改進(jìn)壓汞表征方法及其在褐煤儲(chǔ)層中的應(yīng)用

劉 丁 ，許 浩 ，湯達(dá)禎 ，辛福東

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院, 北京 100083；2.煤層氣開發(fā)利用國(guó)家工程中心 煤儲(chǔ)層物性實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 非常規(guī)天然氣地質(zhì)評(píng)價(jià)與開發(fā)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083）

0 引 言

壓汞試驗(yàn)可以提供較寬孔徑范圍孔隙的分布數(shù)據(jù)[1]，且原理簡(jiǎn)單、測(cè)試速度快，是目前孔隙結(jié)構(gòu)表征中最常用的手段之一。然而，受褐煤自身性質(zhì)影響，變質(zhì)程度低、質(zhì)軟、表面粗糙，此手段對(duì)該類樣孔隙結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果誤差較大。為提高壓汞試驗(yàn)測(cè)試精度，分析其誤差來源主要包括：麻皮效應(yīng)或粒間孔效應(yīng)[2]、基質(zhì)壓縮效應(yīng)[3]、汞壓縮效應(yīng)[4]以及納米尺度效應(yīng)[5]等。由于納米尺度效應(yīng)主要影響孔徑＜8 nm的微孔表征，而壓汞試驗(yàn)主要用于表征＞100 nm 段孔隙，因此可忽略。此外，汞及儀器自身的壓縮性對(duì)樣品的進(jìn)汞量貢獻(xiàn)也很小，可忽略不計(jì)[6]。故本文重點(diǎn)關(guān)注麻皮效應(yīng)及基質(zhì)壓縮效應(yīng)校正。

麻皮效應(yīng)一般是指汞在進(jìn)入孔隙之前，首先進(jìn)入煤樣表面凹坑或較大切割孔隙（當(dāng)樣品為煤粉時(shí)，首先進(jìn)入煤粒間的孔隙，此時(shí)稱粒間孔效應(yīng)），這部分進(jìn)汞量并不反映煤樣實(shí)際孔隙體積[7]，校正應(yīng)當(dāng)將上述部分進(jìn)汞量除去?；诶塾?jì)進(jìn)汞曲線[8]、分形維數(shù)[2]確定的煤粉樣及通過J 函數(shù)曲線[9]確定的砂巖柱樣排驅(qū)壓力分別為2、0.1、2 MPa。本文將結(jié)合前兩種方法確定研究區(qū)褐煤塊樣麻皮效應(yīng)主要影響壓力段及麻皮系數(shù)。

基質(zhì)壓縮效應(yīng)早在1961 年就由VAN KREVELEN 發(fā)現(xiàn)。由于褐煤壓實(shí)及變質(zhì)程度低，煤質(zhì)松軟易碎，煤樣受基質(zhì)壓縮作用強(qiáng)烈[10-11]，其校正效果直接決定試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)度。FRIESEN 等（1988 年）基于分形理論分析煤樣進(jìn)汞曲線指出，高壓段并非只發(fā)生基質(zhì)壓縮，小、微孔充填也在進(jìn)行，因此以往基于線性假設(shè)的煤基質(zhì)壓縮校正可能是無效的，指出需要其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)幫助區(qū)分壓縮體積和孔隙體積，并給出了校正方程，LI 等[8]（1999 年）進(jìn)一步將方程完善，提出了目前廣泛使用的聯(lián)合液氮吸附及壓汞試驗(yàn)的基質(zhì)壓縮校正方法。

此后關(guān)于煤基質(zhì)壓縮系數(shù)的求取普遍基于上述方法，并逐漸將該系數(shù)作為煤的基本力學(xué)性質(zhì)之一，分析其控制因素[12-15]。但目前使用的基質(zhì)壓縮校正方法具有一定缺陷，首先是累計(jì)進(jìn)汞量及BJH 累計(jì)孔容與壓力成正比的假設(shè)并不符合實(shí)際情況，該假設(shè)本質(zhì)上只使用了首末兩壓力點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，未能充分利用數(shù)據(jù)信息，將產(chǎn)生較大誤差；其次，計(jì)算基質(zhì)壓縮系數(shù)所選孔隙孔徑介于6～110 nm，對(duì)應(yīng)進(jìn)汞壓力跨度大（10～200 MPa）、細(xì)節(jié)反映不足，導(dǎo)致低壓段校正不足、高壓段校正過度；此外，基于基質(zhì)壓縮量與壓力呈正比的假設(shè)，求壓力Pi下煤基質(zhì)體積Vc(Pi)的意義不大，增加了計(jì)算復(fù)雜程度。

筆者基于進(jìn)汞曲線及分形特征確定了研究區(qū)褐煤塊樣的麻皮效應(yīng)影響壓力段，同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)基質(zhì)壓縮校正方法的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步提高了壓汞試驗(yàn)測(cè)試精度?；诟倪M(jìn)后的方法對(duì)來自二連盆地的褐煤樣進(jìn)行壓汞校正，分析了該區(qū)褐煤儲(chǔ)層孔隙發(fā)育特征及煤基質(zhì)壓縮系數(shù)影響因素。

1 樣品及試驗(yàn)方法

1.1 樣品來源及地質(zhì)背景

樣品依據(jù)我國(guó)煤層煤樣采取方法（GB/T 482-2008）[16]采自我國(guó)典型的富低階煤盆地-二連盆地鍺礦6 號(hào)煤層及神華露天礦6 號(hào)煤層新鮮工作面，煤層位于下白堊統(tǒng)賽漢塔拉組（K1s），均為褐煤樣，共計(jì)6 塊，其中木質(zhì)煤（ZK-1、SH-1）、碎屑煤（ZK-2、SH-2）、絲質(zhì)煤樣（ZK-3、SH-3）各2 塊，采樣地點(diǎn)如圖1 所示。

圖1 吉爾嘎朗圖坳陷構(gòu)造與地層Fig.1 Structural and stratigraphic map of Jiergalangtu sag

1.2 試驗(yàn)方法及原理

首先基于煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測(cè)定方法（GB/T 6948-2008）[17]及煤的顯微組分組和礦物測(cè)定方法（GB/T 8899-2013）[18]，通過LeitzMPV-3 顯微分光光度計(jì)測(cè)定煤樣拋光面上平均鏡質(zhì)體反射率（Ro，%），并用數(shù)點(diǎn)法統(tǒng)計(jì)各種顯微組分組及礦物體積分?jǐn)?shù)見表1。

表1 煤樣煤質(zhì)基本信息Table 1 Basic information of coal quality

依據(jù)壓汞法測(cè)定固體材料孔徑分布及孔隙度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 21650.1-2008）[19]對(duì)2 cm×2 cm×2 cm塊煤樣進(jìn)行烘干及抽真空處理，使用AutoPoreⅣ-9500全自動(dòng)壓汞儀進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，最大進(jìn)汞壓力為241 MPa，測(cè)量不同壓力下煤樣內(nèi)非浸潤(rùn)汞液體積，結(jié)合Washburn 方程（式(1)）獲取煤樣孔隙相關(guān)參數(shù)：

其中，P為進(jìn)汞壓力，MPa；r為在進(jìn)汞壓力P下所能探測(cè)的最小孔徑，μm；θ為汞蒸汽和煤表面間的接觸角，試驗(yàn)中煤樣取135°[1]；σ為表面張力，試驗(yàn)中設(shè)定為0.48 J/m2。

依據(jù)氣體吸附法測(cè)定固體材料孔徑分布和孔隙度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 21650.2-2008）[20]對(duì)研磨至60～80目（0.2～0.3 mm）的粉末煤樣進(jìn)行烘干和抽真空處理，采用美國(guó)Micromerities 儀器公司生產(chǎn)的ASAP2020比表面積分析儀進(jìn)行77 K 下液氮吸附試驗(yàn)，測(cè)得不同壓力下氣體吸附量數(shù)據(jù)，根據(jù)Barret-Joyner-Halendar（B-J-H）模型獲取各孔徑段孔隙特征參數(shù)。模型建立基于Kelvin 方程（式(2)）和Haley 方程（式(3)），隨溫、壓控制技術(shù)的進(jìn)步，目前可用于0.4～100 nm 孔徑范圍的孔隙分布測(cè)定[21]，然而受毛管凝聚理論自身限制，該模型的可靠孔隙測(cè)試范圍為2～100 nm[21-22]。

其中σ為表面張力，N/m；rm為曲率半徑，mm；VL為液體摩爾體積，這里為0.034 75 L/mol；T為絕對(duì)溫度，K；R為通用氣體常數(shù)，取8.314 J/（mol·K）。

1.3 麻皮效應(yīng)校正方法

由于進(jìn)汞體積與壓力呈冪律關(guān)系，因此可以用分形幾何解釋[23-24]，結(jié)合分形維數(shù)及進(jìn)汞曲線形態(tài)特征確定煤樣排驅(qū)壓力，校正即去除該壓力點(diǎn)之前由麻皮效應(yīng)導(dǎo)致的進(jìn)汞量，進(jìn)而計(jì)算煤樣麻皮系數(shù)。麻皮效應(yīng)進(jìn)汞量確定方法如下：對(duì)排驅(qū)壓力后一段進(jìn)汞曲線進(jìn)行線性擬合，與y軸截距即麻皮效應(yīng)導(dǎo)致的進(jìn)汞量（圖2）。

圖2 麻皮效應(yīng)校正過程示意（SH-1 樣）Fig.2 Schematic diagram of hemp skin effect correction process (sample SH-1)

本文采用Menger 的海綿體模型（公式(4)）計(jì)算煤樣分形維數(shù)。

其中：dVP/dP由ΔVP/ΔP近似代替，為單位壓力進(jìn)汞量，mL/（g·MPa）；P為進(jìn)汞壓力，MPa；D為分形維數(shù)。

1.4 基質(zhì)壓縮效應(yīng)校正方法

基質(zhì)壓縮體積可近似認(rèn)為與進(jìn)汞壓力呈線性關(guān)系，斜率為KcVc(P0)[2]，其中Kc為基質(zhì)壓縮系數(shù)，MPa-1；Vc(P0)為初始?jí)毫0下的基質(zhì)體積，cm3/g，推導(dǎo)過程如下：Kc由式(5)表示：

整理后得到公式(6)：

解微分方程得公式(7)：

其中：Vr為基質(zhì)壓縮體積，cm3/g；P為進(jìn)汞壓力，MPa；Vc(P0)為初始?jí)毫0下的基質(zhì)體積，cm3/g；由等價(jià)無窮小可知，當(dāng)Kc（P-P0）趨近于0時(shí)，e－Kc(P－Po)－1趨近于Kc（P-P0），而Kc一般在10-4量級(jí)，滿足等價(jià)無窮小替換條件，于是得到公式（8）：

由式（8）可知，當(dāng)進(jìn)汞量完全由基質(zhì)壓縮效應(yīng)貢獻(xiàn)時(shí)，累計(jì)進(jìn)汞量曲線呈線性。

選擇比較可靠的2～100 nm 段液氮吸附測(cè)B-JH 累計(jì)孔容數(shù)據(jù)作為孔隙填充量，通過插值方法（3次B 樣條插值）處理12.5～241 MPa（5～100 nm）的進(jìn)汞量數(shù)據(jù)（241 MPa 為進(jìn)汞壓力上限）及BJH 孔容數(shù)據(jù)，兩者做差即基質(zhì)壓縮體積（Vr），繪制Vr-P曲線，計(jì)算曲線斜率K（即KcVc(P0)）。

根據(jù)壓汞后測(cè)煤樣骨架密度（ρ），獲取加壓至241 MPa 時(shí)的煤基質(zhì)體積Vc(P)（即1/ρ，cm3/g）。之后基于K值計(jì)算煤樣自P0開始，整個(gè)進(jìn)汞過程中的累計(jì)基質(zhì)壓縮體積Vr，進(jìn)而求取初始?jí)毫ο碌拿夯|(zhì)體積Vc(P0)（即Vc(P)+Vr）及煤基質(zhì)壓縮系數(shù)Kc（即K/Vc(P0)，MPa-1）。

2 麻皮效應(yīng)校正

2.1 進(jìn)、退汞曲線形態(tài)特征

根據(jù)壓汞試驗(yàn)測(cè)得研究區(qū)各樣進(jìn)汞體積介于0.093～0.419 mL/g，均值為0.245 mL/g，其中絲質(zhì)煤樣進(jìn)汞量最多，均值為0.406 mL/g，碎屑煤樣次之，均值為0.223 mL/g，木質(zhì)煤樣最低，均值僅0.108 mL/g（表2）。退汞效率介于9.5%～41.5%，均值為21%，整體退汞效率偏低，這是由于褐煤受汞侵入影響，孔隙結(jié)構(gòu)遭破壞、連通性變差導(dǎo)致的[25]，其中木質(zhì)煤退汞效率均值為31.45%，碎屑煤退汞效率均值為21%，絲質(zhì)煤退汞效率均值僅10.5%，這與一般認(rèn)識(shí)的進(jìn)汞量越大、樣品孔隙越發(fā)育、越有利于非潤(rùn)濕相汞的退出相反，結(jié)果表現(xiàn)為進(jìn)汞量最大的絲質(zhì)煤樣反而具有最小的退汞效率，原因可能在于絲質(zhì)煤樣惰質(zhì)組含量高，該組分富含大、中孔隙，而此類孔隙易在進(jìn)汞過程中發(fā)生破壞，使孔隙之間連通性變差、退汞困難。

表2 煤樣壓汞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 2 Mercury injection test results of coal samples

各樣進(jìn)汞曲線普遍在0.2 MPa 附近出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，在10 MPa 附近出現(xiàn)第二個(gè)拐點(diǎn)（圖3），依據(jù)Washburn 方程計(jì)算兩壓力點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)孔寬6.2 μm、0.1 μm。前人測(cè)試的褐煤樣進(jìn)汞曲線也具有相似特征[26]，但少有對(duì)此現(xiàn)象的解釋。筆者結(jié)合鍺礦及神華煤樣的掃描電鏡觀察結(jié)果分析其中原因：SEM 拍攝照片顯示，孔寬＞6.2 μm（對(duì)應(yīng)進(jìn)汞壓力＜0.2 MPa）的孔隙以管胞及胞腔孔為主（圖4a、4b、4c、4f），而0.1～6.2 μm 段孔隙（對(duì)應(yīng)進(jìn)汞壓力0.2～10 MPa）則以紋孔、氣孔為主（圖4a、4c、4d、4e），因此第一個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)可能是由于充填孔隙類型變化導(dǎo)致的。限于掃描電鏡觀察范圍，孔寬＜0.1 μm 的孔隙（對(duì)應(yīng)進(jìn)汞壓力＞10 MPa）難以通過SEM 觀察，根據(jù)張慧等對(duì)孔隙成因類型的認(rèn)識(shí)，該部分孔隙屬鏈間孔、分子結(jié)構(gòu)孔范疇，該類孔隙受變質(zhì)程度影響大，而本次試驗(yàn)測(cè)得的各樣10～241 MPa 壓力段進(jìn)汞體積與Ro相關(guān)性顯著（圖5），反映該段孔以上述兩種類型孔隙為主，因此第2 個(gè)拐點(diǎn)也是由于充填孔隙類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的。

圖3 煤樣進(jìn)汞曲線Fig.3 Mercury injection curve of coal sample

圖4 煤樣掃描電鏡觀察照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of coal samples

圖5 10～241 MPa 壓力段進(jìn)汞量與Ro 相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between mercury intake and Ro in 10-241 MPa pressure section

基于以上認(rèn)識(shí)，將研究區(qū)褐煤塊樣進(jìn)汞過程分為3 個(gè)階段（圖3），分別為管胞、胞腔孔充填及麻皮效應(yīng)進(jìn)汞階段（＜0.2 MPa）、紋孔及氣孔充填階段（0.2～10 MPa）、鏈間孔、分子結(jié)構(gòu)孔充填及基質(zhì)壓縮進(jìn)汞階段（10～241 MPa）。

2.2 排驅(qū)壓力及麻皮系數(shù)

考慮到褐煤樣大孔發(fā)育，進(jìn)汞曲線中由麻皮效應(yīng)導(dǎo)致的進(jìn)汞量大多難以區(qū)分，排驅(qū)壓力不像砂巖一樣易于確定，要確定研究區(qū)塊狀煤樣排驅(qū)壓力及麻皮系數(shù)，就必須選擇低壓段進(jìn)汞量小、較寬孔相對(duì)不發(fā)育的木質(zhì)煤樣（ZK-1、SH-1）。

依據(jù)兩樣品進(jìn)汞曲線及低壓段分形特征確定ZK-1、SH-1 樣的排驅(qū)壓力分別為0.027 MPa、0.014 MPa（圖6），反映出ZK-1 樣在低壓段的平均孔徑更小、較寬孔不發(fā)育。

圖6 排驅(qū)壓力點(diǎn)附近進(jìn)汞曲線及分形特征Fig.6 Mercury injection curve and fractal characteristics near displacement pressure point

注意褐煤塊樣麻皮系數(shù)計(jì)算時(shí)不應(yīng)像砂、泥巖樣品一樣直接使用排驅(qū)壓力對(duì)應(yīng)的進(jìn)汞飽和度，這是由于褐煤樣富含植物組織孔等微米級(jí)孔隙，排驅(qū)壓力對(duì)應(yīng)進(jìn)汞量實(shí)際上包括麻皮效應(yīng)進(jìn)汞及較寬孔隙填充進(jìn)汞兩部分。為確定麻皮效應(yīng)導(dǎo)致的進(jìn)汞量，盡可能消除粗糙表面凹槽填充對(duì)測(cè)試結(jié)果造成的影響，選擇0.027 MPa 作為該區(qū)麻皮效應(yīng)影響截止壓力，此后至0.1 MPa 壓力段進(jìn)汞量與進(jìn)汞壓力呈近似線性關(guān)系（圖7），對(duì)0.027～0.1 MPa 壓力段進(jìn)汞曲線進(jìn)行線性擬合，函數(shù)縱軸截距即麻皮效應(yīng)進(jìn)汞量?；谏鲜龇椒▽?duì)各樣進(jìn)行麻皮效應(yīng)校正，校正結(jié)果見表3，研究區(qū)煤樣麻皮效應(yīng)進(jìn)汞量介于0.003～0.117 mL/g，均值為0.049 mL/g，麻皮系數(shù)介于2.8%～27.8%，均值為16.9%，其中絲質(zhì)煤樣麻皮效應(yīng)進(jìn)汞量最大，均值為0.11 mL/g，碎屑煤樣次之，均值為0.022 mL/g，木質(zhì)煤樣最小，均值僅0.017 ml/g。

圖7 麻皮效應(yīng)進(jìn)汞量確定Fig.7 Determination of mercury input for hemp skin effect

表3 煤樣麻皮效應(yīng)校正結(jié)果Table 3 Correction results of bast effect in coal samples

3 基質(zhì)壓縮效應(yīng)校正

3.1 基質(zhì)壓縮系數(shù)計(jì)算及校正

通過3 次樣條等距插值方法處理孔寬介于5～100 nm 段B-J-H 累計(jì)孔容數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于12.5～240 MPa段進(jìn)汞曲線，插值點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置為60，兩者做差獲取煤樣在各插值點(diǎn)處的基質(zhì)壓縮體積（Vr，cm3/g）。根據(jù)Vr-P曲線形態(tài)對(duì)各樣進(jìn)行分段擬合（圖8），各段擬合函數(shù)斜率記為Kn（n=1, 2, 3, ···），基于此值對(duì)煤樣進(jìn)行基質(zhì)壓縮校正，進(jìn)一步計(jì)算各段基質(zhì)壓縮系數(shù)（Kcn，MPa-1），計(jì)算結(jié)果見表4，具體計(jì)算方法參考1.3，此處不再贅述。這些樣品中，SH-2 樣比較特殊，其進(jìn)汞過程最高加壓至392 MPa，而根據(jù)圖8 所示，該樣在200 MPa 處便發(fā)生破碎，因此無法獲取該樣準(zhǔn)確的初始骨架體積及基質(zhì)壓縮系數(shù)。其余各樣均只加壓至241 MPa，未發(fā)生基質(zhì)破碎或破碎不嚴(yán)重。

為了能在影像分割中刻畫像素的空間相關(guān)性，可用連接邊表達(dá)像素空間位置關(guān)系.為簡(jiǎn)單起見，僅考慮鄰域像素的連接關(guān)系，

圖8 煤樣基質(zhì)壓縮體積隨壓力變化曲線Fig.8 Variation curve of matrix compressed volume of coal sample with pressure

表4 煤樣各壓力段基質(zhì)壓縮體積擬合曲線斜率Table 4 Slope of matrix compression volume fitting curve at each pressure section of coal sample 10-4

研究區(qū)煤樣在進(jìn)汞過程中基質(zhì)壓縮體積介于3.83×10-2～7.92×10-2cm3/g，平均值為5.39×10-2cm3/g，由基質(zhì)壓縮效應(yīng)導(dǎo)致的孔容誤差介于16.4%～68.1%，均值為34.6%（表5）。除SH-2 樣之外，其余煤樣各段基質(zhì)壓縮系數(shù)隨進(jìn)汞壓力增大呈降低趨勢(shì)，進(jìn)汞壓力＜50 MPa 段煤樣基質(zhì)壓縮系數(shù)最大，均值為6.33×10-4MPa-1，50～125 MPa 壓力段基質(zhì)壓縮系數(shù)次之，均值為3.01×10-4MPa-1，125～200 MPa 段基質(zhì)壓縮系數(shù)均值為1.68×10-4MPa-1，＞200 MPa 段基質(zhì)壓縮系數(shù)均值最小，僅1.35×10-4MPa-1。

表5 煤樣基質(zhì)壓縮校正結(jié)果Table 5 Matrix compression correction results of coal samples

表6 煤樣平均基質(zhì)壓縮系數(shù)Table 6 Average matrix compressibility of coal samples

對(duì)比插值校正法與傳統(tǒng)方法對(duì)煤樣進(jìn)汞曲線的校正效果（圖9），新方法較好的解決了傳統(tǒng)方法在低壓段校正不足，高壓段校正過度的現(xiàn)象，校正后進(jìn)汞曲線與B-J-H 累計(jì)孔容曲線基本重合。

圖9 煤樣基質(zhì)壓縮校正結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of matrix compression correction results of coal samples

3.2 平均基質(zhì)壓縮系數(shù)計(jì)算

3.3 煤基質(zhì)壓縮難易程度影響因素分析

基于3.1 節(jié)中的試驗(yàn)結(jié)果，顯而易見，煤基質(zhì)壓縮系數(shù)隨進(jìn)汞壓力增大呈逐漸降低趨勢(shì)，這是由于煤在壓縮過程中，結(jié)構(gòu)逐漸致密導(dǎo)致的。說明在地層狀態(tài)下，隨埋深增加、地層壓力增大，將導(dǎo)致煤越來越難以壓縮。

圖10 與煤有機(jī)質(zhì)、含礦物基惰質(zhì)組含量、Ro 相關(guān)關(guān)系Fig.10 Correlationbetweenand organicmatter, inertinite content in coal samples,Ro

圖11 基質(zhì)壓縮系數(shù)、惰質(zhì)組含量與Ro 相關(guān)關(guān)系Fig.11 Correlation between matrix compressibility, inertinite content and Ro

4 研究區(qū)褐煤孔隙發(fā)育特征

4.1 孔徑分布

以孔寬40 nm 為界，拼接B-J-H 孔容及校正壓汞孔容數(shù)據(jù)，分析煤樣＞1.7 nm 段孔隙結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果顯示，研究區(qū)（二連盆地）褐煤樣（0.33%＜Ro＜0.41%）孔容介于0.031～0.246 cm3/g，均值為0.148 cm3/g，BE-T 比表面積介于2.42～37.19 m2/g，均值為13.85 m2/g（表7）。

表7 煤樣各類孔隙孔容、比表面數(shù)據(jù)Table 7 Data of pore volume and specific surface area of coal samples

根據(jù)霍多特的孔隙分類方案，孔寬＜10 nm 為微孔，10～100 nm 為過渡孔，0.1～1 μm 為中孔，＞1 μm 為大孔，該區(qū)褐煤樣微孔孔容介于0.002 3～0.031 7 cm3/g之間，均值為0.011 2 cm3/g，過渡孔孔容介于0.006 3～0.04 cm3/g，均值為0.015 1 cm3/g，中孔孔容介于0.000 5～0.065 6 cm3/g，均值為0.026 9 cm3/g，大孔孔容介于0.014 8～0.195 5 cm3/g，均值為0.095 3 cm3/g，由微孔至大孔，各徑段孔容呈逐漸增大趨勢(shì)，說明該區(qū)褐煤以大孔為主，其孔容占比均值為54.5%，微孔含量最低，對(duì)應(yīng)孔容占比均值為12.5%，小、中孔孔容相近，其占比均值分別為16.8%和16.2%。

4.2 各段孔隙來源分析

各樣孔徑（直徑）分布曲線呈現(xiàn)出明星的分段特征，分段點(diǎn)為0.1、5 μm，煤樣孔隙基集中分布在＜0.1、0.1～4、＞5 μm 三個(gè)孔徑區(qū)間，各個(gè)區(qū)間內(nèi)峰值點(diǎn)出現(xiàn)在40、0.8、6 μm 左右（圖12）。根據(jù)本文在2.1 中取得的認(rèn)識(shí)，上述孔徑范圍分別對(duì)應(yīng)鏈間孔與分子結(jié)構(gòu)孔、氣孔與紋孔、管胞與胞腔孔，與進(jìn)汞曲線分段點(diǎn)（0.1、6.2 μm）的微小差異可能是由于觀察及計(jì)算誤差導(dǎo)致的。

圖12 煤樣孔徑分布曲線Fig.12 Pore size distribution curve of coal sample

本文根據(jù)煤樣孔徑分布曲線形態(tài)特征，分段討論了不同段孔隙孔容與顯微組分含量的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示，管胞及胞腔孔段（Ⅰ段）、紋孔及氣孔段（Ⅱ段）孔容與煤樣惰質(zhì)組含量具有較好的正相關(guān)關(guān)系（圖13），線性擬合R2值分別為0.67、0.73，說明Ⅰ、Ⅱ段孔隙可能主要存在于煤樣惰質(zhì)組，Ⅰ段擬合效果相對(duì)較差，如ZK-2、ZK-3 樣距離趨勢(shì)線較遠(yuǎn)，可能是由于該段孔隙較大、更易受壓實(shí)程度等其他因素影響導(dǎo)致。鏈間孔及分子結(jié)構(gòu)孔（Ⅲ段）孔容與煤樣變質(zhì)程度相關(guān)性較好（圖14），線性擬合R2值為0.7，其中SH-3 樣位于趨勢(shì)線下方且偏離較遠(yuǎn)，可能與其低腐植組含量相關(guān)，考慮到腐植組受煤樣變質(zhì)程度影響較惰質(zhì)組大[27]，因此Ⅲ段孔隙可能主要來自于煤樣腐植組。

圖13 Ⅰ、Ⅱ類孔隙孔容與煤樣惰質(zhì)組含量相關(guān)關(guān)系Fig.13 Correlation between pore volume of type I and type II and inertinite content of coal samples

圖14 Ⅲ類孔孔容與Ro 相關(guān)關(guān)系Fig.14 Correlation between class III pore volume and Ro

以上分析結(jié)果說明，煤樣內(nèi)中、大孔（孔直徑＞0.1 μm）可能主要來自于惰質(zhì)組，微、小孔（孔直徑＜0.1 μm）則可能主要來自于煤樣腐植組。注意這里的試驗(yàn)結(jié)果并不支持＜0.1 μm 段孔隙完全由腐植組提供，實(shí)際上，該孔寬段中的部分孔隙可能來自于穩(wěn)定組、惰質(zhì)組或無機(jī)礦物，對(duì)于＞0.1 μm 段孔隙來源的認(rèn)識(shí)也一樣。

5 結(jié) 論

1）通過壓汞試驗(yàn)表征褐煤線切割塊樣孔隙結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行麻皮效應(yīng)及基質(zhì)壓縮效應(yīng)校正，否則將導(dǎo)致孔容測(cè)值偏大，研究區(qū)煤樣校正前后累計(jì)孔容測(cè)值平均降低了47.3%。

2）研究區(qū)（二連盆地鍺礦、神華礦區(qū)）6 號(hào)煤層褐煤塊樣排驅(qū)壓力為0.027 MPa，麻皮效應(yīng)進(jìn)汞量均值為0.049 mL/g，麻皮系數(shù)均值為16.9%。

3）針對(duì)基質(zhì)壓縮效應(yīng)，提出了基于3 次樣條插值的分段校正新方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法在低壓段校正不足、高壓段校正過度的缺陷，所采煤樣介于1.73×10-4～3.48×10-4MPa-1，均 值 為 2.28×10-4MPa-1，基質(zhì)壓縮體積均值為0.055 cm3/g，校正前后孔容測(cè)值平均降低35.1%。

4）在Ro相近的情況下，煤樣有機(jī)質(zhì)含量越高，煤基質(zhì)壓縮越容易；煤樣孔隙流體壓力越大、顯微組分中惰質(zhì)組含量越高，煤基質(zhì)壓縮越困難。

5）該區(qū)褐煤孔介于0.031～0.246 cm3/g，均值為0.148 cm3/g，B-E-T 比表面積介于2.42～37.19 m2/g，均值為13.85 m2/g，從微孔至大孔的孔容占比均值分別為12.5%、16.8%、16.2%、54.5%。煤樣微、小孔貢獻(xiàn)了煤樣主要比表面。煤樣孔隙基集中分布在＜0.1、0.1～5、＞5 μm 三個(gè)孔徑區(qū)間，各個(gè)區(qū)間內(nèi)峰值點(diǎn)出現(xiàn)在40、0.8、6 μm 左右。其中孔直徑＜0.1 μm 段孔隙主要為鏈間孔、分子結(jié)構(gòu)孔；0.1～5 μm 段孔隙主要為紋孔、氣孔；＞5 μm 段孔隙主要為管胞及胞腔孔。煤樣中、大孔（＞0.1 μm）孔容與含礦物基惰質(zhì)組含量呈顯著正相關(guān)，而微、小孔（＜0.1 μm）孔容則主要受變質(zhì)程度控制，且Ro越大，該部分孔隙越發(fā)育。