李啟暉，任大忠，甯 波，孫 振，李 天，萬慈眩，楊 甫，張世銘

（1.西安石油大學石油工程學院/西部低滲-特低滲油藏開發(fā)與治理教育部工程研究中心，西安 710065；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石油長慶油田公司第六采氣廠，西安 710018；4.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，西安 710021；5.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，蘭州 730020）

0 引言

煤層氣是由煤層生成并主要以吸附狀態(tài)儲集于煤層孔隙中的非常規(guī)天然氣，其主要成分為甲烷。我國煤層氣資源儲量豐富，根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，截至2021 年底，我國煤層氣總儲量約為36.8×1012m3，占世界總儲量的14.21%，根據(jù)2022 年中國礦產(chǎn)資源報告，我國煤層氣總儲量居世界第三。煤層是具有雙重孔隙系統(tǒng)的多孔介質(zhì)，煤的微觀孔隙結(jié)構(gòu)控制煤層甲烷的吸附、解吸、滲流和擴散的過程，并影響煤層甲烷的抽采效率［1-4］。常用壓汞法、氣體（N2和CO2）吸附、核磁共振、掃描電鏡、CT 掃描等方式方法來研究煤層微觀孔隙結(jié)構(gòu)，不同的方法在表征煤孔隙結(jié)構(gòu)方面有其優(yōu)勢也有其局限性。近年來，眾多學者在表征煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征方面進行了大量研究，邵顯華等［5］、姚晉寶等［6］采用壓汞法分別對趙莊礦3 號煤層和成莊井田3 號不同煤體結(jié)構(gòu)的煤樣孔隙進行了研究；邵龍義等［7］、孟召平等［8］基于N2吸附實驗，對褐煤和不同煤體結(jié)構(gòu)、變質(zhì)程度的煤層吸附孔孔隙結(jié)構(gòu)進行了分析，并討論了不同孔徑下吸附孔的吸附性能；王子萌等［9］、謝松彬等［10］利用核磁共振實驗，分別對頁巖和原生結(jié)構(gòu)煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征及非均質(zhì)性進行了研究；楊昌永等［11］、鄒俊鵬等［12］、胥暢等［13］運用掃描電鏡照片，分別對煤和黑色頁巖的微觀孔隙形態(tài)、孔隙連通性、孔隙大小及孔隙充填狀況等進行了系統(tǒng)研究。在聯(lián)合表征微觀孔隙結(jié)構(gòu)方面，楊明等［14］、李祥春等［15］、劉懷謙等［16］、雷海艷等［17］均采用壓汞、低溫N2及CO2吸附、掃描電鏡、CT 掃描等方式，對煤層微觀孔隙結(jié)構(gòu)進行定量表征并討論了其特征參數(shù)。綜合分析上述結(jié)果可知，掃描電鏡及CT 掃描可直觀清晰反映煤層內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，但在半定量及定量統(tǒng)計孔隙發(fā)育特征參數(shù)方面具有一定的局限性；壓汞、氣體吸附及核磁共振等流體侵入法可定量研究煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征，實現(xiàn)孔隙大小、分布及連通性的深入認識。不同的方法在表征孔隙結(jié)構(gòu)時的側(cè)重點不同，需要結(jié)合多種方法全面直觀認識煤層孔隙結(jié)構(gòu)。

為了進一步厘清鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征，采用壓汞、N2吸附和CO2吸附聯(lián)合測試以及核磁共振和掃描電鏡、X 射線衍射等方法，分析煤層孔隙類型、大小、分布、均質(zhì)性等特征以及煤層礦物組成，在此基礎(chǔ)上，剖析通過不同實驗手段所得孔隙分布的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)煤層孔隙結(jié)構(gòu)多參數(shù)、多尺度的表征，以期為該地區(qū)煤層氣的開發(fā)提供一定指導。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是典型的多旋回疊合形成的克拉通盆地，內(nèi)部構(gòu)造特征相對簡單，地層平緩［18］。晚三疊世的印支運動使盆地開始發(fā)育，基底平穩(wěn)沉降，沉積了盆地中主要的生油巖和儲集層；晚三疊世末期的晚印支運動導致盆地全面隆起，延長組頂部受到了不同程度的風化剝蝕，因此發(fā)育形成了高地和溝谷相互交織的波狀丘陵地形，溝谷與丘陵縱橫起伏、階地疊置的古地貌景觀；至侏羅紀，延長組頂部侵蝕結(jié)束，盆地再一次沉降，開始沉積侏羅系暖溫湖沼河流相煤系地層。

神木地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣（圖1）。地層出露侏羅系延安組、直羅組、安定組及下白堊統(tǒng)洛河組［19］。延安組研究層段埋深為130～250 m，埋藏淺，研究區(qū)延安組三、四段屬三角洲和湖泊沉積體系，地層、煤層單元具有厚度穩(wěn)定、產(chǎn)狀近水平的特征。根據(jù)2009 年神木地區(qū)煤炭產(chǎn)業(yè)調(diào)查報告，其煤層主要為中—高發(fā)熱量的長焰煤以及中、低煤化度且無黏結(jié)性的煙煤。

圖1 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)構(gòu)造位置（a）及侏羅系延安組巖性地層綜合柱狀圖（b）（據(jù)文獻［19］修改）Fig.1 Tectonic location（a）and stratigraphic column of Jurassic Yan’an Formation（b）in Shenmu area，Ordos Basin

2 物性及礦物成分特征

依據(jù)神木地區(qū)平面及縱向物性特征，選取了M6，M8，M10，M15 等4 塊具有代表性的煤樣。根據(jù)煤樣基礎(chǔ)物性（表1），煤樣的氣測孔隙度為1.95%～13.22%，平均孔隙度為6.86%，氣測滲透率為1.536～8.477 mD，平均滲透率為4.819 mD。研究區(qū)孔隙度與滲透率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系（圖2），相關(guān)系數(shù)達到0.976 7。對4 塊樣品進行X 射線衍射全巖分析，所得礦物組成（表1）表明：方解石、石英、黃鐵礦及非晶質(zhì)是其主要礦物成分，4 塊樣品的石英平均質(zhì)量分數(shù)為2.9%；黃鐵礦平均質(zhì)量分數(shù)為4.2%，非晶質(zhì)平均質(zhì)量分數(shù)為15%；黏土礦物質(zhì)量分數(shù)為18.5%～65.1%，平均為35.7%；M15 煤樣不含方解石，其鐵白云石質(zhì)量分數(shù)為4.5%，且黏土礦物含量相對較高。

表1 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣基礎(chǔ)物性和礦物組成Table 1 Basic physical properties and mineral composition of coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣孔滲關(guān)系Fig.2 Relationship between permeability and porosity of coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

3 微觀孔隙特征

3.1 孔隙類型

煤是一種多孔的物質(zhì)，其微米級以下的孔隙十分發(fā)育，是煤層氣得以吸附的主要空間。根據(jù)吸附等溫線的滯后環(huán)類型，孔隙可以劃分為圓柱形（A），狹縫形（B），錐形（C，D）以及墨水瓶形（E）等形狀［20-21］（圖3）。吸附曲線存在回滯環(huán)（圖4），說明其孔隙類型均為一端開放的孔，回滯環(huán)類型具有B 型和E 型回滯環(huán)的雙重特征，因此孔隙以狹縫形和墨水瓶形為主，其中M6 和M8 煤樣回滯環(huán)較大，表明其孔隙度較高；M10 和M15 煤樣回滯環(huán)相對較小，說明孔隙度較低。

圖3 滯后環(huán)的分類及其對應(yīng)的孔隙形狀（據(jù)文獻［21］修改）Fig.3 Hysteresis loops and their corresponding pore shapes

圖4 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣N2吸附曲線Fig.4 N2 adsorption curves of coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

依據(jù)煤樣掃描電鏡（圖5）分析結(jié)果，4 塊煤樣發(fā)育氣孔，屑間孔，鑄?？椎瓤紫叮?2］。其中M6 煤樣在放大2 000 倍后觀察到有較多屑間孔、氣孔和少量鑄?？祝▓D5a，5b）。氣孔有圓形、橢圓形和不規(guī)則形等，分布范圍廣，部分呈成群產(chǎn)出，且大小不一，連通性一般；屑間孔是指煤中鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體等各種碎屑顆粒之間的孔隙，無固定形態(tài)，連通性較好；鑄?？资且环N礦物質(zhì)孔，形態(tài)極為復雜，未被碎屑或礦物充填且無規(guī)則分布，屑間孔的大量發(fā)育和鑄模孔的存在是該煤樣具有較好物性的原因。M8煤樣在放大6 000 倍的鏡下顯示有明顯不規(guī)則狀的微裂隙和屑間孔，微裂隙的存在與之后核磁共振飽水樣T2譜的反應(yīng)一致（圖5c，5d）。M10 和M15 煤樣分別在放大5 000 倍、2 000 倍的鏡下可見部分胞腔孔，胞腔孔為成煤植物本身所具有的結(jié)構(gòu)，屬原生孔，孔隙孤立存在，形態(tài)多呈次圓形，部分因受到破壞而變形，孔隙之間基本不連通。M10 煤樣還可見方解石礦物顆粒，故還發(fā)育部分屑間孔（圖5e，5f）；M15 煤樣胞腔孔被方解石充填（圖5g，5h）。綜上所述，M6 煤樣含有非常多且大小不均的氣孔及屑間孔，其物性最好，這在后續(xù)的核磁共振實驗及其他實驗結(jié)果中也有所反映。總體來看，掃描電鏡分析結(jié)果與N2吸附實驗結(jié)果一致，4 塊煤樣多以一端開放型的孔隙為主，其中氣孔及屑間孔是N2吸附的主要場所，也是煤層氣富集的主要部位。

結(jié)合煤樣N2吸附曲線及鏡下觀察，該地區(qū)廣泛發(fā)育一端開放的狹縫形及墨水瓶形的孔隙，表現(xiàn)為氣孔、屑間孔、胞腔孔等，其中氣孔及屑間孔是氣體吸附的主要場所。不同煤樣的孔隙發(fā)育程度、形態(tài)、連通性及充填情況均不相同。

3.2 孔隙大小及分布

根據(jù)煤樣的N2吸附曲線（圖4），在低相對壓力階段（0～0.1），4 塊煤樣的吸附等溫線均偏向于Y軸，說明煤樣與N2具有較強的作用力；在中相對壓力階段（0.1～0.8），吸附曲線緩慢上升；在高相對壓力階段（0.8～1.0），吸附曲線急劇上升，整體呈現(xiàn)下凹形態(tài)；相對壓力約為1.0 時未出現(xiàn)吸附飽和現(xiàn)象，N2在煤樣表面發(fā)生毛細凝聚現(xiàn)象，煤樣中存在較大孔。當相對壓力達到最大時，M8 煤樣的吸附量最大，M10 煤樣的吸附量最??；當相對壓力為0.5 時，脫附曲線出現(xiàn)急劇下降的拐點，根據(jù)Kelvin 方程所計算的拐點對應(yīng)的孔徑約為3 nm，說明樣品中孔徑小于3 nm 的孔均為一端開放型孔［23］。

采用ISO 15901 和IUPAC 中DFT 模型計算孔徑分布、孔比表面積和總孔體積等參數(shù)［24-25］。由圖6和表2 可知，4 塊煤樣的孔徑分布具有較高的相似性，孔徑為3～10 nm 的孔其孔容和孔比表面積均遠大于其他孔徑范圍的孔容和孔比表面積，孔徑分布以介孔和大孔為主，其中介孔所占的比例達70%，微孔量少，孔容以介孔貢獻最大，說明介孔孔隙是吸附N2的主要場所。將圖6 孔徑分布關(guān)系曲線進行積分后發(fā)現(xiàn)M8 煤樣的孔容與孔比表面積最大，M6 煤樣次之，M10 煤樣最小，而對比4 塊煤樣的N2吸附量，得出吸附量的大小關(guān)系與介孔分布一致，說明介孔的分布是影響煤樣N2吸附量的主要因素。應(yīng)用BJH法計算樣品孔徑分布的結(jié)果顯示，M6，M8，M10，M15 等4 塊煤樣的孔比表面積分別為22.453 m2/g，30.699 m2/g，6.261 m2/g，10.134 m2/g，平均為17.387 m2/g，平均吸附孔徑為5.35 nm，平均脫附孔徑為5.16 nm。由于煤樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)的復雜性，僅依靠N2吸附研究孔徑分布具有較大的不確定性。

表2 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣N2吸附實驗數(shù)據(jù)Table 2 N2 adsorption experimental data of coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

圖6 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣N2吸附法計算的孔容（a）、孔比表面積（b）與孔徑的關(guān)系Fig.6 Relationships of pore size with pore volume（a）and pore specific surface area（b）calculated by N2 adsorption method for coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

由煤樣CO2吸附等溫線（圖7）可以看出，M8 煤樣的吸附量最大，M6 煤樣次之，M10 和M15 煤樣的吸附量基本相等。當相對壓力小于0.005 時，M6，M10，M15 等3 塊煤樣的吸附等溫線形態(tài)雖稍有差別，但基本重合，且都呈略微上凸的形狀，說明此時樣品對CO2的吸附能力基本一致。M6，M8，M10，M15 煤樣的最大吸附量分別為18.070 cm3/g，18.501 cm3/g，17.364 cm3/g，17.243 cm3/g，總孔比表面積分別為133.352 m2/g，137.54 m2/g，129.632 m2/g，128.141m2/g，總孔容分別為0.02256cm3/g，0.02334cm3/g，0.021 47 cm3/g，0.021 12 cm3/g。由上述數(shù)據(jù)可看出最大吸附量、孔比表面積、孔容三者之間具有良好的相關(guān)性。根據(jù)CO2吸附法得到的煤樣孔容、孔比表面積與孔徑分布的關(guān)系（圖8），4 塊煤樣的孔容、孔比表面積與孔徑分布的關(guān)系均具有高度的相似性。其中，M6 和M15 的關(guān)系曲線形態(tài)幾乎一致，但是孔徑為0.50～0.55 nm 和0.60～0.65 nm 時，可以較為清晰地看到M6 煤樣的孔容和孔比表面積均大于M15；M10 煤樣孔容和孔比表面積在孔徑為0.45 nm 附近出現(xiàn)了峰值。因此，樣品的總孔比表面積和總孔容主要集中在孔徑為0.50～0.55 nm 和0.80～0.85 nm，說明CO2主要吸附在這2 個孔徑范圍所對應(yīng)的孔中。綜上所述，孔容及孔比表面積隨孔徑的增加總體均呈現(xiàn)增大—減小—增大—減小的趨勢，因此CO2吸附量與孔徑、孔容具有密切聯(lián)系。

圖7 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣CO2吸附等溫線Fig.7 CO2 adsorption isotherm of coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

圖8 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣CO2吸附實驗計算的孔容（a）、孔比表面積（b）分別與孔徑的關(guān)系Fig.8 Relationships of pore size with pore volume（a）and pore specific surface area（b）calculated by CO2 adsorption experiments for coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

運用AVIZO 對煤樣的掃描電鏡圖像進行處理分析（圖5），并計算了4 塊煤樣的孔徑大小、孔徑均值、孔面積等相關(guān)參數(shù)［26］。結(jié)果顯示：M6，M8，M10，M15 煤樣的孔徑分別為1.13～32.47 μm，1.13～49.55 μm，1.13～20.53 μm，1.00～63.00 μm，平均值分別為2.56 μm，2.61 μm，2.65 μm，4.78 μm，孔比表面積均值分別為10.02 μm2，13.45 μm2，9.64 μm2，7.80 μm2。由上述數(shù)據(jù)可知，M15 煤樣的孔徑均值明顯高于其他樣品，但由于其孔隙被鐵白云石充填，其滲透率并不高。通過掃描電鏡分析的孔徑下限為1 μm，孔隙多為一端開放型孔隙。樣品中孔徑均值皆大于2 μm，其中M15 煤樣的孔徑均值最大，為更加精細全面地表征孔隙結(jié)構(gòu)，需要借助其他實驗方法。

根據(jù)已有的研究成果，實現(xiàn)核磁共振T2弛豫時間譜與孔徑的轉(zhuǎn)換，需要計算樣品的表面弛豫率［27-29］。依據(jù)氣體吸附實驗中孔徑的分類方法，計算繪制并得出煤樣的核磁共振孔徑分布特征圖（圖9）。各煤樣的T2譜分布均具有典型的雙峰及單峰式特征，不同峰值所對應(yīng)的孔徑代表不同的孔隙。4 塊煤樣的孔徑分布情況基本一致，均含有微孔、介孔、大孔，除M8 煤樣外，其余煤樣均為雙峰形，且最高峰均出現(xiàn)在介孔（孔徑為2～50 nm），次峰出現(xiàn)在大孔范圍內(nèi)，說明煤樣的介孔發(fā)育最好，與N2吸附結(jié)果一致。

圖9 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣在核磁共振下的孔徑分布Fig.9 Pore size distribution under NMR of coal samples fromJurassicYan’anFormationinShenmuarea，OrdosBasin

3.3 核磁共振與氣體吸附表征孔徑分布的對比

將低溫N2吸附和低溫CO2吸附聯(lián)測數(shù)據(jù)進行處理分析，得出煤樣孔容、孔比表面積分別與孔徑的變化關(guān)系（圖10）、全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)（表3），再將核磁共振所得的孔徑分布結(jié)果與吸附實驗所得結(jié)果進行對比（圖11）。對比結(jié)果顯示，在孔徑小于2 nm 的微孔階段，核磁共振計算的孔徑百分比要小于N2與CO2吸附聯(lián)測計算的孔徑百分比；在孔徑大于50 nm 的大孔階段，核磁共振計算的孔徑百分比要大于N2與CO2吸附聯(lián)測的孔徑百分比［30-31］。N2與CO2吸附實驗聯(lián)測下的孔徑為0.4～200.0 nm，而核磁共振下的孔徑為0.1～100.0 μm。核磁共振檢測的孔徑下限小于N2吸附實驗，理應(yīng)得出其在微孔階段的比例較大，但是由于4 塊煤樣的黏土礦物含量較高，核磁共振是在煤樣飽水狀態(tài)下進行的，飽水狀態(tài)下煤樣中的黏土礦物遇水以后膨脹堵塞了微孔，導致核磁共振所測得的T2譜信號峰值偏低，因此通過核磁共振所算得的微孔比例小于N2與CO2吸附聯(lián)合測試。核磁共振檢測的孔徑上限要大于N2和CO2吸附聯(lián)合測試，因此造成核磁共振在孔徑大于50 nm 的大孔階段比例大。總體來看，核磁共振所得主要孔徑分布與N2和CO2吸附聯(lián)測的結(jié)果一致，都表明該地區(qū)孔隙以孔徑為2～50 nm 的介孔為主。

表3 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Full aperture pore structure parameters of coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

圖10 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣氣體吸附下孔比表面積（a）、孔容（b）分別與孔徑的變化關(guān)系Fig.10 Relationships of pore size with pore specific surface area（a）and pore volume（b）under gas adsorption for coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

圖11 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣核磁共振與氣體吸附孔徑分布對比Fig.11 Comparison of pore size distribution between NMR and gas adsorption for coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

3.4 孔隙連通性及非均質(zhì)性

根據(jù)核磁共振所測得的T2譜分布圖（圖12），4 塊煤樣的T2譜均存在2 個峰，其中弛豫時間T2在小于0.1 ms 時對應(yīng)微孔，T2在0.1～2.5 ms 時對應(yīng)介孔，T2在大于2.5 ms 時對應(yīng)大孔。M8 煤樣的弛豫譜圖為單峰式，峰值出現(xiàn)在1 ms 處，總體在0.1～10.0 ms，在10 ms 處也存在較為明顯的上升趨勢，直至100 ms 后仍然微弱上升，且不與X軸相交，說明該煤樣孔隙連通性較好，存在明顯的裂縫。其他3 塊煤樣的T2譜圖均為雙峰式，峰的弛豫時間均在0.1～10.0 ms 和10～100 ms，其中M10 和M15 煤樣的峰谷比較明顯，表明介孔與大孔的連通性相對較差。M6 煤樣可以很明顯地看到微孔、介孔、大孔兩兩之間的峰谷不明顯，說明其孔隙連通性很好，滲透率大，且T2譜圖在弛豫時間大于100 ms 時也有微弱的上升趨勢，說明煤樣也存在較為發(fā)育的裂縫。相比而言，由于100 ms 后M6 煤樣孔隙度分量累計為0.004 4%，低于M8 煤樣的孔隙度分量累計0.004 9%，M6 低于M8，說明M8 煤樣的裂縫較M6 煤樣發(fā)育。綜上所述，M8 煤樣的連通性最好，束縛水飽和度最低；M10 煤樣的連通性最差。

圖12 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣的核磁共振T2譜分布Fig.12 NMR T2 spectrum distribution of coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

依據(jù)上文所提到的氣體吸附數(shù)據(jù)分析中孔隙大小的分類原則，將核磁共振所測得的結(jié)果進行分類，計算了孔徑分布及相關(guān)參數(shù)［32-33］（表4），T2c值為0.47～1.12 ms。M8 煤樣的T2c值最大，其孔裂隙較為發(fā)育，可能是構(gòu)造煤，這在T2譜上也有所反映。M10 與M6 煤樣的T2c值非常接近，說明其孔裂隙發(fā)育程度相當。M15 煤樣的T2c值最小，孔裂隙發(fā)育程度最低，因此孔連通性差。核磁共振殘余孔隙度為1.17%～4.68%，平均值為2.88%，有效孔隙度為0.74%～8.72%，平均值為4.00%，平均有效孔隙占比為51.49%。有效孔隙度較高，這主要是因為煤樣的介孔、大孔及裂縫較為發(fā)育。同時，從表4 也可以看出，有效孔隙度和總孔隙度之間呈正相關(guān)，并且有效孔隙度和固定碳含量呈正相關(guān)，但和灰分、揮發(fā)分含量呈負相關(guān)，所以有效孔隙度可以作為評價煤層的一個重要指標［34-35］。

表4 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣核磁共振實驗數(shù)據(jù)Table 4 NMR experimental data of coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

根據(jù)煤樣壓汞曲線及壓汞實驗所得數(shù)據(jù)（圖13，表5），4 塊煤樣的壓汞-退汞曲線存在明顯的“滯后環(huán)”，且形態(tài)差距明顯，說明煤中孔隙存在較多的一端開放型孔（墨水瓶形及狹縫形）［36］。4塊煤樣的退汞效率均較低，為0.84%～44.3%，且差異大，說明不同深度的樣品，發(fā)育的孔喉尺寸不均勻。其中，M8 煤樣的退汞效率最高，孔喉連通性最好。M6，M8，M10，M15 煤樣的均值系數(shù)分別為6.10，10.95，1.86，5.51，平均為6.11，均值系數(shù)差異明顯，說明不同深度煤層喉道發(fā)育程度不同；分選系數(shù)分別為2.56，2.31，4.50，5.38，平均為3.69，分選系數(shù)差異不大，孔喉分布較為均勻。由于M8 煤樣裂縫最為發(fā)育，其均值系數(shù)和退汞效率均明顯大于其他樣品，但分選系數(shù)較低，說明其孔喉發(fā)育程度較好，分布均勻，其所在深度煤層有利于煤層氣的解吸擴散。M10 煤樣的退汞效率最低，為0.84%，說明通過掃描電鏡觀察得到的胞腔孔及屑間孔多為一端開放型孔，較大的分選系數(shù)及較低的均值系數(shù)說明了其孔喉不發(fā)育、尺寸分布不均勻，由此可見，M10 煤樣所在深度的煤層條件相對較差，不利于煤層氣的吸附及解吸。

表5 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣壓汞實驗數(shù)據(jù)Table 5 Experimental data of mercury injection in coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

圖13 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣壓汞曲線Fig.13 Mercury injection curves of coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

根據(jù)孔喉分布特征及滲透率貢獻能力（圖14），M6，M8，M10，M15 煤樣的主要孔喉半徑分別為10.69 μm，0.74 μm，0.03 μm，0.26 μm。M6 煤樣的曲線呈現(xiàn)雙峰式、偏細歪度，從M6 煤樣的孔喉半徑分布曲線可以看出，孔喉半徑在10 μm 處分布頻率最大，但是其滲透率貢獻并不高，而第二峰值處的孔喉半徑為17 μm，卻是最大的滲透率貢獻者，說明最高峰值處的孔喉頻率最高，但孔喉的不連通導致其滲透率貢獻不大；M8 與M15 煤樣的孔喉半徑分布頻率與滲透率貢獻具有一致性，分布多的孔喉滲透率貢獻值也較高；M10 煤樣在0.4 μm 處孔喉分布頻率極低，但是其滲透率貢獻較大，說明0.4 μm 處的孔喉發(fā)育良好，總體上大孔喉分布少、連通好，小孔喉分布多、連通差，加之其較低的均值系數(shù)，總體上連通性較差，這與前文掃描電鏡下M10 煤樣連通性較差一致。

圖14 鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤樣孔喉分布特征（a）與滲透率貢獻能力（b）Fig.14 Pore throat distribution characteristics（a）and permeability contribution ability（b）of coal samples from Jurassic Yan’an Formation in Shenmu area，Ordos Basin

綜上所述，4 塊煤樣的連通性各有不同，差異明顯，喉道發(fā)育程度及孔喉分布也各有不同?？傮w上看，M8 煤樣連通性最好，M10 煤樣連通性最差。此外，研究區(qū)不同深度煤層的孔隙結(jié)構(gòu)差異顯著，不同孔喉半徑對滲透率的貢獻不同，說明煤層具有較強的非均質(zhì)性。

4 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地神木地區(qū)侏羅系延安組煤層孔隙結(jié)構(gòu)復雜，煤巖組分接近，孔隙度為1.95%～13.22%，且差異大，這主要是由于不同深度孔隙填充狀況不同，含有的礦物差別明顯?？紫额愋蛦我?，主要為氣孔、屑間孔、鑄模孔、胞腔孔，也存在少量微裂縫，其中氣孔及屑間孔是煤層氣吸附的主要場所。裂縫的存在改善了孔隙連通性，有利于煤層氣解吸后的擴散。

（2）研究區(qū)侏羅系延安組煤層整體排驅(qū)壓力較低，最大進汞飽和度差異較大，退汞效率較低，孔喉半徑以微米級為主，煤層中孔隙多為狹縫形和墨水瓶形的納米級一端開放型孔隙。煤層孔隙以介孔為主，微孔次之，大孔最少，微孔是孔比表面積及孔容的主要貢獻者，其次是介孔和大孔。說明煤層氣主要吸附在微孔。

（3）研究區(qū)侏羅系延安組煤樣壓汞所得平均均值系數(shù)為6.10，平均分選系數(shù)為3.69，孔喉分布頻率差異大且一致性較差；不同深度煤層T2譜分布圖特征明顯，T2c值差異不大，說明可動流體主要分布于孔徑大于2.5 nm 的孔隙中，但是束縛水飽和度差異大，說明該地區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)復雜，非均質(zhì)性強。不同深度煤層分布的主要孔喉半徑不同、不同孔喉半徑對滲透率貢獻差別大，進一步說明了該區(qū)煤層具有較強的非均質(zhì)性。