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        脆性變形序列構(gòu)造煤納米孔隙和粗糙度的原子力顯微鏡研究

        2022-06-07 10:34:28張寧遠(yuǎn)姚素平
        煤田地質(zhì)與勘探 2022年5期
        關(guān)鍵詞:變形結(jié)構(gòu)

        張寧遠(yuǎn),姚素平

        (南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院 表生地球化學(xué)教育部重點實驗室,江蘇 南京 210023)

        煤是一種對溫度和應(yīng)力非常敏感的特殊有機(jī)巖石[1]。在構(gòu)造應(yīng)力作用下,煤層被擠壓、揉皺、破碎,煤體的原生結(jié)構(gòu)遭到破壞,這種煤被稱為構(gòu)造煤[2]。在后期構(gòu)造改造過程中,煤的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征會發(fā)生很大的改變,使得其力學(xué)強(qiáng)度、孔滲性、吸附?解吸等物性特征也發(fā)生了強(qiáng)烈的變化[1,3-4]。構(gòu)造煤與煤層氣勘探開發(fā)、煤與瓦斯突出等皆有著密切的關(guān)系。研究表明,絕大多數(shù)的煤與瓦斯突出事故都與構(gòu)造煤發(fā)育有關(guān)[5-7]。同時,構(gòu)造煤對煤層氣開發(fā)也有許多負(fù)面影響,如排采過程中會產(chǎn)出大量煤粉導(dǎo)致卡鉆、滲透性差導(dǎo)致煤層氣產(chǎn)氣效率低等,嚴(yán)重制約了煤層氣生產(chǎn)[5-6]。因此,構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)研究對改善煤礦安全生產(chǎn)條件、提高煤層氣開采效率等方面具有重要意義[1,4-5,7-9]。

        目前,煤的孔隙結(jié)構(gòu)表征方法眾多。常見的方法包括基于圖像分析的掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、微米?納米CT 以及原子力顯微鏡(AFM)等;流體注入法如高壓壓汞(HPMI)和低溫氣體吸附(LPN2GA、LPCO2GA)等;以及小角散射(SAXS/SANS)等。近年來,AFM 因其無損、分辨率高、可獲得樣品表面三維形貌等優(yōu)勢,愈來愈多地被應(yīng)用在非常規(guī)油氣儲層(煤、頁巖等)領(lǐng)域中[3,10-15]。但前人的AFM 研究主要是針對不同變質(zhì)程度煤,而對不同類型構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征和粗糙度鮮有涉及。筆者將AFM 應(yīng)用于脆性變形序列構(gòu)造煤研究,對不同脆性變形構(gòu)造煤的表面形貌進(jìn)行觀察,并借助離線軟件對其孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析,探討構(gòu)造煤納米孔隙和粗糙度特征,為煤層氣勘探開發(fā)和煤與瓦斯突出防治提供科學(xué)依據(jù)。

        1 樣品和方法

        1.1 樣品采集

        構(gòu)造煤的研究起步較早?;诓煌姆诸悩?biāo)準(zhǔn),前人提出過許多不同的構(gòu)造煤分類方案[1,6-7,16-19]。其中,琚宜文等[20]提出的結(jié)構(gòu)-成因分類方案得到了較為廣泛的應(yīng)用。該方案按構(gòu)造變形機(jī)制,將構(gòu)造煤劃分為3 個變形序列:脆性變形序列(碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤、碎粉煤、片狀煤、薄片煤)、脆韌性過渡序列(鱗片煤)和韌性變形序列(揉皺煤、糜棱煤、非均質(zhì)結(jié)構(gòu)煤)[20]。本次研究的樣品為脆性變形序列構(gòu)造煤,采自安徽省淮北煤田宿縣礦區(qū)和臨渙礦區(qū),樣品基本信息見表1。

        表1 樣品基本信息Table 1 General information of coal samples

        1.2 樣品宏觀與微觀變形特征

        圖1 展示了不同構(gòu)造煤樣品的手標(biāo)本照片與顯微鏡反射光照片。其中,原生結(jié)構(gòu)煤煤體結(jié)構(gòu)完整,煤巖條帶清晰可見,裂隙不發(fā)育或少量發(fā)育(圖1a?圖1b)。碎裂煤煤體結(jié)構(gòu)較為完整(圖1c),顯微鏡下可見兩組裂隙斜交發(fā)育,裂隙之間還存在小型次級裂隙(圖1d)。片狀煤呈明顯的板片狀,節(jié)理面平直穩(wěn)定(圖1e),顯微鏡下可見2 組近平行裂隙(圖1f)。碎斑煤煤體較為破碎,煤巖條帶不可見,裂隙紊亂而密集發(fā)育(圖1g)。顯微照片顯示出煤體被裂隙分割為粒狀,許多顆粒還被小型裂隙進(jìn)一步切割,形成2 組粒徑不同的顆粒(圖1h)。碎粒煤煤體結(jié)構(gòu)松散,原生結(jié)構(gòu)完全消失,常見碎粒碎粉化現(xiàn)象(圖1i)。從顯微照片中可見煤體被網(wǎng)狀裂隙密集切割成較小顆粒,為典型的碎粒結(jié)構(gòu)(圖1j)。薄片煤煤體結(jié)構(gòu)破碎,呈薄片狀,摩擦面發(fā)育(圖1k)。從顯微照片中可見多組大型的弧形裂隙發(fā)育,將煤基質(zhì)切割為片狀(圖1l)。

        圖1 樣品宏?微觀變形特征Fig.1 Micro and macro deformation characteristics of coal samples

        1.3 實驗方法

        由于構(gòu)造煤樣品結(jié)構(gòu)松散破碎,為了制備符合AFM 實驗要求的樣品,首先將原始煤樣煮膠固結(jié),隨后將固結(jié)好的樣品切割成數(shù)個毫米大小的碎塊,用環(huán)氧樹脂鑲嵌固定,制成直徑8 mm、高5 mm 左右的圓柱形靶。之后用不同目數(shù)的砂紙對觀察面進(jìn)行機(jī)械拋光,在光學(xué)顯微鏡下檢查,無明顯劃痕,最后進(jìn)行氬離子拋光(Leica EM TIC 3X,拋光參數(shù)4 kV、30 min)。本次實驗所用儀器為德國Bruker 公司的Multimode 8原子力顯微鏡,其最大掃描范圍125 μm×125 μm×5 μm;最高水平分辨率0.1 nm;最高垂直分辨率0.01 nm。實驗過程中采用的是ScanAsyst 智能成像模式,圖像掃描范圍為5 μm×5 μm,掃描點數(shù)為512×512,實際分辨率約10 nm。掃描完成后,對每個樣品選取10 張5 μm×5 μm 的AFM 圖 像,采 用NanoScope Analysis 和Gwyddion 軟件進(jìn)行處理,以獲得其表面粗糙度參數(shù)及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。

        1.4 AFM 數(shù)據(jù)處理

        為了對樣品孔隙進(jìn)行定量分析,獲得孔數(shù)量、孔徑大小等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù),本次研究利用Gwyddion 軟件對AFM 圖像進(jìn)行處理[21]。Gwyddion 軟件中的Grain Analysis 功能可以對圖像中的凸起顆粒進(jìn)行識別和標(biāo)記(圖2)。由于本次實驗研究對象是表面孔隙,因此需要在Grain Analysis 中點擊“Invert Height”,將孔隙倒轉(zhuǎn)為顆粒進(jìn)行分析[11,13]。軟件中提供了幾種不同的顆粒識別方法,本次實驗選用Watershed 法識別孔隙[13],其基本原理如下:①軟件會在AFM 圖像的每個掃描點上模擬生成水滴;② 在重力勢能作用下,水滴會順著附近最陡的路徑,匯聚到局部的地勢低谷;③以上步驟重復(fù)多次,最終在圖像表面形成了大小不同的“湖泊”。軟件對這些“湖泊”進(jìn)行分析,便能獲得孔數(shù)量、孔徑、孔表面積、孔體積等一系列參數(shù)。此外,本次研究按照IUPAC 的分類標(biāo)準(zhǔn),將孔分為小孔(<2 nm)、介孔(2~50 nm)和大孔(>50 nm)[22]。

        圖2 Watershed 法識別AFM 圖像中的孔隙Fig.2 Pores marked by the Watershed method

        本次研究所選取的粗糙度參數(shù)包括算術(shù)平均粗糙度(Ra)、均方根粗糙度(Rq)、偏斜度(Rsk)及峰度(Rku),這些參數(shù)都可以通過NanoScope Analysis 軟件中的Roughness 功能計算得到。其中,算術(shù)平均粗糙度Ra反映了樣品表面偏離基準(zhǔn)面的平均距離,而均方根粗糙度Rq反映了樣品表面偏離基準(zhǔn)面的均方根距離。其計算公式如下[11,13,23]:

        式中:Nx、Ny分別為圖像x軸和y軸方向上的掃描點數(shù)量;z(i,j)為圖像中坐標(biāo)(i,j)所在點的高度值;zmean為AFM 圖像中所有掃描點高度的平均值。

        峰度Rku反映的是樣品表面高度值分布的集中程度。Rku>3,表示樣品表面高度值分布在均值附近;Rku<3,表示樣品表面高度值分布較為分散。其計算公式[11,13,23]如下:

        2 實驗結(jié)果

        2.1 脆性變形煤的納米孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征

        圖3 為不同脆性變形構(gòu)造煤的AFM 表面形貌圖像。從圖中可以看出,原生結(jié)構(gòu)煤孔隙形狀以橢圓形為主,其次為圓形,主要為大于200 nm 的大孔,孔隙分布較為稀疏,且分布不均勻(圖3a)。碎裂煤中孔隙分布密度略有增大,但大于200 nm 的大孔減少(圖3b)。片狀煤中大于200 nm 的大孔數(shù)量明顯減少,孔隙分布密度進(jìn)一步加大,且孔隙分布的不均勻性進(jìn)一步加強(qiáng)(圖3c)。圖3d?圖3e 分別為碎斑煤和碎粒煤的表面形貌圖,這一階段煤體遭受了較強(qiáng)的碎?;饔?,可見孔隙密度進(jìn)一步增大。碎斑煤中大于200 nm 的大孔仍顯示有一定數(shù)量,但碎粒煤中大于200 nm 的大孔僅零星分布,小于100 nm 的大孔和介孔數(shù)量明顯增多(圖3e)。在脆性變形序列煤中,薄片煤構(gòu)造變形程度為最高。從圖3f 中可見,該階段孔徑較小的介孔大量發(fā)育,而少量的大孔僅零星分布,孔隙密度達(dá)到脆性變形序列煤的最大值。由此可見,隨著構(gòu)造作用增強(qiáng),脆性變形序列煤孔徑總體上呈逐漸減小的趨勢,而孔密度則逐漸增大。其中,從原生結(jié)構(gòu)煤到片狀煤,孔徑和孔密度盡管發(fā)生變化,但變化幅度較小,從碎斑煤開始,孔徑和孔密度發(fā)生了明顯變化,碎斑煤中主要孔徑分布在100~200 nm,而碎粒煤則分布在100 nm 以下。至薄片煤,介孔大量發(fā)育,孔徑進(jìn)一步減小。

        表2 是基于Gwyddion 軟件Watershed 法統(tǒng)計出的樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù),包括孔數(shù)量、平均孔徑、面孔率等。其中,由于孔隙形狀往往不規(guī)則,孔徑采用等效圓直徑(與孔隙面積相等的圓的直徑)來表示。從表中可見,6 組樣品的平均孔數(shù)量(每25 μm2掃描范圍內(nèi)的孔數(shù)量)介于86~685,面孔率介于8.13%~17.06%,平均孔徑為68.8~131.4 nm。隨著構(gòu)造變形程度增強(qiáng),樣品平均孔數(shù)量明顯增多,而平均孔徑表現(xiàn)出減小的趨勢。

        表2 樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Nanopore structural parameters of coal samples

        2.2 脆性變形煤的表面粗糙度

        樣品的粗糙度參數(shù)見表3。由表中可見,樣品平均粗糙度Ra范圍介于3.00~6.02 nm,均方根粗糙度Rq范圍介于3.98~7.58 nm。此外,樣品的偏斜度Rsk基本小于0,表明絕大部分樣品表面的“低谷”(孔隙)多于“高峰”[23]。另外,所有樣品的峰度Rku均大于3,表明樣品表面的高度值分布在基準(zhǔn)面附近,分布較為集中[23]。

        表3 樣品表面粗糙度參數(shù)Table 3 Surface roughness statistics of coal samples

        3 討論

        3.1 構(gòu)造作用對脆性變形煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響

        圖4 展示了不同類型構(gòu)造煤的孔數(shù)量與孔徑的變化情況。從原生結(jié)構(gòu)煤到薄片煤,平均孔數(shù)量明顯增多,而平均孔徑減小。根據(jù)曲線的斜率,可大致將曲線分為2 段?弱脆性變形階段和強(qiáng)脆性變形階段。在弱脆性變形階段(原生結(jié)構(gòu)煤到碎斑煤),平均孔數(shù)量(每25 μm2掃描范圍內(nèi)的孔數(shù)量)從86 增加至245,平均孔徑從131.4 nm 降低至107.7 nm,構(gòu)造作用對煤孔隙結(jié)構(gòu)影響相對較小,演化速率較為緩慢;在強(qiáng)脆性變形階段(碎斑煤到薄片煤),平均孔數(shù)量從245 增至685,平均孔徑從107.7 nm 下降至68.8 nm,相比之下構(gòu)造作用對煤孔隙結(jié)構(gòu)影響更為顯著,演化速率明顯加快。

        圖4 平均孔數(shù)量和平均孔徑與構(gòu)造變形程度之間的關(guān)系Fig.4 Relationships between the number of mean pores and mean pore size and tectonic deformation degree

        為了進(jìn)一步分析不同構(gòu)造變形程度煤孔隙結(jié)構(gòu)變化特征,本次研究將孔徑區(qū)間劃分為10~50、50~100、100~200 及>200 nm 4 個區(qū)間段。不同孔徑段的孔數(shù)量變化情況如圖5 所示。在弱脆性變形階段(原生結(jié)構(gòu)煤到碎斑煤),構(gòu)造煤孔數(shù)量緩慢增長,其49%的增長量來源于100~200 nm 大孔,而10~50 nm 介孔和50~100 nm 大孔雖然也有增長趨勢,但增量相對較小,分別貢獻(xiàn)了23%和21%,而大于200 nm 的大孔幾乎沒有增長;在強(qiáng)脆性變形階段(碎斑煤到薄片煤),構(gòu)造煤孔數(shù)量增速明顯加快。其中,50~100 nm 大孔貢獻(xiàn)了68%的增長量,并取代100~200 nm 大孔,成為構(gòu)造煤中的主要孔隙。10~50 nm 介孔貢獻(xiàn)了24%的增長量。相較之下,100~200 nm 大孔雖然仍有增長,但增長較少,且在薄片煤階段出現(xiàn)下降趨勢。由此可見,脆性變形環(huán)境中構(gòu)造作用整體上促進(jìn)了煤孔隙的發(fā)育,但構(gòu)造作用在不同階段對孔隙發(fā)育的影響存在明顯差異。弱脆性變形階段,構(gòu)造作用主要促進(jìn)了100~200 nm大孔發(fā)育,對小于100 nm 孔隙影響較小。強(qiáng)脆性變形階段,構(gòu)造作用主要促進(jìn)50~100 nm 大孔發(fā)育,且對10~50 nm 介孔也有一定影響。

        圖5 樣品的孔徑分布Fig.5 Pore size distribution of coal samples

        前人常用氮氣吸附來表征煤中的孔隙結(jié)構(gòu)特征,其有效表征范圍為2~100 nm[24-26]。而本次AFM 實驗所測孔徑從10 nm 到幾百納米不等,為了便于對比,統(tǒng)計孔面積時僅將10~100 nm 的孔隙計算在內(nèi)。基于Gwyddion 軟件統(tǒng)計的不同構(gòu)造煤10~100 nm 孔的累積孔面積如圖6 所示。由圖中可見,累積孔面積隨構(gòu)造作用增強(qiáng)而增大,但表現(xiàn)出兩階段式特征。在弱脆性變形階段,樣品累積孔面積從0.036 1 μm2增加至0.222 μm2。而在強(qiáng)脆性變形階段,累積孔面積從0.222 μm2迅速增加至1.66 μm2。

        1.自主研發(fā)環(huán)保型三次采油二元驅(qū)油體系。為節(jié)約地下淡水資源,改變傳統(tǒng)的采用清水配制聚合物溶液的做法,開展地下采出水配制聚合物驅(qū)油體系研究 。通過室內(nèi)實驗,明確了采出水中二價鐵等活性物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)是造成聚合物快速降解的主要原因(降解率60%以上),研發(fā)了采出水“曝氣失活+化學(xué)法”深度處理技術(shù),解決了采出水聚合物溶液易降解難題。開展聚合物及表活劑協(xié)同驅(qū)油機(jī)理研究,研發(fā)出復(fù)配型石油磺酸鹽,界面張力達(dá)到超低(10-3mN/m 數(shù)量級),優(yōu)選出提高采收率接近20 個百分點的聚/表二元驅(qū)油體系。

        圖6 基于AFM 的樣品累積孔面積Fig.6 Total pore surface area of coal samples based on AFM

        圖7 中統(tǒng)計了琚宜文等[24-26]關(guān)于構(gòu)造煤氮氣吸附實驗數(shù)據(jù)。其樣品全部采自淮南-淮北煤田,Rmax介于0.76%~1.51%,與本文中的樣品成熟度(表1)基本相似。由圖中可見,從原生結(jié)構(gòu)煤到碎斑煤,樣品累積比表面積(2~100 nm)從0.038 3 m2/g增加至0.224 m2/g;而從碎斑煤到薄片煤,樣品累積比表面積從0.224 m2/g大幅增加至1.377 m2/g,同樣具有明顯的強(qiáng)弱兩階段特征。隨著構(gòu)造變形增強(qiáng),煤中累積比表面積增大,平均孔徑下降[2,16,24-26],表明構(gòu)造作用促進(jìn)了煤中的中、小孔的大量發(fā)育,這與本次研究的結(jié)論一致。但AFM實驗結(jié)果更精細(xì)地揭示了不同孔徑孔隙數(shù)量的變化特征,這為進(jìn)一步研究構(gòu)造煤的孔隙成因及吸附機(jī)理提供了重要的參考。

        圖7 基于氮氣吸附的構(gòu)造煤累積比表面積[24-26]Fig.7 Total specific surface area of different brittle tectonic deformed coals[24-26]

        3.2 不同脆性變形煤粗糙度的變化規(guī)律及成因探討

        研究表明,煤表面粗糙度會受到許多因素的影響,包括氧化還原程度、顯微組分類型、顆粒大小、變質(zhì)程度、變形程度等。F.A.Bruening 等[27]觀察到氧化處理前后的煤表面形貌發(fā)生了變化。Liu Jiaxun 等[28]研究煤粉時,發(fā)現(xiàn)煤粉粒徑越大,其Ra、Rq越高,而Rsk、Rku越低。R.Morga[29]發(fā)現(xiàn)同一煤樣中絲質(zhì)體的表面粗糙度(Ra、Rq)高于半絲質(zhì)體。Wu Dun 等[30]研究表明煙煤的表面粗糙度高于無煙煤。朱海濤[3]揭示了相近成熟度條件下,弱構(gòu)造變形煤粗糙度高于強(qiáng)構(gòu)造變形煤。

        本次研究中不同構(gòu)造煤的粗糙度Ra、Rq如圖8 所示。由圖中可見,粗糙度參數(shù)Ra和Rq隨構(gòu)造作用增強(qiáng)表現(xiàn)出兩階段式發(fā)育規(guī)律:在弱脆性變形階段,Ra和Rq較高,且整體變化幅度較小,規(guī)律性不明顯;在強(qiáng)脆性變形階段,Ra和Rq迅速下降,反映煤表面起伏減小,平整度增強(qiáng)。由前文粗糙度的計算式(1)?式(2)可知,粗糙度大小直接取決于樣品表面的“高峰”和“低谷”。而本次研究中樣品的偏斜度Rsk基本小于0,絕大部分樣品表面的“低谷”(孔隙)多于“高峰”[23]。由此推測,構(gòu)造作用下孔隙結(jié)構(gòu)的變化可能是影響粗糙度的主要因素。

        圖8 Ra 和Rq 與構(gòu)造變形程度之間的關(guān)系Fig.8 Relationships between Ra and Rq and tectonic deformation degree

        為了探究孔隙大小對表面粗糙度的影響機(jī)制,本次研究設(shè)置了(a)、(b)兩組不同孔隙結(jié)構(gòu)的粗糙度數(shù)值模擬實驗。模擬實驗假設(shè):①煤的表面為一理想平面,除了模擬生成的孔隙外,平面上無任何起伏;② 煤中的孔隙為規(guī)則的半橢球形,設(shè)定其孔徑與孔深之比為p;③AFM 圖像掃描點數(shù)為512×512,即整個圖像被分割成511×511 個基本單元格,每個單元格邊長為9.785 nm。2 組實驗條件如下:(a) 組在理想的5 μm×5 μm 平面上模擬生成一個直徑為R、孔深為R/p的半橢球形孔隙;(b)組在同樣大小的平面上模擬生成一個半橢球形孔隙,其孔徑和孔深均為(a)孔的1/n倍(圖9)。

        圖9 不同大小孔隙的幾何模型Fig.9 Mathematical models of pores of different radius

        則(a)、(b)兩個橢球面的方程分別為:

        |z|可表示為:

        根據(jù)Ra的計算公式:

        這里Nx=Ny=512,|z(i,j)?zmean|=|z|,則(a)、(b)兩組的粗糙度Ra之比為:

        式(11)等號右側(cè)分式上下兩邊同時乘以基本單元格的面積(s=9.785×9.785=95.746 nm2),即有:

        由此可見,理想條件下,直徑為R的孔隙對粗糙度的貢獻(xiàn)約為直徑為R/n的孔隙的n3倍。這表明,大孔對煤表面粗糙度的影響要比小孔大得多。

        在上述推論的基礎(chǔ)上,結(jié)合Gwyddion 軟件所獲得的孔徑分布數(shù)據(jù),可以模擬出不同構(gòu)造煤在理想條件下的粗糙度數(shù)值。對不同構(gòu)造煤AFM 圖像進(jìn)行剖面分析,可獲得單個孔隙的孔徑和孔深。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),構(gòu)造煤表面孔隙的孔徑與孔深之比p大致介于22.88~38.49(圖10)。本次模擬取p為30,原生結(jié)構(gòu)煤到薄片煤的Ra模擬值分別為4.39、9.24、8.92、6.57、5.13 和3.84 nm。與表3 中Ra值對比發(fā)現(xiàn),原生結(jié)構(gòu)煤、碎斑煤、碎粒煤和薄片煤模擬結(jié)果接近于實際值。而碎裂煤和片狀煤的模擬結(jié)果與實際值相差較遠(yuǎn),這可能是因為這兩個樣品中的實際孔隙形態(tài)與模型偏離較遠(yuǎn)??紫赌P椭性O(shè)置的孔徑R與孔深H之比p=30,若p的實際值大于30(孔隙形狀更扁平),則會導(dǎo)致模擬結(jié)果大于實際粗糙度。但總體來看,模擬結(jié)果較好地重現(xiàn)了不同構(gòu)造煤粗糙度的變化趨勢。這表明,構(gòu)造作用主要是通過影響煤中的孔隙結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響煤的表面粗糙度。在弱脆性變形階段,構(gòu)造作用主要促進(jìn)100~200 nm 大孔發(fā)育,因此,粗糙度較大;強(qiáng)脆性變形階段,構(gòu)造作用主要促進(jìn)50~100 nm 大孔發(fā)育,大于100 nm 的孔隙比例降低,樣品粗糙度迅速減小。

        4 結(jié) 論

        a.AFM 不僅可以直觀地展現(xiàn)樣品表面的三維形貌,而且結(jié)合NanoScope Analysis 和Gwyddion 軟件,可以獲取表面粗糙度、孔數(shù)量、孔徑、面孔率等一系列參數(shù),是非常規(guī)儲層微觀結(jié)構(gòu)分析的一種有效手段。AFM 表面形貌圖顯示,隨著構(gòu)造作用增強(qiáng),樣品表面孔隙呈現(xiàn)出從零散到密集排列的變化特征。

        b.脆性變形構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)隨構(gòu)造作用的演化可劃分為強(qiáng)弱2 個階段:弱脆性變形階段(原生結(jié)構(gòu)煤?碎裂煤?片狀煤?碎斑煤),構(gòu)造作用對孔隙結(jié)構(gòu)影響較小,平均孔數(shù)量緩慢增加,平均孔徑緩慢減小;在強(qiáng)脆性變形階段(碎斑煤?碎粒煤?薄片煤),構(gòu)造作用對孔隙結(jié)構(gòu)影響顯著,平均孔數(shù)量和平均孔徑變化明顯加快。表明構(gòu)造作用下煤孔隙結(jié)構(gòu)演化并非簡單的線性疊加,而是具有明顯的階段性特征,這一特征也被前人氮氣吸附實驗所證實。

        c.構(gòu)造作用整體上促進(jìn)了脆性變形煤孔隙的發(fā)育,但不同階段的孔隙發(fā)育特征存在明顯差異。弱脆性變形階段,構(gòu)造作用主要促進(jìn)煤基質(zhì)中大于100 nm 的大孔發(fā)育。而強(qiáng)脆性變形階段中,構(gòu)造作用主要促進(jìn)了10~50 nm 介孔和50~100 nm 大孔的發(fā)育。

        d.通過AFM 剖面分析,建立了煤表面孔隙幾何形態(tài)的數(shù)學(xué)模型?;谠撃P偷拇植诙饶M結(jié)果表明,大孔是煤表面粗糙度的主要貢獻(xiàn)者。構(gòu)造作用主要通過影響煤中的孔隙結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響煤的表面粗糙度。

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