砂岩微观孔隙结构类型及其对含水层富水性的影响——以柠条塔井田为例

王苏健，冯 洁，侯恩科，黄克军，薛卫峰，段会军

(1.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065; 2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054; 3.三秦学者“矿山地质学”创新团队，陕西 西安 710065; 4.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

受沉积环境的影响，陕北侏罗纪煤田砂岩含水层在空间上岩性、岩相、富水性等特征差异较大，锦界煤矿实际涌水量与勘探阶段预测涌水量甚至相差一个数量级，影响含水层富水性的因素众多[1-2]，柠条塔煤矿南翼S1210工作面顶板直罗组基岩风化带在初次来压后大面积出水，最大涌水量达1 300 m3/h，至今仍有400 m3/h涌水量，工作面被淹停产，损失巨大。因此，理清影响含水层富水性的因素及其影响程度是富水性预测与矿井防治水工作急需解决的难题。对于岩性、岩相与富水性关系的研究已取得了一定成果，武强等[3]选取砂泥质量比、岩性结构指数等岩性指标预测了含水层富水性;侯恩科等[4]对比红柳林煤矿风化基岩岩性组合与钻孔单位涌水量，认为粗砂岩含量大的强风化基岩厚度大、裂隙孔隙发育，富水性相对较好;代革联等[5]根据砂体的展布规律将柠条塔煤矿直罗组地层在垂向上分为辫状河沉积相、辫状河三角洲沉积相、曲流河沉积相和滨浅湖沉积相3段，直罗组砂岩厚度越大，富水性越强，直罗组沉积相与地层的富水性之间存在一定的内在联系。目前，尚未从微观角度研究砂岩孔隙结构与富水性的关系，研究致密砂岩储层微观孔隙结构的方法与成果较多，研究方法主要有薄片鉴定[6-7]、扫描电镜法[8-9]、压汞法[10-12]、核磁共振法[13-15]、微米/纳米CT法[16]等，成果集中于孔隙-喉道的特征(形状、大小、分布、连通性等)、孔隙类型划分、不同类型孔隙与产能(油、气)的关系。笔者通过对柠条塔煤矿不同岩性砂岩的岩样进行普通薄片、铸体薄片、高压压汞、核磁共振等实验测试，研究直罗组、延安组砂岩微观孔隙结构与富水性的关系。

1 研究区概况

陕北侏罗纪煤田是我国最大煤田、世界七大煤田之一，煤炭资源储量约2 216亿t，占全陕西省煤炭资源总量的53.5%，煤质优良，开采条件相对简单。柠条塔煤矿是陕西煤业化工集团公司在神府矿区兴建的特大型矿井，核定生产能力1 800万t/a。井田位于陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠东南缘。地形西北、西南高，中部低，面积约119.77 km2。井田钻探揭露的地层由老至新依次为三叠系上统永坪组(T3y)，侏罗系中统延安组(J2y),直罗组(J2z)、新近系上新统保德组(N2b)，第四系中更新统离石组(Q2l)，第四系上更新统萨拉乌苏组(Q3s)，第四系全新统风积沙(Q4eol)和冲积层(Q4al)。含煤地层为延安组，含可采煤层8层，分别为1-2上，1-2,2-2上，2-2,3-1,4-2,4-3,5-2煤层，其中主要可采煤层为2-2,3-1,4-2,5-2层。柠条塔井田含水层、隔水层划分及其主要参数见表1。

2 砂岩微观孔隙结构特征

岩石孔隙空间[17]为一个复杂的立体孔隙(广义)网络系统，可按其在地下水储存和流动过程中所起的作用分为孔隙(狭义)和孔隙喉道两个基本单元，被岩石骨架颗粒包围着并对地下水储存起较大作用的相对膨大部分称为孔隙(图1)，在扩大孔隙容积中所起作用不大，但在沟通孔隙形成通道中起着关键作用的相对狭窄部分称为喉道，也就是说孔隙通道最宽大的部分称作孔隙，其含量决定岩石的存储能力，最细小的部分称作喉道，喉道对地下水流动的影响更大，其大小控制岩石的渗流能力。李易霖等[18]运用X-CT扫描成像技术研究了不同孔渗的样品孔隙喉道的形态、尺寸，得出喉道半径较窄是造成样品的实测渗透率较低的主要原因的结论。

表1 柠条塔井田含(隔)水层划分及其主要参数

图1 岩石孔隙结构示意(据张厚福修改，1999)

2.1 微观孔隙结构测试

本次微观孔隙结构测试在柠条塔煤矿采集7块直罗组、延安组不同岩性岩样，运用普通薄片、铸体薄片、高压压汞、核磁共振等技术开展岩样孔喉特征研究。岩样采集信息与孔隙度、渗透率见表2。

(1)普通薄片与铸体薄片。普通薄片与铸体薄片测试成果见表3，普通薄片获得粗砂、中砂、细砂、极细砂、粉砂所占比例，铸体薄片测得平均孔喉比、平均配位数，以此将柠条塔煤矿砂岩孔隙结构分为3类。

由表3可知，直罗组孔隙结构整体较延安组好，粗粒砂岩所占比例高，孔隙大，储存地下水的能力强，孔喉比、平均配位数大，说明连通性好，利于地下水流动。为更加清楚、直观的观察孔隙结构，利用Matlab软件图像二值化功能处理铸体薄片成果，如图2所示。

表2 岩样基本物性参数

表3 普通薄片与铸体薄片测试成果汇总

图2 典型岩样铸体薄片与处理后二值化图对比

相同地层时代相同岩性孔隙结构特征:图2(a)，(b)与图2(c)，(d)为直罗组地层粗中粒砂岩图像对比，结合表3数据可知，相同地层时代相同岩性岩样孔隙度值接近，但气测渗透率Y-W1-2-2-2岩样远远高于Y-K8-2-1岩样，分别为1 662×10-15,11.9×10-15m2，推测主要原因在于岩样风化程度影响渗透率。

相同地层时代不同岩性孔隙结构特征:图2(c)，(d)与图2(g)，(h)为直罗组粗中粒砂岩与含灰质粉砂岩。前者以粗、中、细砂为主，后者则为细、极细、粉砂;虽然两块岩样均风化，但前者岩石内孔隙多为粒间孔，平均孔喉比8.28，分布较均匀，平均配位数0.46，连通性较好，自生黏土薄膜内含微孔隙，后者岩石内未见孔隙。

不同地层时代相同岩性孔隙结构特征:图2(a)，(b)与图2(e)，(f)为直罗组与延安组粗中粒砂岩图像对比，结合表3数据可知，直罗组地层中砂岩粗粒比例高于延安组，直罗组岩石内孔隙发育，多为粒间孔，分布较均匀，连通性较好，自生黏土薄膜内含微孔隙;延安组微孔主要分布在自生黏土内，微孔面孔率约3%，岩石内未见其他可测孔隙。因此，直罗组地层相比延安组地层地下水易于流通，若煤层开采的导水裂隙带沟通该含水层，容易造成水害事故，同时也利于顶板水疏放。

(2)高压压汞法。压汞法又称汞孔隙率法，首先由里特(H.L.RITTER)和德列克(L.C.DRAKE)提出，基于汞对岩体表面具有不可润湿性，外压越大，汞进入孔半径越小，根据不同外压下进入孔中汞量可获得相应孔大小的孔体积，从而评价岩石孔隙大小、分布等特征。本次压汞测试使用麦克9505高压压汞仪进行，实验方法和数据处理方法参照GB/T 29171—2012《岩石毛管压力曲线的测定》。按照毛管压力曲线形态将柠条塔煤矿7块岩样孔隙结构划分为3种类型，具体划分标准:排驱压力Pc≤0.1 MPa，孔隙结构为Ⅰ类;0.1 MPa1 MPa，孔隙结构为Ⅲ类(图3,表4)。

图3 毛管压力曲线分布

表4 岩石毛管压力曲线主要特征参数

一般认为排驱压力的大小及毛管压力曲线平台的高低受孔径大小决定，孔径越小，排驱压力越大且毛管压力曲线平台越高，相反，孔径越大，排驱压力越小且毛管压力曲线平台越低;毛管压力曲线越平缓，分选越好;分选越好、歪度越粗，渗透率越高。

由图3,表4可知，Ⅰ类型岩样毛管压力曲线平台高，排驱压力低，分选系数为5.416 3，分选差，歪度0.374，较细歪度，最大孔喉半径大，达40.540 5 μm;Ⅱ类型岩样中毛管压力曲线平台降低，近于一条斜线，比Ⅰ类型曲线平缓，分选系数变小，分选较差，歪度变粗，直罗组Y-K8-2-1岩样曲线位于延安组Y-SK8-2-2岩样下方，前者分选系数大于后者，说明前者比后者分选好，前者最大孔喉半径较后者大，排驱压力较后者小，表明前者孔、渗性好于后者;Ⅲ类型岩样毛管压力曲线比Ⅱ类型平台更低，更平缓，因此，分选系数更小，分选更好。

高渗储层具有的一般特征为分选越好、歪度越粗;低渗储层歪度越粗、分选越差，其渗流性能反而更好[19]。本文所取岩样普遍分选一般，歪度细，如Ⅰ类型岩样分选最差，歪度最细，但最大孔喉半径大，排驱压力低，使得渗透性增加，气测渗透率1 662×10-15m2，渗透率与其他岩样相差3个数量级。

(3)核磁共振法。核磁共振技术根据核磁共振弛豫机制和岩石物性测量原理，当饱和水的岩石处于均匀磁场的情况下，核磁共振横向弛豫时间T2与孔喉半径呈正比关系，通过获得岩石的孔隙半径分布曲线，反映岩石孔隙结构[20]。本次核磁共振测试采用MARAN DRX2核磁共振分析仪进行，参照SY/T 6490—2014《岩样核磁共振参数实验室测量规范》，核磁孔隙度8.6%～26.9%，核磁束缚水饱和度0.80%～30.64%。

核磁共振T2分布与孔隙结构直接相关，其形态特征主要与岩芯的孔隙结构特征有关，一般认为T2谱峰的位置受孔径大小决定;孔径越小，T2谱峰的位置越靠前，相反，孔径越大，T2谱峰的位置越靠后。研究区岩样测试结果如图4所示。

图4 核磁共振T2谱分布

图4为3种孔隙结构类型的核磁共振T2谱形态特征，由图4可看出Y-W1-2-2-2号岩样T2谱主峰的位置靠后，Y-SK8-1-2,Y-W1-2-4-1,Y-W1-2-3-1,Y-K8-4-2号岩样T2谱主峰的位置靠前，Y-SK8-2-2,Y-K8-2-1号岩样T2谱主峰的位置介于前面7块岩芯中间，综上，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类型岩样孔径依次减小，对应孔隙度依次减小。

2.2 高压压汞与核磁共振联合测试

高压压汞和核磁共振均可很好地反映孔隙半径与孔隙度之间的相关关系[21]，研究岩石的微观孔隙结构。高压压汞最大进汞压力大，有效分析范围大，从压汞毛管压力曲线中衍生出多种有关孔隙结构特征的参数，主要有排驱压力、最大喉道半径、中值压力、中值半径、主流喉道半径、渗透贡献率等，但加压速率较难控制，易产生次生裂缝，影响测试结果精度;核磁共振T2分布与孔隙结构直接相关，可反映岩石内部孔隙结构，具有快速、无损害等特点，但无法将T2分布转换为孔隙半径分布曲线。因此，本文联合高压压汞与核磁共振法获得孔喉半径分布，转换方法参考文献[22]采用幂函数对T2分布构造核磁共振毛管压力曲线，结果如图5所示。

由图5可知，高压压汞与核磁共振所得孔隙半径分布基本一致，核磁共振计算孔隙半径稍大于高压压汞，差异主要由薄膜束缚水体积部分引起，原因在于压汞法不能将岩石所有孔隙中的薄膜束缚水完全甩干，部分孔隙空间被薄膜束缚水占据，从而所测孔隙半径减小;核磁共振检测到的信号全部为水相信息。何雨丹等[23]、朱林奇等[24]在对比研究压汞与核磁两种方法时均提出薄膜束缚水对测试结果的影响。

3 砂岩微观孔隙结构对含水层富水性的影响

不同沉积相形成于不同的沉积环境，沉积相控制岩性，岩性控制微观结构，包括孔隙大小、孔隙之间的联通性、渗透性等特征。在含水层没有补给量的条件下，含水层具有定期的出水能力，含水层的富水性，主要决定于含水层的储存量和含水层的导水性。本文仅探讨含水层没有补给量条件下的富水性，《煤矿防治水细则》(2018年)附录2中给出了含水层富水性的等级标准，按照钻孔单位涌水量(q)将含水层富水性分为4级，弱富水性(q≤0.1 L/(s·m))、中等富水性(0.1 L/(s·m)5.0 L/(s·m))。笔者通过对典型岩样进行普通薄片、铸体薄片、高压压汞、核磁共振等实验测试，结合钻孔单位涌水量、气测渗透率研究不同地层、不同岩性、不同区域砂岩微观孔隙结构对含水层富水性的影响，见表5。

图5 高压压汞与核磁共振转换孔隙半径分布

表5 砂岩微观结构与钻孔单位涌水量统计

3.1 相同地层时代相同岩性不同风化程度条件下砂岩微观孔隙结构对含水层富水性的影响

Y-W1-2-2-2岩样与Y-K8-2-1岩样同属直罗组地层粗中粒砂岩。微观孔隙结构测试成果显示前者孔隙度稍大、最大孔喉半径高达40.540 5 μm，储存地下水能力强，孔喉比、平均配位数大，连通性好，渗透率大，属于Ⅰ类孔隙结构类型;钻孔抽水试验结果显示前者钻孔单位涌水量q为0.070 7 L/(s·m)，后者钻孔单位涌水量q为0.165 3 L/(s·m)。两块岩样均风化，普通薄片检测含2%自身黏土，具有很强的亲水性，风化后遇水膨胀、泥化、裂隙容易被压实弥合，会降低渗透性;两块岩样中粗砂、中砂粒度砂岩含量差不多。孔隙结构属Ⅰ类、富水性弱的主要原因在于，风化程度，侯恩科等[4]以邻区红柳林井田为例，研究认为风化程度越强，富水性越好，Y-W1-2-2-2岩样属弱风化，Y-K8-2-1岩样属中等风化，结果与红柳林井田研究成果相吻合。综上，相同地层时代相同岩性条件下，富水性强弱与风化程度成正比。

3.2 相同地层时代不同岩性条件下砂岩微观孔隙结构对富水性的影响

Y-K8-2-1岩样与Y-SK8-1-2岩样同属直罗组地层，前者为粗中粒砂岩，后者为含灰质粉砂岩。微观孔隙结构测试成果显示前者属Ⅱ类，后者属Ⅲ类孔隙结构;前者钻孔单位涌水量为0.165 3 L/(s·m)，富水性中等，后者钻孔单位涌水量0.034 6 L/(s·m)，富水性弱。综合，相同地层时代条件下，粗中粒砂岩较粉砂岩富水性强，Y-K8-2-1岩样位于推测古直罗河区域，这也是柠条塔煤矿南翼S1210工作面顶板直罗组风化基岩突水的主要原因。

3.3 不同地层时代相同岩性条件下砂岩微观孔隙结构对富水性的影响

Y-W1-2-2-2岩样与Y-SK8-2-2岩样同属粗中粒砂岩，前者为直罗组、后者为延安组。微观孔隙结构测试成果显示前者属Ⅰ类孔隙结构，后者属Ⅱ类孔隙结构，前者粒度为粗砂含量40%，后者为32%;前者钻孔单位涌水量q为0.070 7 L/(s·m)，后者钻孔单位涌水量q为0.034 6 L/(s·m)，说明直罗组Ⅰ类孔隙结构较延安组Ⅱ类孔隙结构好，富水性直罗组较延安组强。

4 结 论

(1)陕北侏罗纪煤田侏罗系砂岩富水性差异大，通过砂岩微观孔隙结构测试研究砂岩微观孔隙结构，对比钻孔抽水试验单位涌水量分析微观孔隙结构与富水性之间的关系，可为砂岩含水层富水性预测与矿井防治水工作提供依据。

(2)采用普通薄片、铸体薄片、高压压汞、核磁共振等实验测试技术与Matlab图像处理技术对柠条塔煤矿典型岩样进行微观孔隙结构特征研究，结合钻孔抽水试验单位涌水量大小可知:相同地层时代相同岩性条件下，风化程度越强，富水性越强;相同地层时代不同岩性条件下，粗中粒砂岩较粉砂岩富水性强;不同地层时代相同岩性条件下，微观孔隙结构类型为Ⅰ类的直罗组较Ⅱ类型的延安组富水性强。