高、低煤阶煤中宏观煤岩组分孔隙特征研究

贾雪梅，蔺亚兵，马东民

(1.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000；2.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008；3.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；4.西安科技大学，地质与环境学院，陕西 西安 710054)

煤层气主要以吸附态赋存于煤储层的孔隙当中，因此煤的孔隙结构特征是影响煤层气吸附/解吸及扩散的重要影响因素[1，2]。近年来，国内学者对煤孔隙特征研究的文献较多，主要集中在不同变质类型[3-5]、不同变质成因[6]、不同煤体结构[7，8]、不同显微煤岩组分孔隙特征研究方面[9，10]，但对煤储层本身非均质性所造成的孔隙结构差异研究较少，特别是对煤基质本身不同宏观煤岩组分孔隙结构特征及其对整个煤基质本身孔隙特征影响研究尚未见到[11-13]。煤是一种天然有机岩，孔隙结构较为复杂，由于初始成煤物质、沉积环境及变质程度的不同，各宏观煤岩组分含量和排列差异较大，表现出非均质不连续的多相复合结构[14]。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，镜煤在煤岩中常呈条带状出现，具有明显的贝壳状断口，暗煤在煤岩中则常以条带状和线理出现。目前，我国煤层气开发成功区域主要集中在以沁水盆地为代表的高阶煤矿区和以鄂尔多斯盆地西南缘、准格尔凹陷南缘等为代表的低阶煤矿区，高、低煤阶煤不同宏观煤岩组分孔隙结构特征对我国煤层气勘探开发尤为重要。由此，本文拟对采自低阶煤和高阶煤两种不同变质程度煤样品中的镜煤和暗煤进行手工分离，在此基础上采用氦孔隙度测试、液氮吸附和扫描电镜实验等测试手段，研究不同宏观煤岩组分孔隙结构特征，为煤储层非均质性、煤-水-气相互作用机理及煤层气解吸、扩散和渗流等研究提供参考。

1 样品采集与测试

1.1 样品采集

本次研究在我国煤层气开发有利区鄂尔多斯盆地南缘黄陵矿区黄陵二矿(低阶煤矿区)和沁水盆地南部寺河煤矿(高阶煤矿区)各采集样品1组，样品所属矿区、地点、煤种、煤质及煤层号见表1。研究人员在矿井内正在开采的工作面或掘进面位置利用刻槽法采集新鲜煤样，装袋密封送回室内。

1.2 样品制备与分析测试

采集的煤样在室内利用肉眼将煤样品中镜煤和暗煤进行分选，然后对分选煤样进行处理后分别采用ASAP2020比表面积分析仪、JSM-5500LV型电子显微镜进行液氮吸附、扫描电镜测试。煤样工业分析结果见表1。

表1 煤样工业分析结果

2 实验结果分析

2.1 实验结果分析

2.1.1 煤岩、煤质特征

化验测试结果显示黄陵煤样镜质体反射率为0.63%(小于0.7%)，挥发分为30.54%，属于低变质程度弱粘煤。寺河煤样镜质体反射率为3.27%(大于1.9%)，挥发分为5.51%，属于高变质程度无烟煤。随着煤变质程度增大，煤中挥发分明显降低。

2.1.2 煤孔隙度特征

现有研究结果表明，低变质程度的长焰煤孔隙度最大(约16%)，孔隙度随煤变质程度增大而逐渐变小，到肥煤阶段孔隙度最小(约2%)，至高煤化程度的无烟煤孔隙度又有明显的增加(约9%左右)[15]。氦孔隙度较密度法更能准确的测试煤岩样品中孔隙的孔容积，从而减小微小裂隙对孔隙度的影响，更能精确的反映煤的孔隙度。本次测得四个样品孔隙度分布在2.1%～8.2%，整体上两组测试结果均显示出镜煤的孔隙度要高于暗煤，高阶煤高于低阶煤，见表2。

表2 氦孔隙度和液氮吸附实验结果

注：孔隙大小按霍多特十进制分类系统，大孔(>1000nm)、中孔(100<1000nm)、小孔(10<100nm)和微孔(<10nm)。

从煤岩学的角度分析，镜煤通常光泽较强，具有纹理，且内生裂隙较发育，而暗煤通常含有较多的孢粉和胶质体等壳质组分，致密坚硬。镜煤较暗煤孔隙度大，间接预示着镜煤较暗煤更有利于煤层气解吸后扩散。

2.1.3 比表面积及孔容特征

液氮吸附法是研究煤孔隙微孔隙结构的常用方法，本次液氮吸附实验结果见表2。本次实验室结果煤样比表面积分布在0.5220～53.7978m2/g，孔容分布在0.003841～0.010693mL/g。高阶煤各煤岩组分的比表面积明显大于低阶煤，暗煤的比表面积明显大于镜煤比表面积，预示着高阶煤的吸附能力要强于低阶煤，暗煤的吸附能力强于镜煤。高阶煤各煤岩组分的孔容大于低阶煤，但同种煤岩组分相差不大，暗煤的孔容积明显大于镜煤。

2.2 孔隙特征研究

2.2.1 孔径分布特征

液氮吸附曲线可以客观反映煤孔隙分布特征，文献[2]将煤液氮吸附曲线划分为三种类型，黄陵镜煤属于A2至A3过渡型(图1a)，黄陵暗煤属于A2型(图1b)，其特点是相对压力在0.1之前吸附曲线急剧上升，但上升幅度很小，0.1～0.2间上升较为平缓，0.8～0.9间急剧上升，且上升幅度很大。此类曲线反映煤孔隙分布主要以微孔、小孔、中孔为主。寺河镜煤(图1c)和寺河暗煤(图1d)属于典型的A1型，其特点是相对压力在0.1之前吸附曲线急剧上升且相对幅度较大，在0.1～0.8间上升较为平缓，而在0.8～1.0 间又急剧上升。此类吸附曲线主要以微孔为主，含有少量小孔、中孔。

图1 不同宏观煤岩组分液氮吸附脱附曲线

从图2不同煤岩组分比表面积与孔径分布关系图，可以看出同种煤镜煤微孔的比例要稍小于暗煤，低阶煤的微孔比例要小于高阶煤。整体上低阶煤孔隙结构以微孔为主，小孔次之，同时含少量中孔，高阶煤主要以微孔为主，含少量小孔和中孔。

图2 比表面积与孔径分布关系

2.2.2 孔隙类型

液氮脱附曲线可以反映测试物质一定孔形结构的特征，煤液氮脱附曲线主要与国际纯化学与应用化学联合会(IUPAC)划分的H3型和H4型相似。文献[2]以孔形对吸附回线(脱附曲线)的贡献为依据，将煤的孔隙划分为4类：一端开口的孔(一端开口的筒状孔、一端开口的楔形孔以及一端开口的锥形孔)，两端开口的筒状孔，墨水瓶形孔和狭缝形孔。在此基础上以不同的回线类型反映不同孔形结构的分布为依据，将煤液氮脱附曲线类型划分为3种类型。黄陵镜煤和暗煤两条脱附回线相似，均属D2型，小于4nm 的孔隙类型以一端开口的孔为主，大于4nm的孔则主要以两端开口的孔和墨水瓶孔为主，同时含有少量的一端开口的孔。寺河镜煤和暗煤两条脱附曲线相似，均属D1型，相对压力小于0.9之后至0.1没有出现闭合点，且拐点不明显，孔隙类型主要以狭缝形孔为主，同时含少量两端开口的孔。由此分析，同种煤不同宏观煤岩组分孔隙形态基本一致，不同煤岩组分对煤孔隙形态影响不明显，影响煤孔隙形态的主要因素是煤变质程度，可见煤化作用是影响煤孔隙形态的重要因素。

从孔隙结构分布和形态综合分析，微孔比率和比表面积高阶煤较低阶煤高，说明高级煤较低阶煤吸附能力强。但高阶煤吸附能力强的同时其狭缝型孔为主的孔类型和高比率的微孔结构在煤层气解吸过程中易受毛管压力和束缚水的影响不易解吸和扩散。

3 扫描电镜分析

扫描电镜可在自然断面上定性和半定量研究煤中尺度大于0.1nm的裂隙、空洞和孔隙的发育情况。本次扫描电镜试验最大放大倍数3500倍，部分试验结果如图3所示。实验测试结果表明不同变质程度煤不同煤岩组分表面均不同程度发育有微孔隙，但微裂隙和矿物充填有所差别。黄陵镜煤表面光滑，断口呈贝壳状，发育有节理间微缝，黄陵暗煤表面呈条带状，裂缝及微孔发育；寺河镜煤表面呈波浪状，见个别微气孔，有片状高岭石晶体集合体充填于微孔隙中，寺河暗煤则发育蜂巢状微气孔。从煤变质程度来分析高变质煤宏观煤岩组分较低变质程度煤微孔隙发育，同种变质程度煤暗煤组分较镜煤组分发育。

图3 不同煤样扫描电镜图片

4 结 论

1)高阶煤氦孔隙度高于低阶煤，煤的孔隙度受控于煤化作用。镜煤的氦孔隙度要高于暗煤，镜煤组分更有利于煤层气解吸后扩散。

2)高阶煤各煤岩组分的孔容大于低阶煤，但同种煤岩组分相差不大，暗煤的孔容积明显大于镜煤。高阶煤各煤岩组分的比表面积明显大于低阶煤，暗煤的比表面积明显大于镜煤。暗煤组分较镜煤组分、高阶煤较低阶煤更有利于煤层气吸附。

3)低阶煤孔隙结构主要以微孔和小孔为主，含少量中孔，小于4nm的孔隙类型主要为一端开口的孔，大于4nm的孔以两端开口的孔和墨水瓶孔为主。高阶煤孔隙结构主要以微孔为主，含少量小孔和中孔，孔隙类型主要为狭缝形孔，同时含少量两端开口的孔。宏观煤岩组分对孔隙分布特征和孔隙类型影响不明显，煤化作用是影响煤孔隙特征的主要因素。

4)高变质煤宏观煤岩组分较低变质程度煤微孔隙发育，同种变质程度煤暗煤组分微孔隙较镜煤组分发育，这一点液氮吸附和扫描电镜实验结果具有一致性。