黔西阿弓向斜北翼主采煤层孔隙结构特征研究

李荣雷 冯云飞 韩明辉

摘要：为研究黔西织纳煤田阿弓向斜煤储层孔隙结构特征，指导该区煤层气开发和煤矿瓦斯抽采，对研究区施工的煤层气参数井DJT1井主采煤层煤样做了压汞、煤岩鉴定等相关实验，结合实验数据分析了煤层中孔隙特征及孔隙表征参数的变化规律，探讨了该区孔隙特征的地质控制因素。结果表明：孔隙形态以开放孔为主，含一定数量的半封闭孔。总孔容在0.022 5～0.033 1 mL/g，小孔所占比例最高，其次是微孔。孔隙率和孔容随煤变质程度增加呈现递减变化。煤岩显微组分镜质组含量普遍超过55%，控制了微孔和小孔的含量，而矿物质含量的增加总体上对孔隙发育产生不利影响。

关键词：阿弓向斜 主采煤层 孔隙特征 压汞实验

中图分类号：TE31;P618.13

Research on the Pore Structure Characteristics of the Main Coal Seam in the North Flank of the Agong Synclinal Coal Reservoir in Qianxi

LI Ronglei   FENG Yunfei*  HAN Minghui

（Guizhou Engineering Technology Research Center for Coalbed Methane and Shale Gas， Guiyang， Guizhou Province， 550081 China）

Abstract： In order to study the pore structure characteristics of the Agong synclinal coal reservoir  of the Zhijin-Nayong Coalfield in Qianxi to guide the development of coal-bed methane and the extraction of coal mine gas in this area， relevant tests such as mercury intrusion and coal rock identification have been carried out on coal samples from the main coal seam of Well DJT1， a coal-bed methane parameter well， constructed in the research area， the change laws of the porosity characteristics and pore characterization parameters in the coal seam have been analyzed in combination with test data， and the geologic control factors of the porosity characteristics in this area have been explored. The results show that the pore morphology is dominated by open pores， with a certain number of semi-closed pores， that the total pore volume ranges from 0.022 5 to 0.03 31mL/g， with the highest proportion of small pores， followed by micropores， that the porosity and pore volume decrease with the increase of the degree of coal metamorphism， and that the content of the maceral vitrinite of coal petrography generally exceeds 55%， which controls the content of micropores and small pores， while the increase of mineral content generally has a negative impact on the development of pores.

Key Words： Agong synclinal coal reservoir; Main coal seam; Porosity characteristic; Mercury injection porosimetry

煤层气的勘探开发对于优化能源结构，保障煤矿安全生产，助力“双碳”目标实现具有重要作用。研究煤储层孔隙性、渗流特征和煤层气资源可采性的地质基础是正确认识煤储层孔隙系统特征[1]。符宏斌等人[2]借助采用高压压汞、低温N2吸附和CO2吸附探讨了黔西地区高煤级煤的微观孔隙结构特征及其对含气性的影响。陈刘瑜人等[3]通过贵州北部典型煤矿煤样的低温液氮吸附试验，揭示了突出煤孔隙结构对瓦斯吸附能力与放散性能影响。李祥春等人[4]建立了煤纳米孔结构的联合表征模式，并对不同变质程度的煤进行了表征。林华颖等人[5]采用红外光谱、低温氮气吸附法和压汞实验方法，研究了黔北地区煤体在构造作用下孔隙结构与分形特征。煤储层的孔径分布和孔隙类型对煤层气的吸附、扩散和渗流具有重要影响。目前，阿弓向斜主采煤层的孔隙结构特征研究工作相对较少。因此，通过对煤层气参数井DJT101孔主采煤层压汞实验分析了孔径结构特征，并结合煤岩鉴定资料综合分析了控制孔隙发育的地质因素，对该地区煤层气的勘探开发和煤矿的瓦斯治理具有重要的意义。

1 研究区背景

研究区位于黔西织纳煤田阿弓向斜的北翼，为一单斜构造。地层走向近南北，倾向东；矿区地层倾角一般15°～25°。煤层气参数井DJT1井揭露煤系地层井深371.60～639.30 m，伪厚267.70 m，全层真厚255.86 m。全井含煤层29层，煤层总伪厚42.22 m，煤层总真厚39.91 m，含煤系数为15.60%。可采煤层8层，可采煤层总伪厚34.77 m，总采用真厚31.89 m。

2 样品采集与测试

煤样采自煤层气参数井DJT1井，包括6、14、16、21、27、32号煤等共计6套主采煤层。对煤岩样品开展了压汞测试。采用纯净煤样，统一破碎至2 mm左右，放入压汞仪中，计算机程控点式测量，记录进汞阶段和退汞阶段压力数据。压汞实验使用的是美国康塔仪器公司生产的Quantachrome PoreMaster 60GT—康塔压汞仪。仪器压力范围0～413 MPa，测量孔径范围3 nm～1 000 μm。汞表面张力取0.485 N/m，汞与固体表面的接触角取140°。

3 结果与讨论

3.1 测试结果

压汞实验采用B.B.Xoдor[6]的十进制分类系统，即：大孔孔径>1 000 nm；中孔孔径1 000 nm 到100 nm；小孔孔径100 nm 到10 nm；微孔孔径<10 nm。各主采煤层的压汞实验结果见表1。为消除人为裂隙的干扰，剔除孔径>10 000  nm的测试数据。

主采煤层的压汞测试结果表明：平均孔隙率为3.78%，平均孔容为0.027 6 cm3/g，平均总表面积为6.486 m2/g，平均孔径为17.06 nm。相较于沁水盆地煤储层孔隙率平均值5.80%和鄂尔多斯盆地8.32%，研究区煤储层孔隙率较低。从孔径分布特征来看，各主采煤层整体以微孔和小孔为主，个别煤样外，各类孔隙所占体积比例的顺序为小孔>微孔>中孔>大孔。这与前人研究认为随煤层变质程度升高，微孔和小孔占比增加的结论相一致。

3.2 压汞曲线分析

从参数井目的煤层压汞曲线来看，参数井主要目的煤层的退汞滞后现象较明显，孔隙类型以开放孔为主，孔隙连通性较好，有利于煤层气的渗流产出，尤其以6号煤和14号煤退汞滞后现象最为显著（如图1所示），这与其较高的大孔、中孔含量有关。

3.3 孔比表面积分布特征

煤的比表面积与煤的孔隙结构和分子结构有关。从表2可以看出，微孔的比表面积占比较多，含量大于60%；其次为小孔，所占比例在38%左右；大孔和中孔所占的比例很小，基本小于1%。

4 孔隙发育的控制因素

研究表明：除矿物质含量影响研究区主采煤层的孔隙系统外，煤级和煤岩显微组分在一定程度上控制着研究区各主采煤层孔隙系统的形成和发育。具体煤岩鉴定测试数据如表3所示。

4.1 煤级对孔隙系统影响

煤的变质程度与煤的孔径分布普遍关系密切，通常随着煤阶的变化而规律性的变化。研究区各主采煤层的孔隙率和孔容随着煤级的增高而降低。

4.2 煤岩组分对孔隙结构的影响

从宏观角度来说，煤的宏观煤岩成分决定煤的孔隙结构分布。从镜煤、亮煤、暗煤到丝炭，呈现小孔和微孔逐渐减少，而大、中孔不断增多的特征。从微观角度来说，不同的显微组分中，孔隙结构发育和孔隙类型组合差异非常大，以镜质组为例，其主要发育微孔和小孔。煤岩实验结果表明：研究区主采煤层镜质组的平均含量为61.88%，另外，各主采煤层压汞实验结果表明，各主采煤层的孔隙类型以微孔和小孔为主，综上所述，镜质组含量大小控制研究区主采煤层的孔隙结构特征。

4.3 矿物质含量对孔隙结构影响

煤层中的矿物成分对孔隙发育有正反两方面的作用：一方面，矿物成分将煤岩中的大孔和中孔部分充填，使得煤岩的孔隙总体积降低，大部分研究人员认为矿物质的存在对孔隙系统发育起负面作用；然而矿物本身可能存在一些粒间孔等，对煤的总孔容有微小的贡献。研究区主采煤层的无机组分（黏土类矿物、硫化物类矿物、碳酸盐类矿物）平均含量为15.75%。研究表明：研究区主采煤层的大中孔的含量与矿物质含量呈负相关关系，即随着矿物质含量增加，大中孔含量减小。综上所述，煤层中存在矿物成分是研究区主采煤层中大中孔含量较少的一个重要原因。

5 结论

（1）煤层压汞测试表明，各主采煤层平均孔隙度为3.78%，平均孔容为0.027 6 cm3/g，平均总表面积为6.486 m2/g，平均孔径为17.06 nm。各主采煤层中孔隙分布不均匀，孔隙类型以微孔和小孔为主，两者含量之和普遍在70%以上。孔隙的形态以开放型孔为主。比表面积占比微孔最多，含量在86.39%～89.13%，为煤层气的吸附提供了储集空间。

（2）研究区主采煤层的孔隙率随煤变质程度增加呈现降低的变化趋势。研究区主采煤层镜质组的平均含量为61.88%，控制了各主采煤层中小孔和微孔的发育。煤层中矿物质的存在整体上对孔隙的发育产生不利影响，初步推断煤层中存在矿物成分是造成研究区主采煤层中大中孔含量较少的一个重要原因。

参考文献

[1] 邹才能，马锋，潘松圻，等.论地球能源演化与人类发展及碳中和战略[J].石油勘探与开发， 2022，49（2）：411-428.

[2] 符宏斌，苑坤，卢树藩，等 .黔西上二叠统龙潭组高煤级煤微观孔隙结构特征及其对含气性的影响[J].天然气地球科学，2020，31（12）：1814-1825.

[3] 陈刘瑜，李希建，沈仲辉，等.贵州北部突出煤的孔隙结构及分形特征研究[J].中国安全科学学报，2020，30（2）：66-72．

[4] 李祥春，高佳星，张爽，等.基于扫描电镜、孔隙-裂隙分析系统和气体吸附的煤孔隙结构联合表征[J].地球科学，2022，47（5）：1876-1889.

[5] 林华颖，田世祥，焦安军，等.贵州黔北地区构造煤与原生结构煤孔隙特征及分形[J].科学技术与工程，2021，21（33）：14451-14458．

[6] Xoдor 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，1996.