潘二煤礦晚石炭世太原組碳酸鹽巖孔隙結構表征

苗林

【摘 要】本文將潘二煤礦晚石炭世太原組碳酸鹽巖作為一種多孔材料，利用低溫液氮吸附法測定其納米級孔徑分布。分析結果表明：所研究碳酸鹽巖樣品中最可幾孔徑主要集中在中孔（20～35nm）范圍內，并求取了最可幾孔徑高斯概率分布函數，獲得了其孔隙度，這為碳酸鹽巖孔隙結構對油氣、水吸附機理的進一步研究提供新的研究手段。

【關鍵詞】碳酸鹽巖孔隙 液氮吸附 孔徑分布 潘二煤礦

以往對碳酸鹽巖孔徑分布的研究方法主要有壓汞、X射線衍射、掃描電子顯微鏡（SEM）等。其中，壓汞法不能全面體現多孔碳酸鹽巖孔徑分布特征[1]；SEM分析技術受到分辨率的限制[2]，難以定量化碳酸鹽巖孔隙分布。本文將碳酸鹽巖作為一種多孔材料，采用低溫液氮吸附法表征其比表面積和孔徑分布，為該類型巖石賦存油氣、水提供科學依據。

1 地質背景

潘二煤礦太原組厚度約為105m，假整合于奧陶系之上，與上覆的山西組為逐漸過渡。本組巖性組合主要由石灰巖、砂巖和粉砂質泥巖等組成，中夾炭質泥巖和少數薄煤層。本組石灰巖總厚約45.6m，占整個太原組厚度的43%左右，其主要巖性類型為泥晶生物碎屑灰巖，顆粒大小懸殊，以砂屑為主，充填基質多為泥晶，未見亮晶膠結物，含多樣生物種類[3]。

2 樣品采集與測試

本次分析8件碳酸鹽巖樣品采集自淮南煤田潘二煤礦晚石炭世太原組煤系地層內，由淺至深，樣品編號依次為L1-L8。采用低溫液氮吸附分析法定量表征上述樣品的孔隙分布。所使用儀器為美國Micromeritics儀器公司生產的ASAP-2010型比表面積及孔徑分布測定儀。通過對樣品吸附等溫線解算，獲得其比表面積和孔徑分布。

3 實驗結果分析

根據IUPAC（國際純粹化學與應用化學聯合會）的分類，氣體吸附等溫線可分為6類（徐如人等，2004），其中4種類型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ）適合石灰巖等多孔材料（見圖1）。

比表面積（BET）實驗結果表明：各樣品比表面積與氮氣吸附總量呈正相關，即L7樣品比表面積最大，氮氣吸附總量最多，L4樣品比表面積最小，氮氣吸附總量最低；樣品比表面積越大，氮氣吸附能力越強，孔隙結構越發達，即樣品具有孔隙中孔和大孔的多級孔徑結構。

孔徑分布（BJH）實驗結果表明：各樣品比表面與總孔容呈正相關關系；各樣品外表面積與平均孔隙半徑呈負相關關系；各樣品呈多孔級結構，主要孔級結構以中孔為主，微孔和大孔均有嵌入。最可幾孔半徑是樣品孔徑分布頻率最高區域所對應的孔半徑，是最能反映出樣品孔徑類型的指標。采用高斯概率分布函數對各樣品孔徑分布圖進行擬合，各曲線擬合程度均較好（Rmin=0.74，Rmax=0.98），進一步證明了各樣品孔隙結構以中孔為主。

基于上述研究，劃分了8個碳酸鹽巖樣品孔隙度（見圖2）。

由圖2可以直觀看出，在8個碳酸鹽巖樣品總孔隙中，中孔所占比例最高，微孔所占比例次之，大孔所占比例最少。其中，L4、L6和L7樣品總孔隙度較高，依次為15%、19%和16%，均達到中等孔隙水平，這對油氣、水的儲集和運移起到了積極作用。

4 主要結論

本文對潘二煤礦晚石炭世太原組8個碳酸鹽巖樣品進行了低溫液氮吸附測試分析，得到如下主要結論：

（1）各樣品比表面與總孔容呈正相關關系；各樣品外表面積與平均孔隙半徑呈負相關；各樣品呈多孔級結構，主要孔級結構以中孔為主，微孔和大孔均有嵌入；

（2）各樣品孔隙類型中中孔所占比例最高，微孔所占比例次之，大孔所占比例最少。

（3）本組內L4、L6和L7樣品總孔隙度較高，依次為15%、19%和16%均達到中等孔隙水平，這對油氣、水的儲集和運移起到了積極作用。

參考文獻：

[1]Karacan C O， Okandan E. Adsorption and gas transport in coal microstructure： Investigation and evaluation by quantitative X-ray CT imaging. Fuel，2001（80）：509-520.

[2]Mastalerz M， Drobniak A， Strapoc D， et al. Variations in pore characteristics in high volatile bituminous coals： Implications for coalbed gas content. Int J Coal Geol，2008（76）：205-216.

[3]蔡如華，方觀希，席與華.淮南上石炭統太原組的初步研究[J].淮南礦業學院學報，1983（2）：6-11.