高壓壓汞法研究煤系泥頁巖孔隙結構

卓琦斐++王星宇　賈文娟　曹勝明　耿朋飛　劉虎平　張明鵬

摘 要：利用高壓壓汞法測定了貴州省黔西地區煤系泥頁巖的孔徑及其分布、比表面積和孔體積，并由此分析煤系泥頁巖的孔隙特征。研究表明，煤系泥頁巖儲層的孔隙度比較低，煤系泥頁巖樣品孔隙孔徑分布廣泛，從微孔到大孔都有，且孔隙以微孔和過渡孔為主，微孔和過渡孔提供了大部分孔體積。孔徑為0～20 nm的孔隙對樣品總孔體積貢獻比較大，煤樣的總表面積取決于微孔過渡孔的體積，尤其是孔徑小于15 nm的孔起到了決定性作用，較高的微孔和過渡孔使頁巖儲層具有很高的吸附聚氣能力。

關鍵詞：煤系泥頁巖；高壓壓汞法；孔隙結構；比表面積

中圖分類號：P618.13 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.007

煤系泥頁巖具有生烴、存烴的能力，但是，煤系頁巖氣的研究在國內剛剛起步。頁巖氣儲層孔隙結構（孔徑和孔徑分布、比表面積、孔體積等參數）控制了儲層對CH4、CO2等氣體的吸附能力，對其研究在揭示頁巖氣原位吸附容量和CO2存儲的地下封存容量具有重要意義。

相對氣體吸附法、小角X射線散射等方法，壓汞法測定具有理論模型簡單、直觀，測定孔徑范圍寬等特點。基于此，筆者以壓汞實驗為基礎，測定并分析煤系泥頁巖的孔隙結構，包括孔徑及其分布、比表面積、孔體積及其之間的關系。

1 實驗原理、實驗樣品和方法

實驗采集貴州省黔西林華井田新鮮煤系泥頁巖樣品作為研究對象，采用高壓壓汞法測定煤樣的孔隙結構參數，儀器為AutoPore IV 9500 全 自 動 壓 汞 儀，最大壓力3.3萬磅（228 MPa），孔徑測量范圍 50 A～360 μm，進汞和退汞的體積精度小于0.1 μL。通過樣品粉碎、過篩等前處理相關步驟，取適量的樣品放入壓汞儀中，壓汞儀在一定范圍內從小到大逐步施加壓力。在此加壓過程中，記錄注入樣品孔隙中汞的體積，從而得到注入汞體積與壓力之間的關系曲線，通過分析該曲線可以計算出煤樣孔隙率和表面積等數據。

2 樣品分析結果

2.1 樣品的密度分析

樣品的密度分析結果如表1所示。

由表1可知，實驗樣品的孔隙度為3.85%，孔隙結構不發達，而孔隙的發育特征控制了儲層對CH4、CO2等氣體的吸附能力，所以，該煤系泥頁巖樣品相對其他發達孔隙結構的泥頁巖樣對氣體的吸附性能比較差。

2.2 高壓壓汞孔徑及其孔分布

煤系泥頁巖孔隙結構復雜，孔徑分布比較廣泛，不僅有微米級別的裂縫，且發育納米級孔隙。采用Xoaotb十進制孔隙分類標準，將孔徑結構分為4類，即大孔（孔徑>1 000 nm）、中孔（100 nm<孔徑<1 000 nm）、過渡孔（10 nm<孔徑<100 nm）和微孔（孔徑<10 nm）。

煤系泥頁巖的高壓壓汞法孔體積數據如表2所示。從實驗結果中可以發現，頁巖孔體積以微孔為主，約占52.15%，其次為過渡孔，約占40.49%，中孔和大孔所占的孔體積比例很小。這說明，煤系泥頁巖儲層微孔、過渡孔發育，中孔和大孔不發育。直徑小于100 nm的微孔和過渡孔占總孔體積貢獻高達95%以上，且尤以5～20 nm孔徑范圍內的孔隙最多。在煤系泥頁巖中，這種孔隙結構不利于氣體的滲流。要想提高氣體在頁巖中的滲流能力，可以采用壓裂等改造措施。

2.3 樣品孔體積分析

圖2為注汞體積隨著壓力的變化曲線，從圖中可以看出，注汞量隨著壓力的增加而增大，增加趨勢也不相同，初期泥頁巖樣品孔隙比較多，注汞量增加比較快。煤系泥頁巖樣品孔隙越來越小，注汞的難度就越來越大，注汞量的增長趨勢比初期有所減慢。當壓力為59 950.29 Pa 時，注汞量達到最大值，這時的注汞體積即為煤系泥頁巖樣品的孔隙體積。

一樣。在0～20 nm 的孔徑區間內，注汞體積增長得比較快。這說明，孔徑為0～20 nm的孔隙對樣品總孔體積貢獻的比較大。

2.4 樣品孔表面積分析

圖4為實驗過程中煤系泥頁巖樣品孔徑小于250 nm時的累計孔表面積隨著孔徑的變化曲線，表3為煤系泥頁巖表面積的實驗結果。

分析圖4和表3可知，孔徑大于15 nm的累計表面積占樣品總表面積的10.1%，而孔徑小于15 nm的累計表面積占樣品總表面積的89.9%.這說明，當孔徑大于15 nm時，煤系泥頁巖的比表面積累加值增加緩慢；當孔徑小于15 nm時，孔表面積急劇增加。樣品中，孔徑小于15 nm的部分對樣品總表面積的貢獻大。這表明，樣品中微孔、過渡孔數量多。雖然微孔、過渡孔的體積沒有中孔、大孔的大，但是，其比表面積明顯比中孔、大孔大。因此，樣品比表面積的大小取決于微孔、過渡孔體積的大小，與中孔、大孔的體積大小關系不明顯。

3 結論

該煤系泥頁巖樣品孔隙度比較小，孔隙結構發育尚不發達。煤系泥頁巖儲層微孔、過渡孔發育，中孔和大孔不發育，且直徑小于100 nm的微孔和過渡孔占總孔體積貢獻95%以上。數量比較多的微孔和過渡孔有利于氣體吸附。注汞量隨著壓力的增加而增大，但是，增加趨勢不同，初期因泥頁巖孔隙比較多增加得比較快。孔徑在0～20 nm的孔隙對樣品總孔體積貢獻比較大。樣品中，孔徑小于15 nm的部分對樣品總的表面積的貢獻大，比表面積取決于微孔、過渡孔體積，與中孔、大孔的體積關系不明顯。

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〔編輯：白潔〕