基于原子力显微镜表征碳酸盐岩纳米级孔隙结构

吴　盾

安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽合肥，230088



基于原子力显微镜表征碳酸盐岩纳米级孔隙结构

吴盾

安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽合肥，230088

为深入掌握非常规油气田吸附气储集和运移信息，碳酸盐岩纳米孔隙结构参数是一项必不可缺的关键要素。以淮南煤田晚石炭世太原组碳酸盐岩为主要研究对象，采用原子力显微(AFM)技术对其纳米级平面、三维微观形貌进行表征。结果表明：太原组碳酸盐岩纳米级孔隙主要为粒间孔隙和分散孔洞孔隙，含少量的连通孔洞孔隙；横切面(Section)分析技术能够有效地展示碳酸盐岩纳米孔隙的几何形态学特征，进一步定量表征孔隙直径、深度等信息。

原子力显微镜；纳米级；孔隙结构；碳酸盐岩；太原组

1　问题提出

淮南煤田-1000 m浅A组煤储量17.7亿吨。A组煤主采A3和A1两煤层，A3煤层煤厚2.09～9.17 m，平均5.07 m；A1煤层煤厚1.56～7.77 m，平均3.78 m。两煤层层间距1～5 m，局部合并为一层。淮南煤田A组煤资源禀赋、赋存稳定、煤质好，但由于水文地质条件复杂，断层构造发育，水平向地应力大，且下伏山西组海相泥岩、太原组石灰岩遇水膨胀，岩层节理、裂隙发育，局部矿井A组煤底板存在灰岩溶洞或溶隙，尤其是近距离的底板灰岩，水头压力高、局部富含瓦斯。这些因素对淮南煤田A组煤安全开采构造了巨大威胁，成为A组煤开采和工程实践上亟待解决的突出难题。

已有研究表明[1-3]，淮南煤田晚石炭世太原组-早二叠世山西组发育的泥质岩、石灰岩富含硫酸盐类矿物，具有一定的生气作用，因此，其热演化形成的非常规天然气有可能通过A组煤下伏太原组碳酸盐岩空隙涌向采掘工作面，对A组煤安全开采造成影响。例如，潘谢矿区潘二矿井在建井期间南一B运输石门揭开A3煤层时，曾发生煤与瓦斯突出，突出瓦斯4827.2 m3；通过对所揭A组煤样瓦斯含量的实测分析，得到A1煤瓦斯含量7m3/t(1.3 MPa)和A3煤瓦斯含量10 m3/t(1.75 MPa)。

鉴此，查明A组煤下伏太原组碳酸盐岩孔隙类型、孔隙分布、孔隙形态、孔隙连通性等岩石形貌学特征，是认识太原组油气储集和运移机制的关键因素，亦是解决A组煤安全、高效开采的基础地质工作。因此，本文采用原子力显微(AFM)技术表征淮南煤田太原组碳酸盐岩高分辨率纳米级孔隙结构，为今后A组煤施工部署提供参考依据。

2　碳酸盐岩孔隙类型分类

Archie首次尝试采用岩石组构和岩石物理性质定义孔隙空间并对其进行分类[4]，但该方法很难将岩石物理特性与地质模型建立对应关系。在此之后，Murray、Lucia以及ChoquettePray分别研究了碳酸盐岩孔隙类型，界定了孔隙形态与岩石沉积、成岩组构之间的相互关系，并对Archie分类方法进行了有效修改[5-7]。本文综合上述研究成果，从岩石组构角度，定义碳酸盐岩孔隙类型为粒间孔隙、分散孔洞孔隙和连通孔洞孔隙三类。此外，从空间尺度角度，Xodot定义了岩石孔隙，即其可划分为微孔(<0.01 μm)、小孔(0.01～0.1 μm)、中孔(0.1～1 μm)和大孔(>1 μm)[8]。针对岩石孔隙尺度划分，Gan和张慧亦提出了不同的划分标准[9-10]。综合上述研究成果，本文采用Xodot方法作为主要分类依据。

3　样品采集与表征方法

太原组碳酸盐岩样品采自淮南煤田丁集煤矿G3地面钻孔，并按照SY/T 6156-1995(碳酸盐岩油藏地质特征描述方法)和DZ/T0002.3-1997(含煤岩系钻井岩芯描述标准-岩性分类部分)规程规范，对样品采集、封装、运输等过程进行了严格控制。鉴于原子力显微观测时对样品制备要求具有明确规定，为此样品前处理过程严格按照Wu等执行[11]。

在样品表征结束后，采用NanoScope Analysis(SPA-300HV，日本Digital公司生产；最大扫描范围：30×30×2 μm；最大分辨率：0.2 nm(水平方向)和0.01 nm(垂直方向)；自动扫描帧数：1800 mm)对扫描结构进行定量处理和分析。

4　结果与讨论

4.1二维、三维孔隙结构特征

图1(a)～(d)是碳酸盐岩样品逐渐放大的二维AFM高分辨图像。在10 μm比例尺下，能从整体上观察岩石表面大小颗粒间的粒间孔隙及其相互连通的分散孔洞孔隙，以及独立于粒间孔隙空间相互连通的连通孔洞孔隙。伴随图像分辨率的提高，不同类型孔隙形貌也愈来愈清晰。在10 μm比例尺下，能观察到粒间孔隙形状主要为椭圆形和圆形，分散、连通孔隙类型主要为不规则长条形。

图1　碳酸盐岩不同类型孔隙的二维AFM高分辨图像

图2　碳酸盐岩不同类型孔隙的三维AFM高分辨图像

图2(a)～(d)是碳酸盐岩样品逐渐放大的三维AFM高分辨图像。在三维视角下，能清晰地看出岩石表面不同类型孔隙特征，并定量获取较大型裂缝长度值(图2(a))。NanoScope Analysis中三维视图同时提供视角旋转功能，进而在不同视角反映岩石表面高分辨率影像。

4.2横切片分析技术

图3为图1(d)中A-A′和B-B′剖面横切面图。从图3可以看出，沿着剖面方向，不同孔隙孔径能被定量表征，并进行相应的分类。从孔径分布曲线图得出，本次分析的碳酸盐岩样品孔隙以小孔为主，次为微孔，含少量中孔，大孔不甚发育。在此基础上，采用NanoScope Analysis中的Particle Analysis(颗粒分析)功能，可以获得分析样品表面孔隙面积和面孔率信息。此外，利用Roughness Analysis(粗糙度分析)功能，结合软件自动提供的Ra/Rq值，能获得分析样品表面粗糙度。具体定量表征信息见表1。

图3　不同孔隙尺度的孔径分布曲线

分辨率/μm总孔隙面积/nm2最大孔隙直径/nm最小孔隙直径/nm平均孔隙直径/nm面孔率/%Ra/Rq11176.401144.50011.01929.6116.320.776526318.899288.12522.03966.6145.890.6883516241.073292.16856.188129.9124.530.64541022506.714231.143126.602166.6253.780.6663

4　结束语

原子力显微镜分析技术能直观地观察碳酸盐岩岩石表明纳米级微观孔隙结构特征，其二维、三维AFM高分辨率图像能充分展示出岩石表面孔隙类型及其空间分布情况，并从不同视角度量岩石纳米级孔隙尺寸，进而将碳酸盐岩孔隙结构研究深入到纳米级水平。采用横切面分析、颗粒分析和粗糙度分析，能够定量获得岩石孔隙参数(孔隙结构、孔径分布、总孔隙面积、面孔率、粗糙度等)。上述研究为碳酸盐岩微观形貌表征提供了一项新的测量技术，亦为非常规油气吸附和运移机理的微观研究提供更为直观、详实的数据资料。

[1]赵师庆,王飞宇.镜质组反射率的抑制效应及富氢镜质体的形成模式[J].淮南矿业学院学报,1990,10(3):1-11

[2]赵师庆,吴观茂.论富氢镜质组型腐植煤：生油煤的一种新类型[J].中国煤田地质,1995,7(1):77-81

[3]姚艳斌,刘大锰,黄文辉,等.两淮煤田煤储层孔：裂隙系统与煤层气产出性能研究[J].煤炭学报,2006,31(2):163-168

[4]Archie G E.Classification of carbonate reservoir rocks and petrophysical considerations[J].AAPG Bulletin,1952,36(2):278-298

[5]Murray R C.Origin of porosity in carbonate rocks[J].Journal of Sedimentary Research,1960,30(1):59-84

[6]Choquette P W,Pray L C.Geologic nomenclature and classification of porosity in sedimentary carbonate[J].AAPG Bulletin,1970,54(2):207-250

[7]Lucia F J.Petrophysical parameters estimated from visual description of carbonate rocks:a field classification of carbonate pore space[J].Journal of Petroleum Technology,2013,35:629-637

[8]Xodot B B.煤与瓦斯突出[M].宋世钊,王佑安,译.北京:中国工业出版社,1966:27-30

[9]Gan H,Nandi S P,Walker P L,et al.Nature of porosity in American coals[J].Fuel,1972,51(4):272-277

[10]张慧.煤孔隙的成因类型及其研究[J].煤炭学报,2001,26(1):40-44

[11]Wu D,Liu G J,Sun R Y,et al.Influences of magmatic intrusion on the macromolecular and pore structures of coal:Evidences from Raman spectroscopy and atomic force microscopy[J].Fuel,2014,119(1):191-201

(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.10.031

2016-07-15

吴盾(1985-)，安徽合肥人，博士，工程师，主要研究方向：煤地球化学、烃源岩地球化学、精细结构定量表征。

P589.1

A

1673-2006(2016)10-0120-03