馮 煜，楊 波，潘興南，崔 波

(貴州理工學院資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

煤是一種多孔隙的結(jié)構(gòu)，煤作為一種多孔隙結(jié)構(gòu)齊內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)多樣，孔徑之間相差較大且成因較為復(fù)雜，不同的孔隙在煤體內(nèi)部或連通或相對孤立地分布于煤體內(nèi)部，這些孔隙空間的存在與煤體中的裂隙共同構(gòu)建煤層氣體的儲集場所和運移通道，同時煤的孔隙結(jié)構(gòu)也對與煤層儲氣與滲透能力有著決定性因素。 當前國內(nèi)外學者對于煤中孔隙分類方法較多，主要分類方法是根據(jù)孔隙成因、孔徑大小和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征三種分類方案。

1 煤層孔隙結(jié)構(gòu)及吸附機制

國外學者對煤層的孔隙特征的研究始于20 世紀60 年代，通過分析壓汞實驗數(shù)據(jù)資料、壓汞曲線特征，將煤孔徑分為三類，如表1所示。

表1 煤孔徑分類

研究者B.B[1]依據(jù)煤的滲透性能和力學性能對煤的孔徑特征提出十進制分類方案。 Close[2]通過對不同儲層煤孔隙-裂隙的研究，得出煤是由孔隙-裂隙雙孔隙系統(tǒng)組成的多孔介質(zhì)。 付雪海等[3]根據(jù)煤儲層中瓦斯氣體的運動特征，不同分子運移自由程直徑大小，并且基于對不同煤樣壓汞法試驗結(jié)果的分析和總結(jié)歸類，將煤孔隙劃分為大于65nm 以滲透為主的孔隙和小于65nm以擴散為主的孔隙兩大類，綜合上述結(jié)果并通過進一步的分形特征研究，可將擴散孔隙孔徑在此進行劃分，如表2 所示。

表2 擴散孔隙孔徑

而滲透孔隙也分為三類，如表3 所示。

表3 滲透孔隙

在煤孔隙成因分類研究中較為突出的為郝琦[4]，其利用掃描電子技術(shù)，依據(jù)煤的表面顯微形態(tài)特征及其成因類型，對不同煤級的煤的顯微孔隙結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)的研究和分類，將煤體孔隙按照成因分為原生粒間孔、氣結(jié)構(gòu)孔、植物組織結(jié)構(gòu)孔、晶間體結(jié)構(gòu)孔以及溶蝕結(jié)構(gòu)孔和礦物鑄模結(jié)構(gòu)孔等。 張慧[5]以煤的變質(zhì)程度和煤巖顯微組分的不同為基礎(chǔ)，借助于大量的掃面電鏡圖像進行歸納，將孔隙結(jié)構(gòu)依據(jù)成因不同，分為外生結(jié)構(gòu)孔、變質(zhì)結(jié)構(gòu)孔、原生結(jié)構(gòu)孔、礦物質(zhì)結(jié)構(gòu)孔四大類。

孔隙形態(tài)結(jié)構(gòu)分類大多數(shù)的研究基于低溫液氮吸附試驗，并由此得出的吸附曲線和壓汞曲線。 陳萍、唐修義等[6]依據(jù)多個煤樣在低溫液氮吸附數(shù)據(jù)的吸附回線的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征，從煤層氣開采的實際考慮，將煤層孔隙形態(tài)分為三類，即兩端開口的圓柱形和四邊都開放的平行式的板狀類孔、一端封閉起來的圓柱形和錐形類孔、墨水瓶形狀的細頸瓶類孔結(jié)構(gòu)。 吳俊[7]等依據(jù)壓汞試驗數(shù)據(jù)的進退汞回線和曲線形態(tài)對孔隙形態(tài)進行了研究，最終將孔隙依據(jù)孔喉分布特征分為三大類型(過渡型、開放型和封閉型)，并結(jié)合形態(tài)特征的不同特點分別解釋了不同孔隙類型對煤層內(nèi)氣體的解吸、擴散和滲流的作用及其影響。 嚴繼民[8]依據(jù)壓汞試驗數(shù)據(jù)所繪制的退汞曲線，將孔隙分為A(兩端都開放的管狀毛細孔，孔較粗有利于油、氣的運移)、B(平整壁狹縫狀毛細孔隙，利于油、氣的運移)、C(多出現(xiàn)在基質(zhì)鏡質(zhì)體中雙錐型管狀和錐形毛細孔隙)、D(四面都開放的尖壁型毛細孔)、E(具有墨水瓶狀孔隙或細頸管狀孔隙，利于氣體的儲存，但不利于運移)五種類型。

關(guān)于孔隙形態(tài)結(jié)構(gòu)、連通性方面，張素新等[9]利用掃描電鏡，觀察了煤中不同成因的孔隙，并指出微孔隙是煤層氣儲存的場所，微孔隙系統(tǒng)是已解吸的煤層氣通過擴散或滲透方式初次匯集的通道，孔隙系統(tǒng)的發(fā)育程度直接影響煤層氣的解吸率和解吸速度；國外學者利用壓汞法和低溫液氮吸附法，根據(jù)相應(yīng)的圖形推斷孔隙的形態(tài)及計算孔隙度，進而分析得出孔隙形態(tài)和孔隙度不僅對煤中氣體的運移行為產(chǎn)生影響，而且會影響煤中氣體的存儲和吸附機制；張占存采用低溫液氮吸附的方法測試了煤的吸附等溫線，分析了吸附等溫線形成原因，并總結(jié)了煤的吸附特性，通過對實驗煤樣實際測量的累計孔徑及孔容分布，總結(jié)出煤中孔是從微小孔隙至大孔隙而形成的連續(xù)、完整的孔隙系統(tǒng)，計算表明<5nm 的微孔在其所測試樣品中占有主導(dǎo)地位。

2 地質(zhì)作用對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的控制

張群等[10]通過平衡水實驗，對不同煤階和吸附能力之間的關(guān)系進行測試，得出鏡質(zhì)組反射率Ro 在0.45%到4.25%之間時，煤的吸附能力隨煤階上升呈正比增加的趨勢；而LNYC 等[11]認為煤的吸附能力隨煤階不同是近似“U”型的關(guān)系，當煙煤階段為中階變質(zhì)程度時，煤的吸附能力處于最低；數(shù)據(jù)表明隨著煤階的增加，煤的吸附能力先后經(jīng)歷4 個階段：快速增加階(Ro<1.3%)、緩慢增加階段(Ro 介于1.3%--2.5%)、達到極大值階段(Ro 介于2.5%--4.0%)和降低階段(Ro>4.0%)；降文萍[12]采用量子化學研究方法，研究了甲烷分子間與不同煤階產(chǎn)生的作用能，發(fā)現(xiàn)當煤基質(zhì)孔徑的增大時，煤基質(zhì)間和甲烷分子的相互作用能也能增大，結(jié)合了不同煤階的物理性質(zhì)，解釋不同煤吸附；隨著煤階的增加，煤的孔隙度呈現(xiàn)“U”的變化規(guī)律；許江[13]研究發(fā)現(xiàn)煤的變質(zhì)程度與孔隙特征呈遞增趨勢；王維生[14]等人認為，煤層的煤巖成分和煤質(zhì)是控制煤孔裂隙不同和分布的主要特性；煤層氣地質(zhì)條件的優(yōu)良對于控制煤層孔隙和滲透特性有重要的作用，是煤層氣勘探開發(fā)的基本因素；姚艷斌[15]對華北礦區(qū)煤儲層特征及其影響因素進行了研究，指出影響華東地區(qū)煤孔隙層的吸附能力的主要因素是煤巖煤孔隙率大小、組分不同、煤階大小不同，特別是煤中所含元素尤為重要，其中煤階對煤的吸附性能起控制作用。 以上的研究都表明：變質(zhì)作用、煤巖組分和構(gòu)造作用對煤體的微觀結(jié)構(gòu)及煤層氣吸附、解吸、運移、擴散、滲流規(guī)律具有重要影響，并極具研究價值。

3 煤體滲透性與力學效應(yīng)

趙慶波、張公明等[16]結(jié)合沁水盆地煤層氣開發(fā)利用的實際情況，將控制煤層氣抽采的多種因素指標進行分析和歸類，分析出了煤層含氣量、煤層厚度和資源總量是煤儲層氣開發(fā)并利用的基礎(chǔ)，想要提高煤層氣的開采產(chǎn)量，煤層滲透率是提高產(chǎn)量主要條件。 傅雪海等[3]研究指出滲透性是煤儲層的一個重要條件，煤中孔隙、裂隙是煤層氣體滲流的主要通道。 Somerton W H[17]在有效應(yīng)力和孔隙、裂隙和滲透率之間的關(guān)系中表明有效應(yīng)力增加，滲透率呈指數(shù)相反趨勢。 傅雪海[18]表明煤割理有效應(yīng)力與壓縮性形變的關(guān)系符合Langmuir 方程，隨著有效應(yīng)力的不斷上升，割理寬度呈指數(shù)形式下降，煤儲層滲透率大小與初始割理形成寬度和產(chǎn)狀以及受力狀態(tài)都有必要關(guān)系。

將構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤同時在圍壓下進行測定，得出構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率變化較大，原生結(jié)構(gòu)煤的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率的變化相對較小。 對構(gòu)造煤的研究發(fā)現(xiàn)脆性變形煤的主要變現(xiàn)為煤體的結(jié)構(gòu)破裂，孔隙結(jié)構(gòu)主要是以大孔和中孔為主。 Gray[19]指出由于煤層氣解吸和吸附的逆過程反復(fù)進行，使得煤基收縮變形，導(dǎo)致孔隙分布發(fā)生變化、裂隙寬度增加，從而煤層滲透率也隨之增大。 美國的煤層氣開采理論始于20 世紀80 年代，形成了中煤階煤層氣開采的成熟理論，認為中階段煤層已進入產(chǎn)氣高峰期，氣源豐富，煤層孔-裂隙發(fā)育較好，連通性較好，滲透性高，且機械強度適中，便于實施壓裂改造技術(shù)；由于低階煤煤層產(chǎn)氣量低，煤層氣開采資源量少，不具備開采的有利條件；高煤階煤產(chǎn)氣量雖高但儲層孔-裂隙不發(fā)育，割理閉合，煤層滲透性、產(chǎn)氣能力較低。 在實際生產(chǎn)過程中根據(jù)不相似情況的地質(zhì)條件采用不同的評價標準，當然在不同的標準都對煤的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性也具有不同的要求。

4 結(jié)語

煤巖體孔隙結(jié)構(gòu)從微小孔隙至大孔隙而形成的連續(xù)、完整的孔隙系統(tǒng)，計算表明<5nm 的微孔在媒巖內(nèi)孔隙系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位。 從地質(zhì)作用對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的研究表明，變質(zhì)作用是煤巖的組分和構(gòu)造作用，對煤體的微觀結(jié)構(gòu)及煤層氣吸附、解吸、運移、擴散、滲流規(guī)律具有重要影響。 在實際生產(chǎn)過程中根據(jù)不同的地質(zhì)條件，采用不同的評價標準，當然不同的標準對煤的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性也具有不同的要求。

煤層多孔隙特征對于煤層氣的開采具有理論指導(dǎo)意義，在進行煤層氣開采前期，要對煤層孔隙滲透性進行歸類研究，對于煤層氣的前期地質(zhì)評價和排采制度的有深遠的意義。