貴州金佳礦區(qū)煤儲層孔隙結構及等溫吸附特征

唐代學，劉 文*，婁 毅，邵林杰，陽富芹

(1.貴州省地礦局117地質大隊，貴州 貴陽 550018；2.貴州盤江煤層氣開發(fā)利用有限責任公司，貴州 貴陽 550081)

1 引言

范俊佳等的研究表明，煤儲層的孔隙極為發(fā)育，從不足1 nm到最大可達數(shù)mm(胡廣青 等，2011)；由于煤體結構、構造作用、孔隙結構、變質程度等的不同，煤層氣在煤儲層中的賦存狀態(tài)差異較大，同時也對煤層氣的吸附、解吸、擴散和滲流有重要的影響(范俊佳 等，2013；黨廣興 等，2017；李慧 等，2019)。貴州正式實施瓦斯治理行動，研究煤儲層的孔隙結構及瓦斯吸附特征，對預防瓦斯災害及煤層氣勘探開發(fā)具有比較重要的意義(沈仲輝 等，2017)。金佳礦區(qū)位于貴州盤州市中部，礦區(qū)具有構造復雜、可采煤層層數(shù)多、瓦斯壓力及含氣量高、煤層氣資源量大等特點；本文通過金佳礦區(qū)的煤層氣參數(shù)井，運用掃描電鏡、壓汞測試、甲烷等溫吸附實驗等對金佳礦區(qū)主要煤儲層孔隙及吸附性特征分析研究，為礦區(qū)煤層氣開發(fā)提供理論數(shù)據及參考價值。

2 礦區(qū)概況及樣品采集

壓汞試驗采用美國麥克公司AuotoPore IV 9500全自動壓汞儀，進汞壓力最大228 MPa，能探測到孔徑5 nm以上的孔隙。運用德國蔡司公司ZEISS SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電子顯微鏡觀測煤中的孔隙和裂隙發(fā)育特征。等溫吸附試驗采用高壓容量法，按照《煤的高壓等溫吸附試驗方法》(GB/T19560-2008)進行甲烷吸附試驗，試驗溫度為恒定30℃?；A測試按照《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T212G-2008)及《顯微煤巖類型分類》(GB/T15589-2013)測定，煤樣基本測試結果見表1。

表1 主要煤層煤樣基礎測試

3 掃描電鏡

通過掃描電鏡觀察金佳礦區(qū)主要可采煤層孔縫發(fā)育類型，礦區(qū)煤孔隙受構造、壓實變形，氣體活動、礦物溶蝕、充填、礦物分布等影響發(fā)育較多類型的孔縫，孔縫形態(tài)多樣，孔徑大小不一，對煤層氣的賦存、吸附、滲流等有重要的影響。

礦區(qū)原生孔主要發(fā)育在有機組分中，一般在鏡質體或絲質體成群或帶狀密集分布，原生孔孔徑分布較大，從幾納米到幾十至幾百微米均有發(fā)育；圖1(a)鏡質體中可見定向、似定向或串珠狀成煤植物自身發(fā)育的細胞結構孔，孔徑最大可達174 μm；原生孔可見清晰輪廓，孔隙邊緣較圓滑，孔隙之間基本不連通，無礦物質充填；隨壓實作用的增加及煤演化的推進，部分原生孔隙被高嶺石、綠泥石、伊利石、石膏、黃鐵礦、硅質、石英微晶體等礦物質充填，圖1(a)中部分胞腔孔被致密高嶺石集合體充填，礦物質的充填對煤層氣的富集起反作用；如圖1(b)，絲質體因壓實遭受劇烈變形，發(fā)育大量孔縫，增大了煤層吸附性及賦存空間；氣孔主要賦存于有機質中，生氣量大，可孤立或成群、帶狀密集分布；如圖1(c)所示，在鏡質體中成群發(fā)育大量氣孔，氣孔之間也很少連通，孔徑大小從不足10 nm到1 μm均有分布；氣孔是煤化作用階段由生氣和聚氣作用形成的，氣孔分布與氣體活動強度有關(劉金霖 等，2018)。

煤中碳酸鹽巖類、長石、和方解石等可溶性礦物質在氣、水長期作用下被溶蝕而形成溶蝕孔(張慧，2001)；圖1(d)石英微晶在酸性條件下發(fā)生溶蝕并與片狀高嶺石集合體充填孔隙，石英微晶棱角及顆粒邊緣清晰；礦物溶蝕較為少見且多單獨出現(xiàn)。礦物鑄?？锥嗍怯牲S鐵礦顆粒因硬度差異在有機質上形成印坑(張慧，2001)，圖1(e)中，粒狀及草莓狀黃鐵礦呈團窩狀順層分布于鏡質體內部，在鏡質體上可見清晰的印坑，孔徑大小受黃鐵礦顆粒大小的影響，孔隙邊緣黃鐵礦顆粒印跡清晰，鑄?？字g及與其他孔縫連通性差。

金佳礦區(qū)煤儲層賦存比較多的礦物質，礦物質多定向或順層分布，粒間孔就存在于各種礦物質之間，成礦物質的形態(tài)多樣，造就了不同形態(tài)、大小的粒間孔。如圖1(e)、(f)分布于鏡質體上的黃鐵礦顆粒、具生長紋的方解石微晶間就賦存較多的粒間孔，擴大了煤層氣的賦存和吸附空間；此外諸如硅質、石英微晶、粒狀及草莓狀黃鐵礦、方解石微晶、層狀黏土礦物集合體、高嶺石、伊利石、綠泥石等礦物質賦存于有機質表面，表面孔隙增加煤孔隙的比表面積及孔容，增強了煤層氣的吸附性。

圖1 煤樣掃描電鏡煤樣孔隙照片

表2 主要煤層煤樣壓汞測試數(shù)據

4 壓汞試驗及分析

壓汞試驗采用逐步加壓的方式，向煤巖中逐步注入液態(tài)汞，根據汞的注入量和退出量可以分析煤巖中孔隙連通性，孔隙大小、孔徑分布、孔隙度等特征；壓汞測試結果見表2。

4.1 壓汞曲線

不同煤樣的進汞與退汞曲線有不同的壓汞滯后環(huán)，根部孔隙滯后環(huán)寬度、進汞、退汞體積差不同，分析不同煤樣孔隙的基本形態(tài)及連通性。根據礦區(qū)主要煤層壓汞測試結果，不同煤樣壓汞曲線有三種。

圖2 代表性煤樣壓汞曲線類型

4.2 孔容、比表面積

5 變質程度對孔隙性的影響

圖3 變質程度與孔隙度關系

根據金佳礦區(qū)煤的壓汞孔隙結構分析，對煤的孔容和比表面積影響較大的是中孔和微孔，微孔的含量決定了孔容和比表面積的大小，而中孔的含量大能較大程度增加總孔容。圖4可知，孔隙度越大，開放孔含量越高，總孔容越高，兩者呈比較明顯的正相關；微孔占比越多，總比表面積越大，吸附性能越強；孔隙度和平均孔徑的大小能一定程度反映出微小孔的數(shù)量占比，孔隙度和平均孔徑越大，比表面積越小；而金佳礦區(qū)煤樣孔隙平均孔徑與孔容、總比表面積的關系不明顯；如圖4，隨孔隙度的增加，總比表面積也隨之增加，這與一般認為孔隙度與總比表面積呈負相關的認識(唐書恒 等，2008；蔡佳麗 等，2011；趙興龍 等，2010；高為 等，2016；劉金霖 等，2018)也是相反的。

圖4 孔隙度與總孔容、總比表面積關系

產生這一現(xiàn)象的原因可能是10#、18#煤埋深較大，受壓實作用，其孔隙度、孔容和比表面積相對減小；而7#、22#、24#煤樣因埋深相對較淺，多為糜棱結構煤，受構作用影響，煤樣中存在較多的孔隙及裂隙，增大了煤樣的平均孔喉半徑及孔隙度，煤樣總孔容增加，裂隙也增大了煤樣的比表面積；同時由于煤樣無機組分含量大于35%，含量高，無機組分之間及無機組分自身為孔容和比表面的貢獻較大，使得煤樣的孔容和比表面積增大。

6 等溫吸附特征

煤的等溫吸附試驗是評價煤層氣吸附能力的重要方法，Langmuir理論可以定量表征甲烷吸附特征，按照蘭氏方程對等溫吸附試驗結果擬合得到蘭氏壓力VL、蘭氏體積PL、吸附常數(shù)a、b及相關系數(shù)R；a代表煤層的最大吸附能力，其數(shù)值等于VL，a越大，煤儲層吸附能越強；b代表煤層到達甲烷最大吸附量的速度，b越小，煤儲層吸附甲烷越快(沈仲輝，2017)。

圖5 甲烷等溫吸附試驗曲線圖

礦區(qū)不同煤樣的甲烷等溫吸附結果如圖5、表3所示，不同煤樣的等溫吸附曲線具有相同的特征，特別是在壓力小于1MPa時，各煤層的吸附曲線基本重合；甲烷吸附量隨壓力的升高而增大，實驗中未見最大吸附量的出現(xiàn)；在壓力小于4MPa時，甲烷吸附量快速升高，壓力大于4MPa時，甲烷吸附增長速度逐漸變慢，吸附曲線逐漸趨于平緩，很難在吸附更多的甲烷。

表3 甲烷等溫吸附試驗擬合結果

圖6 總比表面積與VL關系

煤中甲烷的吸附量取決于吸附空間和吸附能力；吸附空間影響因素為孔容和比表面積，較多研究(胡廣青，2011；黨廣興 等，2017；沈仲輝，2017；韓勇 等，2017)認為孔容和比表面積越大，吸附空間越大，吸附量就越大；吸附能力主要由孔隙結構、空隙連通性決定，退汞效率越低，孔隙連通性越好。金佳礦區(qū)煤中VL隨總比表面積變化關系見圖6，可見金佳礦區(qū)甲烷最大吸附量并不是隨總比表面積的增加而增加，兩者的關系并不明顯；其他諸如VL與總孔容、PL與總比表面積及總孔容、VL與孔隙連通性(退汞效率)的關系與之類似，說明金佳礦區(qū)煤儲層孔隙結構對甲烷吸附性的影響有限；礦區(qū)煤儲層甲烷吸附特征應是受埋深、變質程度、構造作用、孔隙結構、顯微組分、煤體結構等多種因素共同作用的結果。

7 結論

(1)金佳礦區(qū)煤層中發(fā)育較多的原生孔、氣孔及張性裂隙，次生孔隙主要為粒間孔，礦物溶蝕孔、礦物鑄?？紫鄬^少；裂隙及孔隙之間存在的大量無機組分為煤層氣吸附提供了空間，張性裂隙與孔隙連通時，能極大改善煤層氣滲流能力。

(3)礦區(qū)3#、24#煤甲烷吸附速率最快，吸附能力最強；礦區(qū)煤儲層孔隙結構對甲烷吸附性的影響有限。綜合考慮煤質、顯微組分、煤體結構、孔隙及吸附性特征等，礦區(qū)煤層氣開發(fā)應以3#煤層為主要目的層。