神东矿区不同埋深弱胶结砂岩的孔隙结构特征研究

李回贵，李化敏，许国胜

(1.贵州工程应用技术学院矿业工程学院，贵州 毕节 551700；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)

神东矿区由于其特殊的沉积环境和沉积过程，造成该地区地层中存在大量的弱胶结砂岩地层，其成分特征、微观结构、孔隙结构特征及力学特征与常规砂岩有显著的差异[1-3]。我国西部地区虽然降水少，干旱缺水，但该地区同样存在严重的水害威胁[4-5]。砂岩的孔隙大小、孔喉大小及连通性对其自身的富水性和渗透性存在显著影响，与该地区地层的富水性及水害的形成机理有关系。

国内外学者对岩石的孔隙结构特征开展了大量的研究，取得了一系列的重要成果。周科平团队[6-11]以砂岩、大理岩、花岗岩等为研究对象，采用AniMR-150核磁共振测试分析系统对冻融循环作用后、卸荷损伤后的孔隙大小、孔径分布、T2谱特征进行了详细的研究；宋朝阳等[12]以侏罗系砂岩、泥质砂岩为研究对象，采用扫描电镜对不同干湿循环次数试样的细观结构进行了研究；刘钦等[13]以新疆哈密弱胶结砂岩为研究对象，通过氦孔隙度实验与压汞实验对弱胶结砂岩孔隙结构进行了分析；李化敏等[14-16]采用SEM对神东矿区不同沉积时期砂岩的孔隙结构、大小以及孔隙分布规律进行了详细的研究；张嘉凡等[17]以陕北矿区红砂岩为研究对象，采用SEM对其细观结构特性进行分析，并建立了岩石细观结构与其宏观水理特性间的联系；王苏健等[18]采用高压压汞、核磁共振等实验测试技术对柠条塔井田不同时代地层、不同岩性砂岩微观孔隙特征进行了研究。杨鹏等[19]、王春刚等[20]采用压汞测试手段对锦界煤矿侏罗系砂岩和榆横北区煤层顶板砂岩的孔隙特征进行了研究。

综上所述，国内外学者采用压汞实验、扫描电镜实验和低场核磁共振实验对大理岩、花岗岩、砂岩、弱胶结砂岩等的孔隙结构特征进行了研究，但是对于神东矿区弱胶结砂岩的孔隙结构特征研究相对较少，不能满足该地区矿业工程、地质工程建设和保水采煤的基础理论需求，因此，笔者以神东矿区布尔台煤矿不同埋深弱胶结砂岩为研究对象，对其进低场核磁共振实验(NMR)，分析了弱胶结砂岩的孔隙率、孔径大小及分布、孔喉半径。

1 试样采集与加工及实验方案

1.1 试样采集与加工

弱胶结砂岩试样采集于神东矿区布尔台煤矿，经过防震膜包装之后，装入岩芯盒打包运送到学校实验室，对采集的岩芯进行取芯、切割、磨平后制成Φ50 mm×50 mm的试样。弱胶结砂岩的试样共分为4组，A组试样～D组试样都为粗粒砂岩，试样的埋深分别为92.14～94.30 m、118.40～120.69 m、242.27～242.95 m、317.86～320.33 m。试样参数见表1。

表1 弱胶结砂岩的基本参数表Table 1 Basic parameters of weakly cemented sandstone

1.2 试验方案

NMR试验采用苏州纽曼生产的MesoMR23-060H-I中尺寸核磁共振分析与成像系统，该设备的主磁场为0.5 T，频率为21.3 MHz。 实验前需要将试件在水中进行真空包和2 h，饱水压力为100 kPa；然后运用核磁共振测试仪对12个不同埋深粗粒砂岩(A组试样～D组试样)进行T2谱测试，然后运用该设备对其孔隙率及孔喉进行测试。

2 不同埋深弱胶结砂岩的T2谱分布

低场核磁共振实验的T2谱可以反映岩石内部的孔隙率及尺寸。T2值的大小与孔隙尺寸成正相关；T2谱曲线谱面积与孔隙数量正相关，谱面积越大，孔隙的数量就越多；单个谱峰的面积和峰值与相应尺寸的孔隙数量正相关[21]。

图1为不同埋深砂岩的T2谱特征，表2为不同埋深砂岩的谱面积分布统计表。从表2中可以发现，布尔台煤矿埋深为92.14～94.30 m的粗粒砂岩存在3个波峰，第一波峰占比为18.58%～34.53%，平均值为26.86%；第二波峰占比为64.70%～80.57%，平均值为72.11%；第三波峰占比为0.77%～1.46%，平均值为1.03%。埋深为118.40～120.69 m的粗粒砂岩也存在3个波峰，第一波峰占比为15.23%～20.23%，平均值为17.65%；第二波峰占比为79.58%～84.50%，平均值为82.20%；第三波峰占比为0.00%～0.27%，平均值为0.15%。埋深为242.27～242.95 m和317.86～320.33 m的粗粒砂岩都存在2个波峰，第一波峰占比分别为98.77%～99.21%和99.05%～99.30%，平均值分别为99.06%和99.18%；第二波峰占比分别为0.79%～1.23%和0.70%～0.95%，平均值分别为0.94%和0.82%。结合以上数据分析和图1可知，随着埋深的逐渐增加第一波峰逐渐减小，并与第二波峰合并成第一波峰，这主要是由于随着埋深的逐渐增加，弱胶结砂岩内部的微小孔减少，小孔和中大孔逐渐增加导致的；随着埋深的增加，最大波峰的峰点时间逐渐减小，这说明埋深对其中大孔孔径有显著的影响，孔径逐渐减小。不同埋深弱胶结砂岩最后1个波峰的峰点时间都很大，基本都在600 ms左右，这说明不同埋深弱胶结砂岩内部存在一定量的微裂隙。4种不同埋深砂岩的T2谱波形连续性很好，这说明其内部的孔隙连通性好。4种埋深弱胶结砂岩的孔隙率分别为39.180%、36.132%、44.782%、19.732%，这说明随着埋深逐渐变大，弱胶结砂岩的孔隙率有逐渐减小的趋势。

图1 不同埋深弱胶结砂岩的T2谱分布Fig.1 T2 spectrum distribution of weakly cemented sandstone with different buried depths

表2 不同埋深弱胶结砂岩的T2谱面积和孔隙参数表Table 2 T2 spectral area and pore parameters of weaklycemented sandstone with different buried depths

3 不同埋深弱胶结砂岩孔径分布分析

根据核磁共振弛豫机制，对于孔隙材料，孔隙中流体的横向弛豫速率1/T2可近似表示为式(1)[11,22]。

(1)

式中：S为孔隙表面积，cm2；V为孔隙体积，cm3；ρ2为横向表面弛豫强度，μm/ms。

由于孔隙半径与孔隙喉道孔径成正比，式(1)可简化为式(2)[11,22]。

(2)

式中：r为孔隙半径，μm；Fs为几何形状因子(球状孔隙，Fs=3；柱状孔隙，Fs=2)。

根据文献[11]和文献[22]，岩石类Fs取值为2，ρ2的取值范围一般为1～10 μm/ms，本文取其中值5 μm/ms，代入式(2)中可以化简成式(3)。

r=10T2

(3)

根据式(3)将不同埋深弱胶结砂岩的T2谱分布图进行转化，如图2所示。从图2中可以发现，不同埋深弱胶结砂岩的孔径存在差异。砂岩为多孔介质，国内外学者对其孔隙结构进行了充分的研究，但是对于孔径划分标准还没有统一的认识，周科平等[23]认为砂岩小孔为r<100 μm，中孔为100 μm1 000 μm；李杰林等[11]认为小孔为r≤1 μm，中孔为1 μm5 000 μm)。

图2 不同埋深弱胶结砂岩孔径分布图Fig.2 Pore size distribution of weakly cementedsandstone with different buried depths

根据以上划分标准对弱胶结砂岩的孔径进行划分，统计结果见表3。从表3中可以发现，不同埋深弱胶结砂岩都明显存在微孔、小孔、中孔和大孔，但是孔径占比有所差异；埋深为92.14～94.30 m、118.40～120.69 m和317.86～320.33 m的弱胶结砂岩存在一定的微裂隙，但是埋深为242.27～242.95 m的弱胶结砂岩不存在微裂隙。从表3中还可以发现，不同埋深弱胶结砂岩的微孔分别为4.40%、1.45%、2.12%、1.50%，这说明微孔在弱胶结砂岩中的比例相对较小；小孔分别为30.79%、20.61%、20.85%、24.37%；中孔分别为49.34%、40.30%、61.98%、53.71%；大孔分别为15.25%、37.39%、15.05%、19.76%；微裂隙分别为0.21%、0.25%、0%、0.66%。 以上数据分析说明弱胶结砂岩虽然存在5种不同类型的孔径，但是以中小孔为主，大孔次之，小孔、中孔和大孔之和都在90%以上。

表3 按5类孔径划分的弱胶结砂岩岩样孔隙分布比例Table 3 Proportional variations of pore sizes of weaklycemented sandstone specimens classified bypore radius of five kinds

4 不同埋深弱胶结砂孔喉分布分析

孔喉大小与弱胶结砂岩的渗透性以及孔隙连通性有关，且地下水的赋存和运移也对其有影响。研究我国西部地区弱胶结砂岩的孔喉大小有助于进一步理清该地区水的赋存、运移规律。图3为不同埋深弱胶结砂岩的孔喉分布图。从图3中可以发现，不同埋深弱胶结砂岩的孔喉以小于0.10 μm为主，分别占比83.97%、63.50%、85.68%和80.52%；孔喉半径在0.10～0.16 μm之间占比相对较小，分别占比为7.18%、11.08%、6.18%、7.38%；孔喉半径在0.16～0.25 μm之间占比与前两者相比有所减小，分别为5.20%、11.39%、4.95%、6.04%；孔喉半径在0.25～0.40 μm之间占比也有所减小，分别为0.75%、5.09%、0.81%、1.76%；孔喉半径大于0.40 μm的占比非常小，分别为1.44%、6.64%、0.95%、2.93%。

图3 不同埋深弱胶结砂岩孔喉分布图Fig.3 Pore throat distribution of weakly cemented sandstone with different buried depths

5 结 论

1) 布尔台煤矿埋深为92.14～94.30 m、118.40～120.69 m、242.27～242.95 m和317.86～320.33 m，弱胶结砂岩的孔隙率分别为39.180%、36.132%、44.782%、19.732%，随着埋深的增加有减小的趋势。

2) 4种不同埋深砂岩的T2谱分布存在显著差异，随着埋深的增加，T2谱由3个波峰向2个波峰转变，第一波峰和第二波峰逐渐合并在一起，T2谱的波形连续性好，这说明岩石内部不同直径的孔隙连通性好。

3) 弱胶结砂岩孔径可以分为5类：微孔(r≤5 μm)、小孔(5 μm5 000 μm)，孔径以中小孔为主，大孔次之。

4) 不同埋深弱胶结砂岩的孔喉半径存在差异，但孔喉半径都是以小于0.10 μm为主，0.10～0.16 μm次之。