基于原子力顯微鏡表征碳酸鹽巖納米級孔隙結構

吳　盾

安徽省煤田地質局勘查研究院，安徽合肥，230088

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基于原子力顯微鏡表征碳酸鹽巖納米級孔隙結構

吳盾

安徽省煤田地質局勘查研究院，安徽合肥，230088

為深入掌握非常規油氣田吸附氣儲集和運移信息，碳酸鹽巖納米孔隙結構參數是一項必不可缺的關鍵要素。以淮南煤田晚石炭世太原組碳酸鹽巖為主要研究對象，采用原子力顯微(AFM)技術對其納米級平面、三維微觀形貌進行表征。結果表明：太原組碳酸鹽巖納米級孔隙主要為粒間孔隙和分散孔洞孔隙，含少量的連通孔洞孔隙；橫切面(Section)分析技術能夠有效地展示碳酸鹽巖納米孔隙的幾何形態學特征，進一步定量表征孔隙直徑、深度等信息。

原子力顯微鏡；納米級；孔隙結構；碳酸鹽巖；太原組

1　問題提出

淮南煤田-1000 m淺A組煤儲量17.7億噸。A組煤主采A3和A1兩煤層，A3煤層煤厚2.09～9.17 m，平均5.07 m；A1煤層煤厚1.56～7.77 m，平均3.78 m。兩煤層層間距1～5 m，局部合并為一層。淮南煤田A組煤資源稟賦、賦存穩定、煤質好，但由于水文地質條件復雜，斷層構造發育，水平向地應力大，且下伏山西組海相泥巖、太原組石灰巖遇水膨脹，巖層節理、裂隙發育，局部礦井A組煤底板存在灰巖溶洞或溶隙，尤其是近距離的底板灰巖，水頭壓力高、局部富含瓦斯。這些因素對淮南煤田A組煤安全開采構造了巨大威脅，成為A組煤開采和工程實踐上亟待解決的突出難題。

已有研究表明[1-3]，淮南煤田晚石炭世太原組-早二疊世山西組發育的泥質巖、石灰巖富含硫酸鹽類礦物，具有一定的生氣作用，因此，其熱演化形成的非常規天然氣有可能通過A組煤下伏太原組碳酸鹽巖空隙涌向采掘工作面，對A組煤安全開采造成影響。例如，潘謝礦區潘二礦井在建井期間南一B運輸石門揭開A3煤層時，曾發生煤與瓦斯突出，突出瓦斯4827.2 m3；通過對所揭A組煤樣瓦斯含量的實測分析，得到A1煤瓦斯含量7m3/t(1.3 MPa)和A3煤瓦斯含量10 m3/t(1.75 MPa)。

鑒此，查明A組煤下伏太原組碳酸鹽巖孔隙類型、孔隙分布、孔隙形態、孔隙連通性等巖石形貌學特征，是認識太原組油氣儲集和運移機制的關鍵因素，亦是解決A組煤安全、高效開采的基礎地質工作。因此，本文采用原子力顯微(AFM)技術表征淮南煤田太原組碳酸鹽巖高分辨率納米級孔隙結構，為今后A組煤施工部署提供參考依據。

2　碳酸鹽巖孔隙類型分類

Archie首次嘗試采用巖石組構和巖石物理性質定義孔隙空間并對其進行分類[4]，但該方法很難將巖石物理特性與地質模型建立對應關系。在此之后，Murray、Lucia以及ChoquettePray分別研究了碳酸鹽巖孔隙類型，界定了孔隙形態與巖石沉積、成巖組構之間的相互關系，并對Archie分類方法進行了有效修改[5-7]。本文綜合上述研究成果，從巖石組構角度，定義碳酸鹽巖孔隙類型為粒間孔隙、分散孔洞孔隙和連通孔洞孔隙三類。此外，從空間尺度角度，Xodot定義了巖石孔隙，即其可劃分為微孔(<0.01 μm)、小孔(0.01～0.1 μm)、中孔(0.1～1 μm)和大孔(>1 μm)[8]。針對巖石孔隙尺度劃分，Gan和張慧亦提出了不同的劃分標準[9-10]。綜合上述研究成果，本文采用Xodot方法作為主要分類依據。

3　樣品采集與表征方法

太原組碳酸鹽巖樣品采自淮南煤田丁集煤礦G3地面鉆孔，并按照SY/T 6156-1995(碳酸鹽巖油藏地質特征描述方法)和DZ/T0002.3-1997(含煤巖系鉆井巖芯描述標準-巖性分類部分)規程規范，對樣品采集、封裝、運輸等過程進行了嚴格控制。鑒于原子力顯微觀測時對樣品制備要求具有明確規定，為此樣品前處理過程嚴格按照Wu等執行[11]。

在樣品表征結束后，采用NanoScope Analysis(SPA-300HV，日本Digital公司生產；最大掃描范圍：30×30×2 μm；最大分辨率：0.2 nm(水平方向)和0.01 nm(垂直方向)；自動掃描幀數：1800 mm)對掃描結構進行定量處理和分析。

4　結果與討論

4.1二維、三維孔隙結構特征

圖1(a)～(d)是碳酸鹽巖樣品逐漸放大的二維AFM高分辨圖像。在10 μm比例尺下，能從整體上觀察巖石表面大小顆粒間的粒間孔隙及其相互連通的分散孔洞孔隙，以及獨立于粒間孔隙空間相互連通的連通孔洞孔隙。伴隨圖像分辨率的提高，不同類型孔隙形貌也愈來愈清晰。在10 μm比例尺下，能觀察到粒間孔隙形狀主要為橢圓形和圓形，分散、連通孔隙類型主要為不規則長條形。

圖1　碳酸鹽巖不同類型孔隙的二維AFM高分辨圖像

圖2　碳酸鹽巖不同類型孔隙的三維AFM高分辨圖像

圖2(a)～(d)是碳酸鹽巖樣品逐漸放大的三維AFM高分辨圖像。在三維視角下，能清晰地看出巖石表面不同類型孔隙特征，并定量獲取較大型裂縫長度值(圖2(a))。NanoScope Analysis中三維視圖同時提供視角旋轉功能，進而在不同視角反映巖石表面高分辨率影像。

4.2橫切片分析技術

圖3為圖1(d)中A-A′和B-B′剖面橫切面圖。從圖3可以看出，沿著剖面方向，不同孔隙孔徑能被定量表征，并進行相應的分類。從孔徑分布曲線圖得出，本次分析的碳酸鹽巖樣品孔隙以小孔為主，次為微孔，含少量中孔，大孔不甚發育。在此基礎上，采用NanoScope Analysis中的Particle Analysis(顆粒分析)功能，可以獲得分析樣品表面孔隙面積和面孔率信息。此外，利用Roughness Analysis(粗糙度分析)功能，結合軟件自動提供的Ra/Rq值，能獲得分析樣品表面粗糙度。具體定量表征信息見表1。

圖3　不同孔隙尺度的孔徑分布曲線

分辨率/μm總孔隙面積/nm2最大孔隙直徑/nm最小孔隙直徑/nm平均孔隙直徑/nm面孔率/%Ra/Rq11176.401144.50011.01929.6116.320.776526318.899288.12522.03966.6145.890.6883516241.073292.16856.188129.9124.530.64541022506.714231.143126.602166.6253.780.6663

4　結束語

原子力顯微鏡分析技術能直觀地觀察碳酸鹽巖巖石表明納米級微觀孔隙結構特征，其二維、三維AFM高分辨率圖像能充分展示出巖石表面孔隙類型及其空間分布情況，并從不同視角度量巖石納米級孔隙尺寸，進而將碳酸鹽巖孔隙結構研究深入到納米級水平。采用橫切面分析、顆粒分析和粗糙度分析，能夠定量獲得巖石孔隙參數(孔隙結構、孔徑分布、總孔隙面積、面孔率、粗糙度等)。上述研究為碳酸鹽巖微觀形貌表征提供了一項新的測量技術，亦為非常規油氣吸附和運移機理的微觀研究提供更為直觀、詳實的數據資料。

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(責任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.10.031

2016-07-15

吳盾(1985-)，安徽合肥人，博士，工程師，主要研究方向：煤地球化學、烴源巖地球化學、精細結構定量表征。

P589.1

A

1673-2006(2016)10-0120-03