卓琦斐++王星宇　賈文娟　曹勝明　耿朋飛　劉虎平　張明鵬

摘 要：利用高壓壓汞法測(cè)定了貴州省黔西地區(qū)煤系泥頁(yè)巖的孔徑及其分布、比表面積和孔體積，并由此分析煤系泥頁(yè)巖的孔隙特征。研究表明，煤系泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙度比較低，煤系泥頁(yè)巖樣品孔隙孔徑分布廣泛，從微孔到大孔都有，且孔隙以微孔和過(guò)渡孔為主，微孔和過(guò)渡孔提供了大部分孔體積?？讖綖?～20 nm的孔隙對(duì)樣品總孔體積貢獻(xiàn)比較大，煤樣的總表面積取決于微孔過(guò)渡孔的體積，尤其是孔徑小于15 nm的孔起到了決定性作用，較高的微孔和過(guò)渡孔使頁(yè)巖儲(chǔ)層具有很高的吸附聚氣能力。

關(guān)鍵詞：煤系泥頁(yè)巖；高壓壓汞法；孔隙結(jié)構(gòu)；比表面積

中圖分類號(hào)：P618.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.007

煤系泥頁(yè)巖具有生烴、存烴的能力，但是，煤系頁(yè)巖氣的研究在國(guó)內(nèi)剛剛起步。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)（孔徑和孔徑分布、比表面積、孔體積等參數(shù)）控制了儲(chǔ)層對(duì)CH4、CO2等氣體的吸附能力，對(duì)其研究在揭示頁(yè)巖氣原位吸附容量和CO2存儲(chǔ)的地下封存容量具有重要意義。

相對(duì)氣體吸附法、小角X射線散射等方法，壓汞法測(cè)定具有理論模型簡(jiǎn)單、直觀，測(cè)定孔徑范圍寬等特點(diǎn)。基于此，筆者以壓汞實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，測(cè)定并分析煤系泥頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)，包括孔徑及其分布、比表面積、孔體積及其之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)樣品和方法

實(shí)驗(yàn)采集貴州省黔西林華井田新鮮煤系泥頁(yè)巖樣品作為研究對(duì)象，采用高壓壓汞法測(cè)定煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，儀器為AutoPore IV 9500 全 自 動(dòng) 壓 汞 儀，最大壓力3.3萬(wàn)磅（228 MPa），孔徑測(cè)量范圍 50 A～360 μm，進(jìn)汞和退汞的體積精度小于0.1 μL。通過(guò)樣品粉碎、過(guò)篩等前處理相關(guān)步驟，取適量的樣品放入壓汞儀中，壓汞儀在一定范圍內(nèi)從小到大逐步施加壓力。在此加壓過(guò)程中，記錄注入樣品孔隙中汞的體積，從而得到注入汞體積與壓力之間的關(guān)系曲線，通過(guò)分析該曲線可以計(jì)算出煤樣孔隙率和表面積等數(shù)據(jù)。

2 樣品分析結(jié)果

2.1 樣品的密度分析

樣品的密度分析結(jié)果如表1所示。

由表1可知，實(shí)驗(yàn)樣品的孔隙度為3.85%，孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，而孔隙的發(fā)育特征控制了儲(chǔ)層對(duì)CH4、CO2等氣體的吸附能力，所以，該煤系泥頁(yè)巖樣品相對(duì)其他發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的泥頁(yè)巖樣對(duì)氣體的吸附性能比較差。

2.2 高壓壓汞孔徑及其孔分布

煤系泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔徑分布比較廣泛，不僅有微米級(jí)別的裂縫，且發(fā)育納米級(jí)孔隙。采用Xoaotb十進(jìn)制孔隙分類標(biāo)準(zhǔn)，將孔徑結(jié)構(gòu)分為4類，即大孔（孔徑>1 000 nm）、中孔（100 nm<孔徑<1 000 nm）、過(guò)渡孔（10 nm<孔徑<100 nm）和微孔（孔徑<10 nm）。

煤系泥頁(yè)巖的高壓壓汞法孔體積數(shù)據(jù)如表2所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖孔體積以微孔為主，約占52.15%，其次為過(guò)渡孔，約占40.49%，中孔和大孔所占的孔體積比例很小。這說(shuō)明，煤系泥頁(yè)巖儲(chǔ)層微孔、過(guò)渡孔發(fā)育，中孔和大孔不發(fā)育。直徑小于100 nm的微孔和過(guò)渡孔占總孔體積貢獻(xiàn)高達(dá)95%以上，且尤以5～20 nm孔徑范圍內(nèi)的孔隙最多。在煤系泥頁(yè)巖中，這種孔隙結(jié)構(gòu)不利于氣體的滲流。要想提高氣體在頁(yè)巖中的滲流能力，可以采用壓裂等改造措施。

2.3 樣品孔體積分析

圖2為注汞體積隨著壓力的變化曲線，從圖中可以看出，注汞量隨著壓力的增加而增大，增加趨勢(shì)也不相同，初期泥頁(yè)巖樣品孔隙比較多，注汞量增加比較快。煤系泥頁(yè)巖樣品孔隙越來(lái)越小，注汞的難度就越來(lái)越大，注汞量的增長(zhǎng)趨勢(shì)比初期有所減慢。當(dāng)壓力為59 950.29 Pa 時(shí)，注汞量達(dá)到最大值，這時(shí)的注汞體積即為煤系泥頁(yè)巖樣品的孔隙體積。

一樣。在0～20 nm 的孔徑區(qū)間內(nèi)，注汞體積增長(zhǎng)得比較快。這說(shuō)明，孔徑為0～20 nm的孔隙對(duì)樣品總孔體積貢獻(xiàn)的比較大。

2.4 樣品孔表面積分析

圖4為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中煤系泥頁(yè)巖樣品孔徑小于250 nm時(shí)的累計(jì)孔表面積隨著孔徑的變化曲線，表3為煤系泥頁(yè)巖表面積的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

分析圖4和表3可知，孔徑大于15 nm的累計(jì)表面積占樣品總表面積的10.1%，而孔徑小于15 nm的累計(jì)表面積占樣品總表面積的89.9%.這說(shuō)明，當(dāng)孔徑大于15 nm時(shí)，煤系泥頁(yè)巖的比表面積累加值增加緩慢；當(dāng)孔徑小于15 nm時(shí)，孔表面積急劇增加。樣品中，孔徑小于15 nm的部分對(duì)樣品總表面積的貢獻(xiàn)大。這表明，樣品中微孔、過(guò)渡孔數(shù)量多。雖然微孔、過(guò)渡孔的體積沒(méi)有中孔、大孔的大，但是，其比表面積明顯比中孔、大孔大。因此，樣品比表面積的大小取決于微孔、過(guò)渡孔體積的大小，與中孔、大孔的體積大小關(guān)系不明顯。

3 結(jié)論

該煤系泥頁(yè)巖樣品孔隙度比較小，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育尚不發(fā)達(dá)。煤系泥頁(yè)巖儲(chǔ)層微孔、過(guò)渡孔發(fā)育，中孔和大孔不發(fā)育，且直徑小于100 nm的微孔和過(guò)渡孔占總孔體積貢獻(xiàn)95%以上。數(shù)量比較多的微孔和過(guò)渡孔有利于氣體吸附。注汞量隨著壓力的增加而增大，但是，增加趨勢(shì)不同，初期因泥頁(yè)巖孔隙比較多增加得比較快?？讖皆?～20 nm的孔隙對(duì)樣品總孔體積貢獻(xiàn)比較大。樣品中，孔徑小于15 nm的部分對(duì)樣品總的表面積的貢獻(xiàn)大，比表面積取決于微孔、過(guò)渡孔體積，與中孔、大孔的體積關(guān)系不明顯。

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〔編輯：白潔〕