔隙通道最寬大的部分稱作孔隙，其含量決定巖石的存儲(chǔ)能力，最細(xì)小的部分稱作喉道，喉道對(duì)地下水流動(dòng)的影響更大，其大小控制巖石的滲流能力。李易霖等[18]運(yùn)用X-CT掃描成像技術(shù)研究了不同孔滲的樣品孔隙喉道的形態(tài)、尺寸，得出喉道半徑較窄是造成樣品的實(shí)測(cè)滲透率較低的主要原因的結(jié)論。

表1 檸條塔井田含(隔)水層劃分及其主要參數(shù)

圖1 巖石孔隙結(jié)構(gòu)示意(據(jù)張厚福修改，1999)

2.1 微觀孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試

本次微觀孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試在檸條塔煤礦采集7塊直羅組、延安組不同巖性巖樣，運(yùn)用普通薄片、鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振等技術(shù)開(kāi)展巖樣孔喉特征研究。巖樣采集信息與孔隙度、滲透率見(jiàn)表2。

(1)普通薄片與鑄體薄片。普通薄片與鑄體薄片測(cè)試成果見(jiàn)表3，普通薄片獲得粗砂、中砂、細(xì)砂、極細(xì)砂、粉砂所占比例，鑄體薄片測(cè)得平均孔喉比、平均配位數(shù)，以此將檸條塔煤礦砂巖孔隙結(jié)構(gòu)分為3類。

由表3可知，直羅組孔隙結(jié)構(gòu)整體較延安組好，粗粒砂巖所占比例高，孔隙大，儲(chǔ)存地下水的能力強(qiáng)，孔喉比、平均配位數(shù)大，說(shuō)明連通性好，利于地下水流動(dòng)。為更加清楚、直觀的觀察孔隙結(jié)構(gòu)，利用Matlab軟件圖像二值化功能處理鑄體薄片成果，如圖2所示。

表2 巖樣基本物性參數(shù)

表3 普通薄片與鑄體薄片測(cè)試成果匯總

圖2 典型巖樣鑄體薄片與處理后二值化圖對(duì)比

相同地層時(shí)代相同巖性孔隙結(jié)構(gòu)特征:圖2(a)，(b)與圖2(c)，(d)為直羅組地層粗中粒砂巖圖像對(duì)比，結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知，相同地層時(shí)代相同巖性巖樣孔隙度值接近，但氣測(cè)滲透率Y-W1-2-2-2巖樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Y-K8-2-1巖樣，分別為1 662×10-15,11.9×10-15m2，推測(cè)主要原因在于巖樣風(fēng)化程度影響滲透率。

相同地層時(shí)代不同巖性孔隙結(jié)構(gòu)特征:圖2(c)，(d)與圖2(g)，(h)為直羅組粗中粒砂巖與含灰質(zhì)粉砂巖。前者以粗、中、細(xì)砂為主，后者則為細(xì)、極細(xì)、粉砂;雖然兩塊巖樣均風(fēng)化，但前者巖石內(nèi)孔隙多為粒間孔，平均孔喉比8.28，分布較均勻，平均配位數(shù)0.46，連通性較好，自生黏土薄膜內(nèi)含微孔隙，后者巖石內(nèi)未見(jiàn)孔隙。

不同地層時(shí)代相同巖性孔隙結(jié)構(gòu)特征:圖2(a)，(b)與圖2(e)，(f)為直羅組與延安組粗中粒砂巖圖像對(duì)比，結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知，直羅組地層中砂巖粗粒比例高于延安組，直羅組巖石內(nèi)孔隙發(fā)育，多為粒間孔，分布較均勻，連通性較好，自生黏土薄膜內(nèi)含微孔隙;延安組微孔主要分布在自生黏土內(nèi)，微孔面孔率約3%，巖石內(nèi)未見(jiàn)其他可測(cè)孔隙。因此，直羅組地層相比延安組地層地下水易于流通，若煤層開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙帶溝通該含水層，容易造成水害事故，同時(shí)也利于頂板水疏放。

(2)高壓壓汞法。壓汞法又稱汞孔隙率法，首先由里特(H.L.RITTER)和德列克(L.C.DRAKE)提出，基于汞對(duì)巖體表面具有不可潤(rùn)濕性，外壓越大，汞進(jìn)入孔半徑越小，根據(jù)不同外壓下進(jìn)入孔中汞量可獲得相應(yīng)孔大小的孔體積，從而評(píng)價(jià)巖石孔隙大小、分布等特征。本次壓汞測(cè)試使用麥克9505高壓壓汞儀進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法參照GB/T 29171—2012《巖石毛管壓力曲線的測(cè)定》。按照毛管壓力曲線形態(tài)將檸條塔煤礦7塊巖樣孔隙結(jié)構(gòu)劃分為3種類型，具體劃分標(biāo)準(zhǔn):排驅(qū)壓力Pc≤0.1 MPa，孔隙結(jié)構(gòu)為Ⅰ類;0.1 MPa1 MPa，孔隙結(jié)構(gòu)為Ⅲ類(圖3,表4)。

圖3 毛管壓力曲線分布

表4 巖石毛管壓力曲線主要特征參數(shù)

一般認(rèn)為排驅(qū)壓力的大小及毛管壓力曲線平臺(tái)的高低受孔徑大小決定，孔徑越小，排驅(qū)壓力越大且毛管壓力曲線平臺(tái)越高，相反，孔徑越大，排驅(qū)壓力越小且毛管壓力曲線平臺(tái)越低;毛管壓力曲線越平緩，分選越好;分選越好、歪度越粗，滲透率越高。

由圖3,表4可知，Ⅰ類型巖樣毛管壓力曲線平臺(tái)高，排驅(qū)壓力低，分選系數(shù)為5.416 3，分選差，歪度0.374，較細(xì)歪度，最大孔喉半徑大，達(dá)40.540 5 μm;Ⅱ類型巖樣中毛管壓力曲線平臺(tái)降低，近于一條斜線，比Ⅰ類型曲線平緩，分選系數(shù)變小，分選較差，歪度變粗，直羅組Y-K8-2-1巖樣曲線位于延安組Y-SK8-2-2巖樣下方，前者分選系數(shù)大于后者，說(shuō)明前者比后者分選好，前者最大孔喉半徑較后者大，排驅(qū)壓力較后者小，表明前者孔、滲性好于后者;Ⅲ類型巖樣毛管壓力曲線比Ⅱ類型平臺(tái)更低，更平緩，因此，分選系數(shù)更小，分選更好。

高滲儲(chǔ)層具有的一般特征為分選越好、歪度越粗;低滲儲(chǔ)層歪度越粗、分選越差，其滲流性能反而更好[19]。本文所取巖樣普遍分選一般，歪度細(xì)，如Ⅰ類型巖樣分選最差，歪度最細(xì)，但最大孔喉半徑大，排驅(qū)壓力低，使得滲透性增加，氣測(cè)滲透率1 662×10-15m2，滲透率與其他巖樣相差3個(gè)數(shù)量級(jí)。

(3)核磁共振法。核磁共振技術(shù)根據(jù)核磁共振弛豫機(jī)制和巖石物性測(cè)量原理，當(dāng)飽和水的巖石處于均勻磁場(chǎng)的情況下，核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2與孔喉半徑呈正比關(guān)系，通過(guò)獲得巖石的孔隙半徑分布曲線，反映巖石孔隙結(jié)構(gòu)[20]。本次核磁共振測(cè)試采用MARAN DRX2核磁共振分析儀進(jìn)行，參照SY/T 6490—2014《巖樣核磁共振參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量規(guī)范》，核磁孔隙度8.6%～26.9%，核磁束縛水飽和度0.80%～30.64%。

核磁共振T2分布與孔隙結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，其形態(tài)特征主要與巖芯的孔隙結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，一般認(rèn)為T2譜峰的位置受孔徑大小決定;孔徑越小，T2譜峰的位置越靠前，相反，孔徑越大，T2譜峰的位置越靠后。研究區(qū)巖樣測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 核磁共振T2譜分布

圖4為3種孔隙結(jié)構(gòu)類型的核磁共振T2譜形態(tài)特征，由圖4可看出Y-W1-2-2-2號(hào)巖樣T2譜主峰的位置靠后，Y-SK8-1-2,Y-W1-2-4-1,Y-W1-2-3-1,Y-K8-4-2號(hào)巖樣T2譜主峰的位置靠前，Y-SK8-2-2,Y-K8-2-1號(hào)巖樣T2譜主峰的位置介于前面7塊巖芯中間，綜上，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類型巖樣孔徑依次減小，對(duì)應(yīng)孔隙度依次減小。

2.2 高壓壓汞與核磁共振聯(lián)合測(cè)試

高壓壓汞和核磁共振均可很好地反映孔隙半徑與孔隙度之間的相關(guān)關(guān)系[21]，研究巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。高壓壓汞最大進(jìn)汞壓力大，有效分析范圍大，從壓汞毛管壓力曲線中衍生出多種有關(guān)孔隙結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)，主要有排驅(qū)壓力、最大喉道半徑、中值壓力、中值半徑、主流喉道半徑、滲透貢獻(xiàn)率等，但加壓速率較難控制，易產(chǎn)生次生裂縫，影響測(cè)試結(jié)果精度;核磁共振T2分布與孔隙結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，可反映巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，具有快速、無(wú)損害等特點(diǎn)，但無(wú)法將T2分布轉(zhuǎn)換為孔隙半徑分布曲線。因此，本文聯(lián)合高壓壓汞與核磁共振法獲得孔喉半徑分布，轉(zhuǎn)換方法參考文獻(xiàn)[22]采用冪函數(shù)對(duì)T2分布構(gòu)造核磁共振毛管壓力曲線，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，高壓壓汞與核磁共振所得孔隙半徑分布基本一致，核磁共振計(jì)算孔隙半徑稍大于高壓壓汞，差異主要由薄膜束縛水體積部分引起，原因在于壓汞法不能將巖石所有孔隙中的薄膜束縛水完全甩干，部分孔隙空間被薄膜束縛水占據(jù)，從而所測(cè)孔隙半徑減小;核磁共振檢測(cè)到的信號(hào)全部為水相信息。何雨丹等[23]、朱林奇等[24]在對(duì)比研究壓汞與核磁兩種方法時(shí)均提出薄膜束縛水對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

3 砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)含水層富水性的影響

不同沉積相形成于不同的沉積環(huán)境，沉積相控制巖性，巖性控制微觀結(jié)構(gòu)，包括孔隙大小、孔隙之間的聯(lián)通性、滲透性等特征。在含水層沒(méi)有補(bǔ)給量的條件下，含水層具有定期的出水能力，含水層的富水性，主要決定于含水層的儲(chǔ)存量和含水層的導(dǎo)水性。本文僅探討含水層沒(méi)有補(bǔ)給量條件下的富水性，《煤礦防治水細(xì)則》(2018年)附錄2中給出了含水層富水性的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，按照鉆孔單位涌水量(q)將含水層富水性分為4級(jí)，弱富水性(q≤0.1 L/(s·m))、中等富水性(0.1 L/(s·m)5.0 L/(s·m))。筆者通過(guò)對(duì)典型巖樣進(jìn)行普通薄片、鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振等實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)合鉆孔單位涌水量、氣測(cè)滲透率研究不同地層、不同巖性、不同區(qū)域砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)含水層富水性的影響，見(jiàn)表5。

圖5 高壓壓汞與核磁共振轉(zhuǎn)換孔隙半徑分布

表5 砂巖微觀結(jié)構(gòu)與鉆孔單位涌水量統(tǒng)計(jì)

3.1 相同地層時(shí)代相同巖性不同風(fēng)化程度條件下砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)含水層富水性的影響

Y-W1-2-2-2巖樣與Y-K8-2-1巖樣同屬直羅組地層粗中粒砂巖。微觀孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試成果顯示前者孔隙度稍大、最大孔喉半徑高達(dá)40.540 5 μm，儲(chǔ)存地下水能力強(qiáng)，孔喉比、平均配位數(shù)大，連通性好，滲透率大，屬于Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)類型;鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示前者鉆孔單位涌水量q為0.070 7 L/(s·m)，后者鉆孔單位涌水量q為0.165 3 L/(s·m)。兩塊巖樣均風(fēng)化，普通薄片檢測(cè)含2%自身黏土，具有很強(qiáng)的親水性，風(fēng)化后遇水膨脹、泥化、裂隙容易被壓實(shí)彌合，會(huì)降低滲透性;兩塊巖樣中粗砂、中砂粒度砂巖含量差不多。孔隙結(jié)構(gòu)屬Ⅰ類、富水性弱的主要原因在于，風(fēng)化程度，侯恩科等[4]以鄰區(qū)紅柳林井田為例，研究認(rèn)為風(fēng)化程度越強(qiáng)，富水性越好，Y-W1-2-2-2巖樣屬弱風(fēng)化，Y-K8-2-1巖樣屬中等風(fēng)化，結(jié)果與紅柳林井田研究成果相吻合。綜上，相同地層時(shí)代相同巖性條件下，富水性強(qiáng)弱與風(fēng)化程度成正比。

3.2 相同地層時(shí)代不同巖性條件下砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)富水性的影響

Y-K8-2-1巖樣與Y-SK8-1-2巖樣同屬直羅組地層，前者為粗中粒砂巖，后者為含灰質(zhì)粉砂巖。微觀孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試成果顯示前者屬Ⅱ類，后者屬Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu);前者鉆孔單位涌水量為0.165 3 L/(s·m)，富水性中等，后者鉆孔單位涌水量0.034 6 L/(s·m)，富水性弱。綜合，相同地層時(shí)代條件下，粗中粒砂巖較粉砂巖富水性強(qiáng)，Y-K8-2-1巖樣位于推測(cè)古直羅河區(qū)域，這也是檸條塔煤礦南翼S1210工作面頂板直羅組風(fēng)化基巖突水的主要原因。

3.3 不同地層時(shí)代相同巖性條件下砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)富水性的影響

Y-W1-2-2-2巖樣與Y-SK8-2-2巖樣同屬粗中粒砂巖，前者為直羅組、后者為延安組。微觀孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試成果顯示前者屬Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)，后者屬Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)，前者粒度為粗砂含量40%，后者為32%;前者鉆孔單位涌水量q為0.070 7 L/(s·m)，后者鉆孔單位涌水量q為0.034 6 L/(s·m)，說(shuō)明直羅組Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)較延安組Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)好，富水性直羅組較延安組強(qiáng)。

4 結(jié) 論

(1)陜北侏羅紀(jì)煤田侏羅系砂巖富水性差異大，通過(guò)砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試研究砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)比鉆孔抽水試驗(yàn)單位涌水量分析微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性之間的關(guān)系，可為砂巖含水層富水性預(yù)測(cè)與礦井防治水工作提供依據(jù)。

(2)采用普通薄片、鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振等實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)與Matlab圖像處理技術(shù)對(duì)檸條塔煤礦典型巖樣進(jìn)行微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究，結(jié)合鉆孔抽水試驗(yàn)單位涌水量大小可知:相同地層時(shí)代相同巖性條件下，風(fēng)化程度越強(qiáng)，富水性越強(qiáng);相同地層時(shí)代不同巖性條件下，粗中粒砂巖較粉砂巖富水性強(qiáng);不同地層時(shí)代相同巖性條件下，微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型為Ⅰ類的直羅組較Ⅱ類型的延安組富水性強(qiáng)。