高、低煤階煤中宏觀煤巖組分孔隙特征研究

賈雪梅，藺亞兵，馬東民

(1.陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.中國礦業大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008；3.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；4.西安科技大學，地質與環境學院，陜西 西安 710054)

煤層氣主要以吸附態賦存于煤儲層的孔隙當中，因此煤的孔隙結構特征是影響煤層氣吸附/解吸及擴散的重要影響因素[1，2]。近年來，國內學者對煤孔隙特征研究的文獻較多，主要集中在不同變質類型[3-5]、不同變質成因[6]、不同煤體結構[7，8]、不同顯微煤巖組分孔隙特征研究方面[9，10]，但對煤儲層本身非均質性所造成的孔隙結構差異研究較少，特別是對煤基質本身不同宏觀煤巖組分孔隙結構特征及其對整個煤基質本身孔隙特征影響研究尚未見到[11-13]。煤是一種天然有機巖，孔隙結構較為復雜，由于初始成煤物質、沉積環境及變質程度的不同，各宏觀煤巖組分含量和排列差異較大，表現出非均質不連續的多相復合結構[14]。鏡煤和暗煤是宏觀煤巖組分中主要成分，也是肉眼最容易區分和篩選的煤巖組分，鏡煤在煤巖中常呈條帶狀出現，具有明顯的貝殼狀斷口，暗煤在煤巖中則常以條帶狀和線理出現。目前，我國煤層氣開發成功區域主要集中在以沁水盆地為代表的高階煤礦區和以鄂爾多斯盆地西南緣、準格爾凹陷南緣等為代表的低階煤礦區，高、低煤階煤不同宏觀煤巖組分孔隙結構特征對我國煤層氣勘探開發尤為重要。由此，本文擬對采自低階煤和高階煤兩種不同變質程度煤樣品中的鏡煤和暗煤進行手工分離，在此基礎上采用氦孔隙度測試、液氮吸附和掃描電鏡實驗等測試手段，研究不同宏觀煤巖組分孔隙結構特征，為煤儲層非均質性、煤-水-氣相互作用機理及煤層氣解吸、擴散和滲流等研究提供參考。

1 樣品采集與測試

1.1 樣品采集

本次研究在我國煤層氣開發有利區鄂爾多斯盆地南緣黃陵礦區黃陵二礦(低階煤礦區)和沁水盆地南部寺河煤礦(高階煤礦區)各采集樣品1組，樣品所屬礦區、地點、煤種、煤質及煤層號見表1。研究人員在礦井內正在開采的工作面或掘進面位置利用刻槽法采集新鮮煤樣，裝袋密封送回室內。

1.2 樣品制備與分析測試

采集的煤樣在室內利用肉眼將煤樣品中鏡煤和暗煤進行分選，然后對分選煤樣進行處理后分別采用ASAP2020比表面積分析儀、JSM-5500LV型電子顯微鏡進行液氮吸附、掃描電鏡測試。煤樣工業分析結果見表1。

表1 煤樣工業分析結果

2 實驗結果分析

2.1 實驗結果分析

2.1.1 煤巖、煤質特征

化驗測試結果顯示黃陵煤樣鏡質體反射率為0.63%(小于0.7%)，揮發分為30.54%，屬于低變質程度弱粘煤。寺河煤樣鏡質體反射率為3.27%(大于1.9%)，揮發分為5.51%，屬于高變質程度無煙煤。隨著煤變質程度增大，煤中揮發分明顯降低。

2.1.2 煤孔隙度特征

現有研究結果表明，低變質程度的長焰煤孔隙度最大(約16%)，孔隙度隨煤變質程度增大而逐漸變小，到肥煤階段孔隙度最小(約2%)，至高煤化程度的無煙煤孔隙度又有明顯的增加(約9%左右)[15]。氦孔隙度較密度法更能準確的測試煤巖樣品中孔隙的孔容積，從而減小微小裂隙對孔隙度的影響，更能精確的反映煤的孔隙度。本次測得四個樣品孔隙度分布在2.1%～8.2%，整體上兩組測試結果均顯示出鏡煤的孔隙度要高于暗煤，高階煤高于低階煤，見表2。

表2 氦孔隙度和液氮吸附實驗結果

注：孔隙大小按霍多特十進制分類系統，大孔(>1000nm)、中孔(100<1000nm)、小孔(10<100nm)和微孔(<10nm)。

從煤巖學的角度分析，鏡煤通常光澤較強，具有紋理，且內生裂隙較發育，而暗煤通常含有較多的孢粉和膠質體等殼質組分，致密堅硬。鏡煤較暗煤孔隙度大，間接預示著鏡煤較暗煤更有利于煤層氣解吸后擴散。

2.1.3 比表面積及孔容特征

液氮吸附法是研究煤孔隙微孔隙結構的常用方法，本次液氮吸附實驗結果見表2。本次實驗室結果煤樣比表面積分布在0.5220～53.7978m2/g，孔容分布在0.003841～0.010693mL/g。高階煤各煤巖組分的比表面積明顯大于低階煤，暗煤的比表面積明顯大于鏡煤比表面積，預示著高階煤的吸附能力要強于低階煤，暗煤的吸附能力強于鏡煤。高階煤各煤巖組分的孔容大于低階煤，但同種煤巖組分相差不大，暗煤的孔容積明顯大于鏡煤。

2.2 孔隙特征研究

2.2.1 孔徑分布特征

液氮吸附曲線可以客觀反映煤孔隙分布特征，文獻[2]將煤液氮吸附曲線劃分為三種類型，黃陵鏡煤屬于A2至A3過渡型(圖1a)，黃陵暗煤屬于A2型(圖1b)，其特點是相對壓力在0.1之前吸附曲線急劇上升，但上升幅度很小，0.1～0.2間上升較為平緩，0.8～0.9間急劇上升，且上升幅度很大。此類曲線反映煤孔隙分布主要以微孔、小孔、中孔為主。寺河鏡煤(圖1c)和寺河暗煤(圖1d)屬于典型的A1型，其特點是相對壓力在0.1之前吸附曲線急劇上升且相對幅度較大，在0.1～0.8間上升較為平緩，而在0.8～1.0 間又急劇上升。此類吸附曲線主要以微孔為主，含有少量小孔、中孔。

圖1 不同宏觀煤巖組分液氮吸附脫附曲線

從圖2不同煤巖組分比表面積與孔徑分布關系圖，可以看出同種煤鏡煤微孔的比例要稍小于暗煤，低階煤的微孔比例要小于高階煤。整體上低階煤孔隙結構以微孔為主，小孔次之，同時含少量中孔，高階煤主要以微孔為主，含少量小孔和中孔。

圖2 比表面積與孔徑分布關系

2.2.2 孔隙類型

液氮脫附曲線可以反映測試物質一定孔形結構的特征，煤液氮脫附曲線主要與國際純化學與應用化學聯合會(IUPAC)劃分的H3型和H4型相似。文獻[2]以孔形對吸附回線(脫附曲線)的貢獻為依據，將煤的孔隙劃分為4類：一端開口的孔(一端開口的筒狀孔、一端開口的楔形孔以及一端開口的錐形孔)，兩端開口的筒狀孔，墨水瓶形孔和狹縫形孔。在此基礎上以不同的回線類型反映不同孔形結構的分布為依據，將煤液氮脫附曲線類型劃分為3種類型。黃陵鏡煤和暗煤兩條脫附回線相似，均屬D2型，小于4nm 的孔隙類型以一端開口的孔為主，大于4nm的孔則主要以兩端開口的孔和墨水瓶孔為主，同時含有少量的一端開口的孔。寺河鏡煤和暗煤兩條脫附曲線相似，均屬D1型，相對壓力小于0.9之后至0.1沒有出現閉合點，且拐點不明顯，孔隙類型主要以狹縫形孔為主，同時含少量兩端開口的孔。由此分析，同種煤不同宏觀煤巖組分孔隙形態基本一致，不同煤巖組分對煤孔隙形態影響不明顯，影響煤孔隙形態的主要因素是煤變質程度，可見煤化作用是影響煤孔隙形態的重要因素。

從孔隙結構分布和形態綜合分析，微孔比率和比表面積高階煤較低階煤高，說明高級煤較低階煤吸附能力強。但高階煤吸附能力強的同時其狹縫型孔為主的孔類型和高比率的微孔結構在煤層氣解吸過程中易受毛管壓力和束縛水的影響不易解吸和擴散。

3 掃描電鏡分析

掃描電鏡可在自然斷面上定性和半定量研究煤中尺度大于0.1nm的裂隙、空洞和孔隙的發育情況。本次掃描電鏡試驗最大放大倍數3500倍，部分試驗結果如圖3所示。實驗測試結果表明不同變質程度煤不同煤巖組分表面均不同程度發育有微孔隙，但微裂隙和礦物充填有所差別。黃陵鏡煤表面光滑，斷口呈貝殼狀，發育有節理間微縫，黃陵暗煤表面呈條帶狀，裂縫及微孔發育；寺河鏡煤表面呈波浪狀，見個別微氣孔，有片狀高嶺石晶體集合體充填于微孔隙中，寺河暗煤則發育蜂巢狀微氣孔。從煤變質程度來分析高變質煤宏觀煤巖組分較低變質程度煤微孔隙發育，同種變質程度煤暗煤組分較鏡煤組分發育。

圖3 不同煤樣掃描電鏡圖片

4 結 論

1)高階煤氦孔隙度高于低階煤，煤的孔隙度受控于煤化作用。鏡煤的氦孔隙度要高于暗煤，鏡煤組分更有利于煤層氣解吸后擴散。

2)高階煤各煤巖組分的孔容大于低階煤，但同種煤巖組分相差不大，暗煤的孔容積明顯大于鏡煤。高階煤各煤巖組分的比表面積明顯大于低階煤，暗煤的比表面積明顯大于鏡煤。暗煤組分較鏡煤組分、高階煤較低階煤更有利于煤層氣吸附。

3)低階煤孔隙結構主要以微孔和小孔為主，含少量中孔，小于4nm的孔隙類型主要為一端開口的孔，大于4nm的孔以兩端開口的孔和墨水瓶孔為主。高階煤孔隙結構主要以微孔為主，含少量小孔和中孔，孔隙類型主要為狹縫形孔，同時含少量兩端開口的孔。宏觀煤巖組分對孔隙分布特征和孔隙類型影響不明顯，煤化作用是影響煤孔隙特征的主要因素。

4)高變質煤宏觀煤巖組分較低變質程度煤微孔隙發育，同種變質程度煤暗煤組分微孔隙較鏡煤組分發育，這一點液氮吸附和掃描電鏡實驗結果具有一致性。