0 引 言
煤层中的孔隙是煤层气的主要储集场所，孔隙结构特征直接影响着煤储层中气体的吸附—解吸、扩散、运移等微观物理化学过程[1]。沁水盆地是我国煤层气产业的热点地区，煤层气含量高，资源丰度大，但低孔低渗的储层特点成为制约煤层气井高产的因素之一，进一步深入研究煤储层的孔隙特点，并分析其主控因素对于指导煤层气勘探开发具有重要意义。对此前人做过很多工作，许浩等[2]认为沁水盆地高煤级煤样品中，微孔和小孔对比表面积的贡献占绝对优势，这种孔隙体系利于煤层气的吸附聚集，却不利于其解吸扩散，显微裂隙的发育对储层有重要意义，赵兴龙等[3]认为沁水盆地高煤级煤热成因孔发育，煤中微孔体积所占比例较大，比表面积随之增加而增大。影响煤孔隙发育特征的因素错综复杂，前人研究认为：随着煤变质程度加深，比表面积和孔体积呈现“不规则浮动-升高-降低”的变化趋势[4-5]；随着煤体破坏程度增加，由原生结构煤到糜棱煤，比表面积和孔容依次增大[6-7]；煤中的同生矿物含量越高，煤的比表面积和孔体积随之降低，这种影响对微孔尤为明显[8]。以上文献都是从单因素来讨论的，目前榆社-武乡区块处在煤层气勘探初期，讨论分析多个地质因素中对于煤储层孔隙特征具有主导作用的影响因素，对于今后的煤层气勘探开发具有重要的指导意义。
笔者以扫描电镜电子成像技术和低温液氮吸附试验作为主要研究手段，首先从孔隙成因类型、孔隙形态、孔隙的比表面积和孔容、孔径分布等几个方面，对榆社-武乡区块高煤级煤储层进行孔隙结构描述，然后结合该区块煤质煤岩特点，进一步分析比表面积、孔容、孔径的影响因素，并比较各因素的相对主次。现阶段国内外煤孔隙的孔径结构分类方案较多，笔者采用Χoдoт十进制分类系统，即孔径大于1 000 nm的为大孔，100～1 000 nm为中孔，10～100 nm为小孔，小于10 nm为微孔。
1 地质背景
榆社-武乡区块位于沁水盆地中东部榆社、武乡县境内，区域构造位置位于沁水盆地复向斜东翼，地层走向北东、倾向北西，为简单单斜构造，发育了一系列宽缓褶皱，倾角3°～10°。钻探揭露主要含煤为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，为一套海陆交互相含煤沉积岩系。含煤地层总厚178.06 m，煤层总厚17.41 m，含煤系数9.78%。可采煤层厚度8.28 m，可采含煤系数4.65%。其中山西组含煤系数10.51%，可采含煤系数4.97%；太原组含煤系数9.43%，可采含煤系数4.50%。
本次样品来自榆社-武乡区块内的4口钻井，钻井所在位置构造简单。对4口钻井提取的煤心现场采取了样品，并进行了工业分析、煤岩宏观描述及显微组分分析、扫描电镜观察、孔隙结构测试。
1.1 煤层、煤质特征
榆社-武乡区块主要可采煤层为山西组3号和太原组15号煤层。3号煤层位于山西组中下部，平均厚度1.25 m；不含或含一层夹矸，结构简单；煤层发育稳定，大部可采；煤层顶板主要为砂质泥岩或粉砂岩，底板为泥岩或砂质泥岩；煤层埋藏深度600～1 400 m。15号煤层位于太原组下部，平均厚度4.50 m；含1～3层泥岩、炭质泥岩夹矸，结构较复杂；煤层发育稳定，全区可采；煤层顶板多为泥岩，底板为泥岩或砂质泥岩。煤层埋藏深度750～1 520 m。
据工业分析结果(表1)，榆社-武乡区块煤层原煤水分Mad=0.49%～1.34%；原煤灰分Ad=17.63%～48.56%，为低灰～高灰煤；原煤挥发分Vdaf=9.16%～13.81%，为特低～低挥发分煤，煤类以无烟煤为主，部分为贫煤。
表1 样品基本参数
Table 1 Basic parameters of coal samples
煤层样品编号煤厚/m采样深度/mMad/%Ad/%Vdaf/%煤类煤体结构3071-31.251 297.521.0718.0910.80无烟煤碎裂煤091-31.35973.600.9426.7512.90无烟煤原生结构煤101-30.50642.721.3221.7313.66贫煤原生结构煤072-31.511 381.411.3438.2113.81无烟煤碎裂煤15071-155.231 412.801.1821.2811.16无烟煤原生结构煤101-154.60791.200.4948.5612.63贫煤原生结构煤072-155.781 500.470.8817.639.16无烟煤原生结构煤
1.2 煤岩特征
肉眼宏观观察时，榆社-武乡区块煤样以原生结构煤为主(表1)，一般煤样完整，多为短煤柱。光亮成分占50%～80%，宏观煤岩类型为半亮煤。煤中镜煤、亮煤为玻璃光泽，颜色为黑色，条痕色为黑色，细条带状或线理状结构，层状构造，参差状或阶梯状断口。样品071-3号和072-3号为碎裂煤，煤样较破碎，以碎煤块及粉煤为主。多数原生结构煤样品裂隙不发育，裂隙呈孤立状，样品101-3号有少量无固定方向的短裂隙。
通过偏光显微镜观察煤的显微组分(表2)，其中有机组分占72.4%～97.6%，无机组分占2.4%～27.6%。有机组分以镜质组为主，占40.8%～73.2%；次为惰质组，占20.8%～43.6%，未见壳质组。无机组分中，以黏土矿物最为常见，占2.4%～22.4%，次为硫化铁类，占0.4%～2.4%，个别样品中有氧化物类矿物，占5.2%。镜质组最大反射率Ro,max=2.13%～2.75%。
表2 显微组分定量统计
Table 2 Quantitative statistics of macerals
样品编号有机组分/%镜质组惰质组壳质组小计无机组分/%黏土类硫化铁类碳酸盐类氧化物类小计Ro,max/%071-371.725.9097.62.4———2.42.58091-356.038.8094.8—5.2———5.22.42101-351.643.6095.2—4.40.4——4.82.13072-340.831.6072.4—22.4——5.227.62.43071-1573.220.8094.0—3.62.4——6.02.75101-1567.624.8092.4—7.20.4——7.62.35072-1557.622.0079.6—14.40.8—5.220.42.69
2 煤储层孔隙结构特征
2.1 孔隙成因类型
运用扫描电镜电子成像技术对样品进行观察，以煤自然断面作为观察面，垂直层面方向。发现研究区煤中孔隙多发育在镜质组中，少数发育在惰质组中，部分孔隙被矿物充填。参考张慧的研究成果[9]，研究区煤中孔隙按照成因可以分为3大类，分别为原生孔、变质孔和矿物质孔。①原生孔(图1a)。惰质组中的孔隙及原生孔部分被矿物质充填，较为少见，仅在惰质组中观察到。原因是镜质组的氧、氢含量高，在凝胶化作用下原始细胞结构消失而形成均质镜质体和基质镜质体，因此很难在高变质程度的镜质体中观察到原生孔。而惰质组碳含量高，芳构化程度高，更容易保留细胞结构。②变质孔(图1b)。镜质组中孔隙均匀发育，变质孔部分被充填，样品中这类孔隙最为多见，主要表现为气孔，又称热成因孔，孔直径较小，形态为规则圆形，常孤立分布，孔隙连通性差。③矿物质孔(图1c)。镜质组中的孔隙，黄铁矿铸膜孔，观察到个别的黄铁矿铸膜孔，是矿物与有机质硬度差异而铸成的印坑，该类孔隙数量少分布局限，对储层性能影响不大。
图1 煤中孔隙成因类型
Fig.1 Genetic types of pores in coal
2.2 孔隙形态
不同形态特征的孔隙，氮分子在其中发生凝聚和解吸时的相对压力不同，所形成的吸附回线也不同，故吸附回线特征可以定性分析孔形结构。蔺亚兵等[10]根据不同形态孔隙对吸附回线的贡献，将煤中孔隙划分为一端开口孔、两端开口筒状孔、墨水瓶形孔和狭缝形孔，后三者均能产生吸附回线。其中墨水瓶形孔的回线特征是在相对压力0.5左右具有一个急剧下降的拐点[11]；而狭缝形孔多出现在无烟煤中，其特征是回线在低压端不闭合。
从榆社-武乡区块煤样的液氮曲线来看(图2)，吸附回线明显，煤中孔隙形态以墨水瓶形孔和狭缝形孔为主，可能存在两端开口筒状孔，孔隙连通性较差[12]。
图2 样品吸附-脱附曲线
Fig.2 Adsorption and desorption curves of the samples
其中样品071-3号、071-15号和072-15号脱附支从高压端至低压端，除中间段有墨水瓶形孔引起的急剧下降之外，脱附量几乎不随相对压力降低而下降，与吸附支形成较大开口。说明样品中狭缝形孔所占比重较大，该类孔隙孔径过于狭窄且连通性差，导致吸附态的氮进入孔隙后难以脱附。101-3号等其余4个样品在低压端回线逐渐变小，说明有部分一端开口孔的存在，该类型孔对回线没有贡献[13]。
2.3 比表面积和孔容
比表面积是衡量煤吸附能力的重要参数，孔容则直接反映储层中孔隙的总量，低温液氮吸附试验是获取煤体比表面积和孔容的有效方法。本次试验使用V-Sorb 2800TP比表面积及孔径分析仪进行。试验根据不同压力下氮气吸附量获取了样品的等温吸附线。在此基础上采用多点BET模型计算得到样品比表面积，采用BJH模型计算得到样品孔容。样品制备及试验测试程序按照GB/T 21650—2008压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度进行。榆社-武乡区块不同孔径范围的比表面积分布规律(表3);样品比表面积和孔容测试结果见表4。
表3 孔容和比表面积分布
Table 3 Distribution of pore volume and specific surface area
样品编号孔容/(cm3·g-1)微孔占比/%小孔占比/%中孔占比/%比表面积/(m2·g-1)微孔占比/%小孔占比/%中孔占比/%071-30.000 680.002 4310.004 7610.628 1580.329 1310.116 911091-30.000 4170.000 9390.001430.406 7700.148 6260.023 54101-30.000 4130.000 9280.001 9590.348 6640.149 7270.046 89072-30.000 780.003 4370.005 1550.592 4490.501 0420.110 19071-150.001 0230.001 3300.002 1481.182 0820.204 8140.051 24101-150.000 6150.001 7440.001 6410.578 7660.258 8290.042 25072-150.001 0260.002 0530.000 8211.093 1750.343 1240.019 11平均0.000 7160.001 8370.002 5470.689 9660.276 4280.058 56
表4 样品孔隙结构参数
Table 4 Pore structure parameters of the samples
样品编号BET比表面积/(m2·g-1)BJH孔容/(cm3·g-1)BJH平均孔径/nm071-31.395 50.007 722.029 5091-30.888 50.002 310.872 6101-30.670 40.003 218.807 5072-31.290 20.009 128.207 3071-151.863 20.004 49.718 0101-151.232 50.003 912.816 7072-152.060 10.004 07.757 7平均1.342 90.005 015.744 2
从表3可知比表面积为0.670 4～2.060 1 m2/g，平均1.342 9 m2/g；孔容为0.002 3～0.009 1 cm3/g，平均0.005 0 cm3/g；平均孔径为7.757 7～28.207 3 nm，平均15.744 2 nm。样品比表面积和孔容的变化趋势大致一致(图3)，但二者变化幅度存在差异，例如比表面积趋势线在071-3号、072-3号点明显低于孔容线，而在071-15号、072-15号点明显高于孔容线。从这几个样品的平均孔径来看，071-3号、072-3号平均孔径分别为22.029 5 nm、28.207 3 nm，而071-15号、072-15号平均孔径仅为9.718 0 nm、7.757 7 nm，比表面积趋势线远低于孔容线时样品孔径较大，高于孔容线时孔径较小。由此可见，孔容的大小直接控制着比表面积大小，而孔径分布对比表面积大小有重要影响。具体可以通过不同孔径范围的比表面积贡献率来分析。
图3 BET比表面积与BJH孔容变化趋势
Fig.3 Trends between BET specific surface area and BJH pore volume
图4 微孔孔容与BET比表面积的关系
Fig.4 Relationship between pore volume and BET specific surface area of micropores
微孔比表面积平均为0.689 9 cm3/g，占比66%；小孔比表面积平均为0.276 4 cm3/g，占比28%；中孔比表面积平均为0.058 5 cm3/g，占比6%。比表面积的最大贡献者为微孔，次为小孔，中孔贡献很少。从样品的比表面积与微孔容的相关关系图来看(图4)，二者相关系数达到0.95，印证了微孔对样品比表面积贡献占绝对优势。不同孔径范围孔容分布规律为：微孔孔容平均为0.000 7 cm3/g，占比16%；小孔孔容平均为0.001 8 cm3/g，占比37%；中孔孔容平均为0.002 5 cm3/g，占比47%。孔容最大贡献者为中孔，次为小孔，微孔贡献较少。对比同一钻井的太原组和山西组煤层，发现太原组煤层的微孔孔容和比表面积较大，而山西组煤层则是中孔孔容和比表面积较大。其原因是随着煤层埋深增大，上覆岩体的应力随之增加，孔隙受到压缩作用使孔径趋于减小，使煤体中孔隙逐渐由中孔向微孔转化。
2.4 孔径分布
液氮吸附曲线经模型计算可获得样品的孔径分布，其中Barrett-Joyner-Halenda(BJH)法是一种常用的适用于介孔的孔径分析模型，据此模型可以计算得到样品2～300 nm内不同孔径及其体积的变化。以BJH吸附数据为基础，孔径的对数为横坐标，孔体积对孔径的微分为纵坐标，得到样品的孔径分布图(图5)。样品的孔径曲线具有相似的特点：dV/dW随孔径增大而锐减，主要分布在2～20 nm，主峰是2～4 nm的微孔，4～20 nm以内还有多个小的峰值，孔径>100 nm所对应微分孔体积很小，说明该区块煤中孔隙以微孔为主，小孔次之，中孔不发育。
桑树勋等[1]根据煤中孔隙在煤层气储集、运移中的作用，将孔隙分为：渗流孔隙(>100 nm)、凝聚-吸附孔隙(10～100 nm)、吸附孔隙(2～10 nm)和吸收孔隙(<2 nm)，榆社-武乡区块煤中孔隙以吸收孔隙和吸附孔隙为主，表明煤层气主要充填或吸附在煤体中的有机大分子结构单元缺陷和分子间孔中。在降压解吸时，煤层气将主要以扩散方式向外运移。
图5 孔径分布曲线
Fig.5 Pore-size distribution curves
3 孔隙结构的影响因素
3.1 变质程度
镜质组反射率是表征有机质热演化和成熟度的理想参数，榆社-武乡区块样品镜质组反射率与比表面积、孔容和平均孔径的关系如图6所示。
由图6可知，镜质组反射率Ro,max与比表面积具有很好的正相关性，对比前人研究结果发现有所不同。据侯锦秀等[14]研究，比表面积随镜质体反射率的增大有U型变化趋势，当镜质体反射率为2.0%左右时，比表面积达到最低值，之后才随变质程度增加而增大。结论存在差异的原因是，本次样品均来自同一地区且变质程度相近，Ro,max=2.0%～3.0% ，而前人的结论是基于对多个地区的、Ro，max=0.5%～3.5% 的样品研究得出的，因此Ro,max与比表面积的线性关系的建立是特殊的、有局限性的。
图6 镜质组反射率与比表面积、孔容和孔径的关系
Fig.6 Relationship between vitrinite reflectance and specific surface area,pore volume,pore size
从图6还可以看出，原生结构煤的平均孔径与Ro,max呈现出负相关性，碎裂煤(用圈标识，下同)不符合此规律；孔容与Ro,max的关系不甚明显。随着变质程度的加深，煤中原有的各孔径段孔隙均会发生孔径和孔容减小的变化，尤其以中孔的孔容减小较快，小孔次之，微孔的孔容减小较慢，微孔比例随之增大[3，15]；与此同时，煤大分子的脂环和侧链在快速增温作用下发生的热解和断裂会生成大量气体，煤中变质孔等次生孔隙不断增加，使得微孔和小孔比例进一步升高。2种因素的叠加，综合表现为微孔孔容随变质程度加深而线性增大，小孔孔容也略有增加，而中孔孔容先减小后增大，在Ro,max=2.7%左右达到最小值(图7)，所以总孔容与Ro,max之间表现出较为复杂的关系。
图7 镜质组反射率与微孔、小孔、中孔孔容的关系
Fig.7 Relationship between vitrinite reflectance and different pores’ volume
3.2 煤岩组分
榆社-武乡区块煤的显微有机组分主要有镜质组和惰质组2类，其与比表面积、孔容的关系如图8所示。
图8 显微组分与比表面积、孔容的关系
Fig.8 Relationship between macerals and specific surface area,pore volume
镜质组百分含量与比表面积、孔容呈现弱的正相关性，惰质组百分含量与比表面积、孔容呈现负相关性，其中2个碎裂煤的样品的孔容明显高，不符合上述规律。可见在高变质无烟煤中，镜质组对孔隙比表面积和孔容有重要贡献，而惰质组的贡献很微弱。不同的显微组分其原始物质组成不同，在变质作用下所经历的演化过程不同，呈现出的孔隙系统亦存在差异。段旭琴等[17]对低变质烟煤中镜质组和惰质组分别进行的孔隙分析表明，2种显微组分的孔隙结构具有显著差异：镜质组孔隙形态复杂，其孔隙分布体系中以微孔所占比例最大；惰质组孔隙形态均匀，孔径分布范围广，大孔和中孔比例明显高于镜质组。因此，当惰质组经历较高程度变质作用后，其中大量的中孔和大孔趋于缩小，而微孔数量又远不及镜质组，在比表面积和孔容贡献率上就会远低于相同变质程度的镜质组。
3.3 煤体结构
榆社-武乡区块煤样以原生结构煤为主，仅有071-3号和072-3号2个样品为碎裂煤。从图6可知，煤体结构的不同对比表面积影响不大，而平均孔径和孔容的大小与煤体结构密切相关，碎裂煤的平均孔径和孔容均明显大于原生结构煤。在构造应力作用下，煤体破裂会形成大量的中孔和小孔级别的孔隙，致使碎裂煤的中孔和小孔孔容显著增大，而微孔并没有这种现象(图7)，说明这种构造应力成因孔的孔径在小孔级以上，可以显著改善无烟煤储层的渗透率[16]。
4 结 论
1)榆社-武乡区块煤中孔隙按照成因可以分为3大类，分别为原生孔、变质孔和矿物质孔。孔隙多发育在镜质组中，少数发育在惰质组中，部分孔隙被矿物充填。煤中孔隙形态复杂多样，以墨水瓶形孔和狭缝形孔为主，部分发育两端开口筒状孔和一端开口孔，孔隙具有易吸附、难解吸的特点。
2)从低温液氮吸附试验成果来看，研究区高变质贫煤、无烟煤比表面积平均1.342 9 m2/g；孔容平均0.005 0 cm3/g；平均孔径15.744 2 nm。孔径主要分布在2～20 nm，孔隙系统以微孔为主，小孔次之，中孔不发育。微孔对样品比表面积的贡献占绝对优势。在煤层气运移时，孔隙主要作用是扩散，而有效的渗流孔隙很少，在煤层气开发时要设计有效的储层改造方案来改善储层的渗流条件。
3)榆社-武乡区块高变质贫煤、无烟煤孔隙发育影响因素较为复杂。对于比表面积，其主要影响因素为变质程度，次为煤岩显微组分，随着变质程度加深和镜质组百分含量增加，比表面积呈现出简单的递增趋势；而孔容、孔径最重要的影响因素为煤体结构，碎裂煤的孔容和孔径要明显高于原生结构煤。若从今后的煤层气开发角度来考虑，则是变质程度较深且煤体结构有轻微破坏的煤储层是最为有利的。
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