基于压汞法的宏观煤岩组分孔隙结构差异性研究

贾雪梅，蔺亚兵，陈 龙，张 辉

（1.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000；2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；3.西安科技大学地质资源与地质工程博士后科研流动站，陕西 西安 710054；4.陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 西安 710119）

煤的孔隙特征是影响煤吸附-解吸、扩散及渗流特征的重要因素，因此对煤孔隙特征的研究对煤层气资源勘探开发和煤矿瓦斯防治具有非常重要的意义[1-2]。近年来，随着煤孔隙测试技术地快速发展，煤孔隙结构测试手段多样化，同时研究目标也越来越精细化。

以往学者对不同煤阶、不同变质作用、不同煤体结构、不同显微煤岩组分以及软、硬煤孔隙特征做了大量研究[3-6]，部分学者结合不同测试方法对煤孔隙结构分布进行了全尺度研究[7]。然而，受初始成煤物质、沉积环境以及成煤作用等影响，三维空间上煤层各宏观煤岩组分排列差异较大，具体表现为宏观煤岩组分垂向上交替产出和横向上的不连续分布的特征，致使煤层在空间上具有较强的非均质性。不同宏观煤岩组分中显微组分和矿物质含量的差异致使不同宏观煤岩组分孔渗特征出现差异性[8-9]。煤中4种宏观煤岩组分中镜煤和暗煤是宏观煤岩组分中主要成分，也是肉眼最容易区分和筛选的煤岩组分。亮煤为镜煤和暗煤的过度带不易区分，丝炭通常在缺水的氧化环境形成为薄层状研究意义不大。贾雪梅等通过液氮吸附和扫描电镜测试研究了高阶和低阶煤中镜煤和暗煤的孔隙结构差异，认为同种变质程度煤中暗煤的比表面积明显大于镜煤，且暗煤组分微孔隙较镜煤组分发育[10]。然而，液氮吸附测试样品一般为180～250 μm 粉末样，不能代表原始块状样品真实的孔隙特征，且孔径测试范围通常小于150 nm，一般用于煤样微孔隙和比表面积研究[11]。压汞法具有准确性高、测定孔隙尺度跨度大的特点，被广泛应用于测试煤中大孔、中孔孔容、孔径分布及其连通性研究[12]。另外，压汞法所测定的毛细管压力曲线是研究孔喉特征，评价储层产气性能的基础。煤基质多孔介质系统在不同尺度上具有分形特征，用分形方法能够较好描述其孔隙分布特点。因此，采用压汞测试方法，借助分形理论研究镜煤和暗煤的孔隙结构差异性，对于认识煤岩非均质性条件下煤层气的吸附-解吸机理，扩散和渗流机理具有重要意义。

1 样品采集与测试

研究样品采集在我国煤层气开发有利区鄂尔多斯盆地南缘黄陇煤田（低阶煤矿区）和沁水盆地南部晋城矿区（高阶煤矿区）进行。由于低阶煤具有较强的非均质性，所以在黄陇煤田加密了样品采集，采样地点依次为黄陵二矿、大佛寺煤矿、胡家河煤矿、崔木煤矿、郭家河煤矿。在沁水盆地南部晋城矿区寺河煤矿采集煤样1 组。同时，为了研究同一井田的煤样的非均质性，选择在大佛寺煤矿和郭家河煤矿井下不同巷道采集煤样2 组样。本次研究共采集低价煤样品7 组，高阶煤样品1 组，共计8 组。采集煤样均为原生结构。

首先, 对采集的8 组煤样均进行了镜质体反射率和工业分析，镜质体反射率和工业分析测试结果见表1。镜煤在煤岩中常呈条带状出现，颜色为深黑，光泽强，结构均一。而暗煤常呈厚、薄不等分层，颜色为灰黑，光泽暗淡，致密坚硬。根据这些特点，人工从采得的大块煤样上手工精心剥离出了暗煤和镜煤样品进行压汞实验。本次压汞测试工作采用MACRO-9505 型压汞仪进行测试，该设备压力精度为0.000 1 MPa，体积精度为0.000 1 mL，实验压力范围为0.011 7～116.666 7 MPa，测量孔喉直径范围为12.6～126 000 nm。

表1 镜质体反射率和工业分析测试结果Table 1 Vitrinite reflectance and proximate analysis test results

依据压汞曲线可以计算出汞饱和度、歪度、分选系数、排驱压力、中值压力、中值半径等表示孔渗特征的参数，进而通过这些参数评价孔隙的复杂程度、连通性及孔隙分布特征等。煤样压汞测试结果见表2。

表2 煤样压汞测试结果Table 2 Mercury intrusion test parameters of coal samples

2 实验结果

2.1 进退汞曲线差异

压汞曲线形态主要受孔隙喉道的分选性和喉道大小的控制，由此压汞曲线特征可直观表现出油气储层孔径大小分布和孔隙喉道分布的特征，其进、退汞曲线的“滞后环”可反映孔隙的基本形态及其连通性。压汞测试曲线如图1。

图1 压汞测试曲线Fig.1 Mercury intrusion curves of coal samples

由图1 可以看出，镜煤和暗煤的压汞曲线差异明显。镜煤进汞曲线形态尖而细，进汞曲线曲率大，呈牛角状，缺乏平滑段，进汞和退汞曲线具有较好的相似性。而暗煤压汞曲线形态较为宽泛，进汞曲线相比暗煤具有明显的平滑段，进汞和退汞曲线分离较大。镜煤的进汞曲线平台段不明显说明连通孔隙的喉道直径相对于最大喉道直径的离散度较大，煤基质孔隙的差异较大，结构不均匀，暗煤则与之相反。暗煤相比镜煤曲线形态具有较大的“滞后环”，说明暗煤较镜煤含有较多的开放型孔隙，镜煤孔隙形态则以半封闭型为主。

分选系数和歪度是控制压汞曲线形态的重要指标。由表2 的测试结果可知，镜煤的歪度分布在1.10～2.23，平均1.70，暗煤的歪度分布在-1.37～1.85，平均0.55。镜煤的分选系数分布在1.99～5.71，平均4.93，暗煤的分选系数分布在-1.36～5.89，平均3.78。整体上镜煤的歪度和分选系数均要高于暗煤，说明镜煤的集中孔吼较暗煤大，且镜煤的孔隙分选性要好于暗煤。变异系数能反映孔喉大小分布均匀程度，其数值越小，孔喉分布越均匀。镜煤的变异系数分布在0.15～1.51，平均0.91，暗煤的变异系数分布在0.09～1.24，平均0.54。暗煤的变异系数整体上要小于镜煤，说明暗煤孔喉分布较镜煤均匀。

2.2 孔吼特征差异

测试结果显示，镜煤的孔隙度和暗煤的孔隙度分布在2.1%～13.8%之间，不同样品和同组样品不同组分孔隙度差异较大（表2）。实验样品中镜煤的汞饱和度分布在25.84%～90.72%，平均49.85%，暗煤的汞饱和度分布在31.12%～98.53%，平均70.31%。整体上镜煤的汞饱和度要小于暗煤，说明镜煤中连接大孔和小孔之间孔吼联通性较暗煤差。岩石的退汞效率受孔喉与孔隙大小的均一程度、连通孔隙的平均孔喉数目、孔吼形态、岩石岩样中黏土成分及其含量、岩样表面性质的差异、原始汞饱和度等多种因素影响。实验样品镜煤的退汞效率在41.87%～86.90%，平均70.07%，暗煤的退汞效率在22.08%～71.43%，平均46.72%。相比暗煤，镜煤的退汞效率明显偏高。这说明镜煤较暗煤中连通孔隙的平均孔喉数多，而且镜煤较暗煤开放型孔含量少。然而，由于镜煤的汞饱和度明显较暗煤偏低，这也是导致镜煤退汞效率较暗煤高的1 个重要原因。

排驱压力是主要反映煤样品的渗透能力，排驱压力越低，说明样品最大连通孔吼越大，渗透性越好。由表2 可以看出，实验样品的排驱压力分布在0.01～8.00 MPa，不同煤样品结果相差较大。整体上镜煤的排驱压力要小于暗煤，说明镜煤的渗透性要好于暗煤，这主要与宏观煤岩组分的显微组分构成有关。镜煤通常由植物的木质纤维组织经凝胶化作用的镜质组转变而成，结构均一，内生裂隙发育，而暗煤通常由惰质组、壳质组及矿物质组成，成分复杂，内生裂隙不发育。所以镜煤较暗煤微裂隙和大孔发育，排驱压力低，渗透性好。中值压力对应的中值半径近似反映了煤样平均孔隙半径。

实验样品的中值压力变化较大，镜煤的中值压力要高于暗煤，而中值半径要小于暗煤，说明镜煤的平均孔径要小于暗煤，即镜煤的微孔和小孔较暗煤发育。有7 个样品由于进汞饱和度小于50%缺少中值压力和中值半径数据（说明平均孔径更小），其中S3 和S5 样品镜煤和暗煤同时进汞饱和度低于50%，说明成煤环境本身对煤样的孔隙结构影响较大，同时也表明平面上低阶煤具有较强的非均质性。观察发现，以上7 个样品中其中有5 个样品为镜煤，说明镜煤虽然裂隙和大孔较暗煤发育，但镜煤大孔和中、小较孔隙联通性较暗煤差。

2.3 孔径分布特征差异

煤样孔体积特征见表3。不同煤样孔径孔体积百分比如图2。孔体积与孔径分布关系如图3。

图2 不同煤样孔径孔体积百分比Fig.2 Percent pore volume of different coal samples

图3 孔体积与孔径分布关系Fig.3 Relationship between pore volume and pore size distribution

表3 煤样孔体积特征Table 3 Pore volume characteristics of coal samples

由表3 可以看出，暗煤孔体积分布在0.078 6～0.694 6 cm3/g，其孔体积平均值为0.284 9 cm3/g。镜煤的孔体积分布在0.069 9～1.324 6 cm3/g，其孔体积平均值为0.318 6 cm3/g。整体上不同煤样镜煤孔体积要大于暗煤，但规律不明显，其中S1、S3、S4、S5、S8 样品镜煤孔体积大于暗煤，S2、S6、S7 暗煤孔体积大于镜煤。

由图2 可以看出，各煤样孔径均以小孔为主，中孔和大孔比例变化不一。镜煤和暗煤的小孔和中孔比例无明显差异性，镜煤和暗煤的大孔平均占比分别为15.91%和6.94%，镜煤中大孔比例明显高于暗煤。由此可以看出，镜煤大孔孔容占比较高有利于提高煤储层的渗透性。

由图3 可以看出，从孔径分布来看，镜煤的孔隙体积由小孔到大呈负指数趋势减小，在孔径10 000 nm 处孔体积呈略微增加的趋势，孔径分布曲线形态较为光滑。而暗煤除S3 和S8 样品外，孔隙分布曲线呈折线型（图3（b）），其中S2、S4、S7 样品在孔径200 nm 附近孔体积出现了峰值（图3（c）），扩散孔较为发育。整体上镜煤孔隙分布连续性较暗煤好，但暗煤在孔径200 nm 左右的扩散孔较为发育，更利于煤层气解吸后扩散。

3 不同煤岩类型分形差异

3.1 分形方法

分形维数可以定量描述孔隙结构的复杂程度和非均质性，压汞法孔隙数据拟合得出的分形方程为：

式中：V 为汞注入压力对应孔径进汞量，mL；p为汞注入压力，MPa；K 为lg（dV/dp）和lgp 的双对数曲线的斜率；A 为待定常量。

令y=lg（dV/dp），x=lgp，则式（1）可转化为：

式中：D 为分形维数。

根据lgp 与lg（dV/dp）之间的线性方程求出斜率K，进而依据式（3）求得D。

3.2 分形差异性

依据分形理论，在三维欧氏空间内分形维数在2～3 之间；分形维数越接近于2，孔隙表面越规则，孔隙结构越简单，非均质性越弱；分形维数越接近于3，孔隙表面越不规则，孔隙结构越复杂，非均质性越强。对压汞实验数据处理后，根据lg（dV/dp）与lgp相关性变化规律，以孔径500 nm 处为界可将分形维数划分为2 个阶段进行线性拟合分析，最终得到了小于500 nm 孔径段分形维数D1和大于500 nm 孔径段分形维数D2。lg（dV/dp）与lgD 的散点图如图4，压汞法分形维数计算结果见表4。

图4 lg（dV/dp）与lgp 的散点图Fig.4 Scatter diagrams of lg（dV/dp）and lgp

表4 压汞法分形维数计算结果Table 4 Results of pore fractal dimension of mercury intrusion method

分形结果表明，D1相关系数偏低，且分形维数大于3，对研究原始煤层的高压段孔隙的结构特征意义不大，但可间接说明500 nm 以下孔隙结构较500 nm 以上孔隙结构复杂。S8 无烟煤样品分形维数D1和D2均大于3，说明无烟煤孔隙结构较低阶煤复杂性强（图4（b））。整体上500 nm 以上孔隙段分形效果较好，但由于部分样品（尤其是暗煤）致密缺少该孔隙段，致使这些样品500 nm 以上孔隙段不具有分形特征（图4（c））。暗煤分形维数D2整体上要高于镜煤，说明暗煤大孔径段孔隙结构较镜煤复杂。

综上所述，镜煤孔隙结构中大孔发育且孔隙结构简单，孔隙形态以半封闭型为主，具有较强的渗透能力，且其本身具有较高的吸附能力。而暗煤孔隙结构具有平均孔径大，孔隙联通性好的特点，孔隙形态以开放型为主，具有较强的扩散能力。总体上镜煤具有吸附能力和渗流能力强的特点，而暗煤具有扩散能力强的特点，两者在煤层中呈互层状产出更有利于提高孔隙连通性，增强煤层的解吸、扩散和渗流能力，进而提高煤层气开发效果。

4 结 论

1）镜煤和暗煤的压汞曲线差异明显，镜煤压汞曲线形态呈牛角状，进汞和退汞曲线相似性好。而暗煤压汞曲线形态较为宽泛，进汞和退汞曲线分离较大。镜煤较暗煤集中孔喉大，孔隙分选性好，但孔喉分布均匀性较暗煤差。暗煤较镜煤含有较多的开放型孔隙，镜煤孔隙形态则以半封闭型为主。

2）实验样品中镜煤和暗煤的平均汞饱和度、平均退汞效率分别为49.85%、70.31%和70.07%、46.72%，镜煤相比暗煤具有进汞饱和度低，退汞效率高和中值压力高的特点。镜煤的平均孔径要小于暗煤，且镜煤中连接大孔和小孔之间孔吼联通性较暗煤差。压汞测试和扫描电镜观测结果显示镜煤裂隙和大孔整体上较暗煤发育，排驱压力要小于暗煤，所以镜煤的渗透性整体要好于暗煤。

3）各煤样孔径均以小孔为主，镜煤和暗煤的小孔和中孔比例差异不明显。镜煤和暗煤的大孔平均占比分别为15.91%和6.94%，镜煤中大孔比例明显高于暗煤。整体上镜煤孔隙分布连续性较暗煤好，但暗煤200 nm 左右的扩散孔较为发育，更利于煤层气解吸后扩散。暗煤分形维数D2整体上要高于镜煤，说明暗煤大孔径段孔隙结构较镜煤复杂，不利于煤层气渗流运移。

4）镜煤具有吸附能力和渗流能力强的特点，而暗煤具有扩散能力强的特点，由此指示，两者在煤层中呈互层状产出更有利于煤层气开发。