贵州金佳矿区煤储层孔隙结构及等温吸附特征

唐代学，刘 文*，娄 毅，邵林杰，阳富芹

(1.贵州省地矿局117地质大队，贵州 贵阳 550018；2.贵州盘江煤层气开发利用有限责任公司，贵州 贵阳 550081)

1 引言

范俊佳等的研究表明，煤储层的孔隙极为发育，从不足1 nm到最大可达数mm(胡广青 等，2011)；由于煤体结构、构造作用、孔隙结构、变质程度等的不同，煤层气在煤储层中的赋存状态差异较大，同时也对煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流有重要的影响(范俊佳 等，2013；党广兴 等，2017；李慧 等，2019)。贵州正式实施瓦斯治理行动，研究煤储层的孔隙结构及瓦斯吸附特征，对预防瓦斯灾害及煤层气勘探开发具有比较重要的意义(沈仲辉 等，2017)。金佳矿区位于贵州盘州市中部，矿区具有构造复杂、可采煤层层数多、瓦斯压力及含气量高、煤层气资源量大等特点；本文通过金佳矿区的煤层气参数井，运用扫描电镜、压汞测试、甲烷等温吸附实验等对金佳矿区主要煤储层孔隙及吸附性特征分析研究，为矿区煤层气开发提供理论数据及参考价值。

2 矿区概况及样品采集

压汞试验采用美国麦克公司AuotoPore IV 9500全自动压汞仪，进汞压力最大228 MPa，能探测到孔径5 nm以上的孔隙。运用德国蔡司公司ZEISS SUPRA 55 SAPPHIRE扫描电子显微镜观测煤中的孔隙和裂隙发育特征。等温吸附试验采用高压容量法，按照《煤的高压等温吸附试验方法》(GB/T19560-2008)进行甲烷吸附试验，试验温度为恒定30℃。基础测试按照《煤的工业分析方法》(GB/T212G-2008)及《显微煤岩类型分类》(GB/T15589-2013)测定，煤样基本测试结果见表1。

表1 主要煤层煤样基础测试

3 扫描电镜

通过扫描电镜观察金佳矿区主要可采煤层孔缝发育类型，矿区煤孔隙受构造、压实变形，气体活动、矿物溶蚀、充填、矿物分布等影响发育较多类型的孔缝，孔缝形态多样，孔径大小不一，对煤层气的赋存、吸附、渗流等有重要的影响。

矿区原生孔主要发育在有机组分中，一般在镜质体或丝质体成群或带状密集分布，原生孔孔径分布较大，从几纳米到几十至几百微米均有发育；图1(a)镜质体中可见定向、似定向或串珠状成煤植物自身发育的细胞结构孔，孔径最大可达174 μm；原生孔可见清晰轮廓，孔隙边缘较圆滑，孔隙之间基本不连通，无矿物质充填；随压实作用的增加及煤演化的推进，部分原生孔隙被高岭石、绿泥石、伊利石、石膏、黄铁矿、硅质、石英微晶体等矿物质充填，图1(a)中部分胞腔孔被致密高岭石集合体充填，矿物质的充填对煤层气的富集起反作用；如图1(b)，丝质体因压实遭受剧烈变形，发育大量孔缝，增大了煤层吸附性及赋存空间；气孔主要赋存于有机质中，生气量大，可孤立或成群、带状密集分布；如图1(c)所示，在镜质体中成群发育大量气孔，气孔之间也很少连通，孔径大小从不足10 nm到1 μm均有分布；气孔是煤化作用阶段由生气和聚气作用形成的，气孔分布与气体活动强度有关(刘金霖 等，2018)。

煤中碳酸盐岩类、长石、和方解石等可溶性矿物质在气、水长期作用下被溶蚀而形成溶蚀孔(张慧，2001)；图1(d)石英微晶在酸性条件下发生溶蚀并与片状高岭石集合体充填孔隙，石英微晶棱角及颗粒边缘清晰；矿物溶蚀较为少见且多单独出现。矿物铸模孔多是由黄铁矿颗粒因硬度差异在有机质上形成印坑(张慧，2001)，图1(e)中，粒状及草莓状黄铁矿呈团窝状顺层分布于镜质体内部，在镜质体上可见清晰的印坑，孔径大小受黄铁矿颗粒大小的影响，孔隙边缘黄铁矿颗粒印迹清晰，铸模孔之间及与其他孔缝连通性差。

金佳矿区煤储层赋存比较多的矿物质，矿物质多定向或顺层分布，粒间孔就存在于各种矿物质之间，成矿物质的形态多样，造就了不同形态、大小的粒间孔。如图1(e)、(f)分布于镜质体上的黄铁矿颗粒、具生长纹的方解石微晶间就赋存较多的粒间孔，扩大了煤层气的赋存和吸附空间；此外诸如硅质、石英微晶、粒状及草莓状黄铁矿、方解石微晶、层状黏土矿物集合体、高岭石、伊利石、绿泥石等矿物质赋存于有机质表面，表面孔隙增加煤孔隙的比表面积及孔容，增强了煤层气的吸附性。

图1 煤样扫描电镜煤样孔隙照片

表2 主要煤层煤样压汞测试数据

4 压汞试验及分析

压汞试验采用逐步加压的方式，向煤岩中逐步注入液态汞，根据汞的注入量和退出量可以分析煤岩中孔隙连通性，孔隙大小、孔径分布、孔隙度等特征；压汞测试结果见表2。

4.1 压汞曲线

不同煤样的进汞与退汞曲线有不同的压汞滞后环，根部孔隙滞后环宽度、进汞、退汞体积差不同，分析不同煤样孔隙的基本形态及连通性。根据矿区主要煤层压汞测试结果，不同煤样压汞曲线有三种。

图2 代表性煤样压汞曲线类型

4.2 孔容、比表面积

5 变质程度对孔隙性的影响

图3 变质程度与孔隙度关系

根据金佳矿区煤的压汞孔隙结构分析，对煤的孔容和比表面积影响较大的是中孔和微孔，微孔的含量决定了孔容和比表面积的大小，而中孔的含量大能较大程度增加总孔容。图4可知，孔隙度越大，开放孔含量越高，总孔容越高，两者呈比较明显的正相关；微孔占比越多，总比表面积越大，吸附性能越强；孔隙度和平均孔径的大小能一定程度反映出微小孔的数量占比，孔隙度和平均孔径越大，比表面积越小；而金佳矿区煤样孔隙平均孔径与孔容、总比表面积的关系不明显；如图4，随孔隙度的增加，总比表面积也随之增加，这与一般认为孔隙度与总比表面积呈负相关的认识(唐书恒 等，2008；蔡佳丽 等，2011；赵兴龙 等，2010；高为 等，2016；刘金霖 等，2018)也是相反的。

图4 孔隙度与总孔容、总比表面积关系

产生这一现象的原因可能是10#、18#煤埋深较大，受压实作用，其孔隙度、孔容和比表面积相对减小；而7#、22#、24#煤样因埋深相对较浅，多为糜棱结构煤，受构作用影响，煤样中存在较多的孔隙及裂隙，增大了煤样的平均孔喉半径及孔隙度，煤样总孔容增加，裂隙也增大了煤样的比表面积；同时由于煤样无机组分含量大于35%，含量高，无机组分之间及无机组分自身为孔容和比表面的贡献较大，使得煤样的孔容和比表面积增大。

6 等温吸附特征

煤的等温吸附试验是评价煤层气吸附能力的重要方法，Langmuir理论可以定量表征甲烷吸附特征，按照兰氏方程对等温吸附试验结果拟合得到兰氏压力VL、兰氏体积PL、吸附常数a、b及相关系数R；a代表煤层的最大吸附能力，其数值等于VL，a越大，煤储层吸附能越强；b代表煤层到达甲烷最大吸附量的速度，b越小，煤储层吸附甲烷越快(沈仲辉，2017)。

图5 甲烷等温吸附试验曲线图

矿区不同煤样的甲烷等温吸附结果如图5、表3所示，不同煤样的等温吸附曲线具有相同的特征，特别是在压力小于1MPa时，各煤层的吸附曲线基本重合；甲烷吸附量随压力的升高而增大，实验中未见最大吸附量的出现；在压力小于4MPa时，甲烷吸附量快速升高，压力大于4MPa时，甲烷吸附增长速度逐渐变慢，吸附曲线逐渐趋于平缓，很难在吸附更多的甲烷。

表3 甲烷等温吸附试验拟合结果

图6 总比表面积与VL关系

煤中甲烷的吸附量取决于吸附空间和吸附能力；吸附空间影响因素为孔容和比表面积，较多研究(胡广青，2011；党广兴 等，2017；沈仲辉，2017；韩勇 等，2017)认为孔容和比表面积越大，吸附空间越大，吸附量就越大；吸附能力主要由孔隙结构、空隙连通性决定，退汞效率越低，孔隙连通性越好。金佳矿区煤中VL随总比表面积变化关系见图6，可见金佳矿区甲烷最大吸附量并不是随总比表面积的增加而增加，两者的关系并不明显；其他诸如VL与总孔容、PL与总比表面积及总孔容、VL与孔隙连通性(退汞效率)的关系与之类似，说明金佳矿区煤储层孔隙结构对甲烷吸附性的影响有限；矿区煤储层甲烷吸附特征应是受埋深、变质程度、构造作用、孔隙结构、显微组分、煤体结构等多种因素共同作用的结果。

7 结论

(1)金佳矿区煤层中发育较多的原生孔、气孔及张性裂隙，次生孔隙主要为粒间孔，矿物溶蚀孔、矿物铸模孔相对较少；裂隙及孔隙之间存在的大量无机组分为煤层气吸附提供了空间，张性裂隙与孔隙连通时，能极大改善煤层气渗流能力。

(3)矿区3#、24#煤甲烷吸附速率最快，吸附能力最强；矿区煤储层孔隙结构对甲烷吸附性的影响有限。综合考虑煤质、显微组分、煤体结构、孔隙及吸附性特征等，矿区煤层气开发应以3#煤层为主要目的层。