基于FE-SEM的微生物降解煤巖孔隙演化特征

鮑 園，安 超

(1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021)

據中國能源統計局2021年發布的天然氣發展報告顯示，中國天然氣對外進口量逐年攀升，2020年已達40%以上[1]，在能源供求關系日益緊張與“碳達峰、碳中和”雙碳目標的形勢下，給我國天然氣的開發帶來新的機遇和挑戰[2]。中國煤層氣資源儲量巨大，僅2 000 m以淺的煤層氣地質資源量就達36.81萬億m3[3-4]，是天然氣的重要補充。開發煤層氣不僅可以緩解我國天然氣的緊張局面，還可以減少煤礦瓦斯災害事故的發生。自SCOTT等[5]在San Juan盆地發現次生生物氣以來，次生生物氣受到世界各國學者的廣泛關注[6-8]，近年來，有關微生物降解煤巖生烴和儲層改造的研究成果也相繼被報道[9-11]，據此，有學者提出了微生物強化煤層氣產出(Microbial Enhanced Coalbed Methane，MECBM)[12]和煤層氣生物工程(Coalbed Gas Bioengineering，CGB)[13]等理念。PANDEY等[14]利用掃描電鏡研究了微生物降解前后的煤巖微觀孔裂隙發育特征，認為微生物降解作用會使煤體表面的微米孔變大，并出現新的孔隙及微裂縫。筆者[15]基于低溫氮氣吸附和FHH分形維數研究發現微生物降解作用對煤巖微米級孔隙改善作用明顯，而對納米級孔隙改造作用較小。王超勇等[16]利用低溫氮氣吸附和高壓壓汞注入等手段研究了煤系有機巖微生物改造特征，認為微生物降解后煤巖微米孔孔容增加，微納孔和納米孔孔容減小，孔隙比表面積降低，平均孔隙直徑增大。這些結論只是儲層孔隙對比前后變化的結果，缺乏煤有機質降解和微觀孔隙結構改造的直接證據。由于煤儲層是一種由裂隙-孔隙組成的雙重孔隙介質[17]，內部孔隙結構非常復雜，嚴重制約微生物的活動空間和煤層氣的運移與富集，因此，研究煤儲層內部孔裂隙結構發育特征對認識煤層氣的富集、微生物的活性及煤層氣的開發等均具有重要意義。

近年來由于微觀成像技術的快速發展，對煤基質表面形態特征研究也進入到微、納米尺度[18]，掃描電鏡因其可以直接觀測煤基質表面的微觀形貌，在孔隙結構變化研究方面相較光學顯微鏡具有更為明顯的優勢。國內外學者借助掃描電鏡對煤有機顯微組分、煤中礦物質成分、孔裂隙發育特征以及煤體結構等均做了大量研究工作[19-21]。任有中等[22]對煤粉進行掃描電鏡觀察分析，發現孔洞結構的分形特征明顯；文虎等[23]利用掃描電鏡下的分形維數定量描述了煤體裂隙的發育程度。但前人應用掃描電鏡分析主要集中在各種材料的定性表征方面，對于定量分析研究甚少[24]。隨著分形理論的不斷發展，有學者將分形理論與掃描電鏡圖片結合用于分析多孔材料表面的不規則性[25]，如余志龍等[26]計算了混凝土的分形維數，為混凝土材料的微觀孔隙結構與宏觀性能之間的關系提供思路；郝凱越等[27]研究了活性污泥中，盒維數與不同水力停留時間和紫外線照射的關系。基于SEM圖像運用分形維數理論在研究材料性質方面應用較多[28]，但是在煤孔隙結構表征及微生物降解作用方面鮮見報道。

針對上述問題，筆者以鄂爾多斯盆地南部黃陵礦區侏羅系延安組煤層為研究對象，通過30 d的微生物降解煤模擬實驗，借助場發射掃描電鏡技術定性觀察煤巖表面孔隙變化，并將盒維數分形理論引入煤孔隙的定量化表征，定量評價生物氣化過程中煤巖表面微觀孔隙結構的改造特征，研究成果可為煤層氣生物工程的現場應用提供理論依據。

1 樣品與實驗方法

1.1 樣品采集與制備

樣品采自黃隴侏羅紀煤田黃陵礦區二號煤礦侏羅系井下采掘工作面，煤巖鏡質體最大反射率Ro,max為0.68%，屬中-低階煤，鏡質組質量分數為63%，殼質組質量分數為36%，惰質組質量分數小于1%。鏡質組以基質鏡質體為主，其次含有均質鏡質體以及少量結構鏡質體。惰質組以半絲質體為主，殼質組為少量小孢子體，有機碳質量分數大于98%。

在采集的煤樣中，挑選合適形狀和大小的煤塊，在實驗室制成0.25 cm3的小塊，因表征原煤的孔隙變化，故選取較為平整的天然層理面作為觀測面，并將底面磨平。使用50 mL的厭氧培養瓶作為反應容器，加入30 mL培養基和10 mL微生物菌群富集液，培養基配方見文獻[29]，微生物菌群富集液為鄰近礦區新揭露的煤層本源菌富集而來。為避免煤中細菌的影響，實驗前煤樣在紫光燈下照射30 min，厭氧培養瓶與培養基在高溫滅菌鍋中121 ℃條件下中滅菌20 min。為保證實驗過程中的厭氧環境，接種實驗在厭氧手套箱中進行，密封后取出并置于35 ℃的恒溫培養箱中，持續培養30 d。

1.2 實驗與測試方法

測試采用日本電子株式會社生產的JSM-7610F型場發射掃描電子顯微鏡，其放大倍數可達到25萬～100萬倍，同時采用半浸沒式物鏡和高性能電子光學系統，提供穩定的高空間分辨率觀察和分析。用導電膠將樣品固定在樣品臺上，并在樣品周圍覆蓋導電膠，增加其導電性。將樣品放入樣品倉，抽真空至0.5 MPa，樣品高度在6～10 mm，選擇不同放大倍數，在掃描電鏡下對原始煤樣進行觀察，并記錄觀察位置，待微生物厭氧發酵實驗結束后再次觀察，并尋找原位，以表征原位條件下的孔隙結構變化。在以往多數研究中，對于掃描電鏡往往是挑選特征點進行觀察拍攝，對于表征實驗前后變化的樣品具有很大的隨機性，筆者通過掃描電鏡的坐標功能，實現了原位的定位和尋找，避免了這一隨機性帶來的誤差。由于原煤樣品需經微生物降解處理，故鏡下觀察煤樣未做噴金處理。

2 煤巖微觀孔隙結構演化特征

2.1 煤巖微觀孔隙發育特征

煤體裂隙將煤分為若干煤基質塊，煤基質中又有多種不同成因類型的孔隙，從掃描電鏡照片來看，黃陵礦區煤樣的孔隙比較發育，根據張慧的分類方法[30]，主要有氣孔、碎粒孔、角礫孔、摩擦孔等。氣孔屬于后生孔隙，是煤在變質過程中由生氣、聚氣和氣體逸散后留下的孔，如圖1(a)所示，該礦區煤樣氣孔呈圓形，邊緣光滑，輪廓清晰，未見氣孔成群發育，主要是以零散的形式分布在煤體表面。碎粒孔、摩擦孔、角礫孔均屬于外生孔隙，其中碎粒孔是煤在受到構造破壞而形成碎粒之間的孔隙，如圖1(a)所示，黃陵礦區原煤中的碎粒結構比較常見，可見大量的碎粒狀有機質附著在煤體表面以及裂隙中，碎粒孔的形狀一般不規則，大小為0.1～1.0 μm。摩擦孔是在壓力作用下，面與面之間摩擦而形成的孔，從圖1(a)可以看出，黃陵礦區煤樣的摩擦孔主要為鋸齒狀以及溝槽狀，具有一定的方向性，大小為100 nm左右。角礫孔是地質構造形成的角礫之間的孔隙，圖1(b)顯示了角礫的形態，呈直邊尖角狀，角礫孔大小為1～2 μm，連通性較好，角礫孔的發育對滲透率有提高作用。

圖1 黃陵礦區原煤孔裂隙發育類型Fig.1 Types of raw coal’s pore and fissure in theHuangling mining area

除孔隙外，煤中裂隙也比較常見，主要以外生裂隙為主，圖1(c),(d)為黃陵礦區煤樣的裂隙掃描電鏡照片，其中圖1(c)為張性裂隙，呈直線狀，裂隙寬度約為2 μm，裂隙表面不平整，內部可見碎屑填充物，寬度約為1 μm，煤基質表面附著大量有機質碎屑；圖1(d)為松弛裂隙，是煤受外力擠壓緊密結合，后因壓力釋放松弛而產生的裂隙。裂面不平，呈鋸齒狀，寬度變化較大，從10～500 nm不等，受應力釋放影響，沿裂隙面發育有大量角礫，并形成角礫孔，局部連通性較好，這有利于提高煤層氣的儲層滲透率。從圖1(d)還可看出有少量氣孔，結合上述孔隙發育情況，未見氣孔成群發育，說明該區在變質過程中煤層生氣能力較弱。

2.2 微生物降解煤巖微觀孔隙演化特征

為探究生物降解作用對煤巖表面形貌的改變，借助掃描電鏡對微生物降解前后煤巖孔、裂隙原位特征進行觀察，圖2(a)為原煤在22 000倍的放大倍數下掃描電鏡照片，鏡頭高度為6.1 mm，可見原煤發育一條貫穿的剪性裂隙，以及鑄模孔和角礫孔。圖2(b)為微生物降解后的煤巖原位掃描電鏡照片，圖片下方的角礫孔的形狀發生變化，由原來的尖角狀變成圓弧狀，說明微生物降解作用會使煤樣孔隙形狀產生變化，這是微生物對孔隙形狀改造效果比較直觀的反映。圖2(b)所標記的裂隙表面似乎被堵塞，有一段長約1 μm、寬約0.3 μm的印痕，而鏡下觀察到的微生物直徑約為0.5 μm，綜合印痕寬度分析認為，這可能是微生物的活動痕跡，這也是微生物在煤體表面活動的直接證據。在微生物痕跡附近還可觀察到碎屑有機質變得疏松多孔，這是微生物代謝過程中降解煤中有機質的結果。

圖2 煤中微觀孔裂隙被微生物改造效果對比Fig.2 Comparison of micro-pores andfissures in coal before and after biodegradation

微生物降解作用不但會改變煤孔隙的形態，對孔容的改變也是明顯的，如圖3(a)顯示的屑間孔在微生物降解前的寬度約為56 nm，經微生物降解后，寬度擴大到83 nm，增幅約為50%(圖3(b))，這說明微生物降解對納米孔具有顯著的增孔作用[31]。除了孔隙的變化，有機質碎屑的形狀也發生了明顯變化，從圖3(b)可以看出，碎屑長度由210 nm變為164 nm，寬度由50 nm縮小為28 nm，煤表面的碎屑突起整體變小，說明微生物能夠有效降解有機質碎屑，這也是煤儲層納米結構被改造的重要原因。

圖3 煤中納米孔隙被微生物改造效果對比Fig.3 Variation comparison of nanoporesbefore and after biodegradation

由于煤基質的非均質性和微生物選擇的隨機性，因此會有一些位置未受微生物作用影響，相當于煤在培養基中浸泡。前人對培養基浸泡煤的孔隙結構變化未作研究，僅是對水浸泡作用下煤孔隙結構特征做了少量研究，認為水的浸泡會使煤基質以及黏土礦物發生膨脹，從而減小孔隙體積[32]，本文通過掃描電鏡照片證實了這一觀點，認為培養基與水的浸泡作用是類似的。圖4(a)為原煤的黏土礦物照片，圖4(b)為浸泡后的原位照片，可見黏土礦物在培養基的浸泡作用下發生輕微膨脹，原煤中黏土礦物寬度為150 nm，經浸泡后膨脹到196 nm，增幅約30%，因黏土礦物的膨脹作用導致其周邊的孔隙發生閉合(圖4(b))，說明培養基的浸泡對煤中納米孔有縮小作用。同理，培養基的浸泡作用對煤中裂隙結構同樣也具有收縮效應(圖2)。

圖4 煤中納米孔隙被培養浸泡前后效果Fig.4 Comparison of nano-pores in coal before andafter being soaked in culture medium

圖5(a)為煤中的松弛裂隙，彎曲狀，寬度約為200 nm，裂隙多處被碎屑填充，甚至處于閉合狀態，表面可見大量鋸齒狀摩擦孔，應受過擠壓作用。生物降解后可觀察到氣孔變大，微裂隙寬度變大(圖5(b))，原本閉合的裂隙擴大為91 nm，沿裂隙邊緣以及內部有大量充填物，經生物降解作用后逐漸消失，裂隙表面變得平整，裂隙邊緣和煤表面附著的有機質碎屑形狀也發生改變。從整體來看，孔隙結構變得簡單，煤體表面的粗糙程度降低。

圖5 煤中裂隙及基質表面被微生物改造效果對比Fig.5 Variation comparison of fissures and coal matrixsurface before and after biodegradation

綜上，培養基的浸泡作用會煤中使納米級碎屑發生膨脹，體積明顯變大，周圍的屑間孔因煤巖碎屑的膨脹而縮小，煤體結構裂隙會因培養基的浸泡而縮小甚至閉合。而微生物作用會降解煤中碎屑有機質，使碎屑的形狀發生變化，體積變小，周圍的孔隙變大。培養基的浸泡作用和微生物的降解作用幾乎是相反的，因此在孔隙變化過程中，可以認為2者之間存在對立關系，而由于培養基的作用基本是恒定的，這意味著煤儲層的變化主要受控于微生物降解作用的強弱。當微生物降解作用較強時，煤巖碎屑有機質被降解，體積變小，周圍孔隙相應增大；而當微生物降解作用較小甚至沒有微生物作用時，煤巖碎屑在培養基的浸泡作用下發生膨脹，導致孔、裂隙縮小甚至閉合。此外，前人研究結果也發現經微生物降解后的煤孔隙中，納米級(孔徑小于1 000 nm)孔隙的孔容會減小，而孔隙度、孔隙直徑和微米級孔隙(孔徑大于1 μm)的孔容是增加的，BET比表面積會降低[15]，這意味著煤的孔隙由納米孔向微米孔轉變，微生物具有擴孔效應。

3 分形維數演化規律

3.1 計算方法

分形維數在表征固體表面的不規則性及其復雜程度已經得到了廣泛應用，根據測量方法的不同，分為豪斯道夫維數、盒維數、容量維、信息維、關聯維等[33]。盒維數法(box-counting)是Gangepain在1986年提出[34]，對于一個M×M的平面圖形而言，將其分為R×R大小的網格，對每個R×R的盒子數求和，當改變R時，即可求出一組N，應用線性擬合，所得直線斜率就是分形維數D。由于可通過編程實現分形維數的計算，應用較為廣泛。圖6顯示了使用盒維數法計算分形維數的基本過程。從圖6(a)～(d)，盒子尺寸逐漸減小，覆蓋孔隙的盒子數量也逐漸增加。

根據分形維數原理，挑選合適的掃描電鏡照片(圖6)，使用Adobe Photoshop軟件對照片進行灰度處理，并選擇合適的閾值將其二值化，使孔隙從煤基質中分離出來，在二值化后的圖形中，黑色為孔隙，白色為煤基質，再使用Matlab軟件和Fraclab插件，采用盒維數法計算分形維數，選用邊長為δ的盒子覆蓋孔隙表面，并統計完全覆蓋二進制照片所需要的網格數N(δ)，盒子的邊長δ根據照片大小自動選擇，最大尺寸為1/2，最小為1/1 024，共采集10個數據點，根據式(1)，以lnδ為橫坐標、lnN(δ)為縱坐標在對數坐標系下繪制散點圖，再采用最小二乘法擬合直線，如圖7所示，斜率即為該樣品的分形維數。

(1)

式中，D為分形維數；δ為盒子的邊長；N(δ)為覆蓋二進制照片所需的網格數量。

圖6 基于盒維數法計算煤中孔隙分形維數流程Fig.6 Calculation process of coal pores’fractal dimensionbased on box dimension method

圖7 微生物降解前后煤孔隙結構分形維數擬合結果Fig.7 Fitting result of fractal dimension of coal pore structure before and after biodegradation

3.2 計算結果

根據上述方法，對8張掃描電鏡照片進行分形維數計算處理，見表1。煤樣的分形維數均在1.860 7～1.900 9，盒維數法對煤樣表面的分形維數擬合程度均在0.997以上，說明微生物降解前后的煤孔隙表面形貌均具有較好的分形特征。

表1 微生物降解前后煤的孔隙分形維數變化

從表1可見，微生物降解后的煤孔隙結構分形維數均減小，變化程度在0.000 9～0.050 0，可見微生物作用對煤孔隙分形維數的影響是一致的，且不同孔隙類型的變化程度差異較大。

3.3 演化規律

分形理論可以定量表征多孔物質表面的不規則性，根據分形原理，煤樣表面的分形維數越大，其表面的孔隙越復雜，分形維數越小，煤顆粒表面越光滑，孔隙結構越簡單。通過擬合計算發現，微生物降解后，煤的分形維數均有不同程度的減小，這說明微生物降解作用后，煤巖表面孔隙結構變得更加規律，更加簡單。根據圖8分形維數與改變量的相關關系可知，原始的分形維數與其改變量呈正相關關系，表明孔隙越復雜，微生物降解的效果越好。分形維數減小的原因主要有以下幾點：① 微生物作用后煤基質顆粒表面的納米級孔隙增多，分布更加均勻，造成分形維數降低。由于孔隙直徑與分形維數一般呈反比關系[35]，因此納米級孔隙的變化對分形維數的影響是非常重要的。② 擴孔作用，通過二值化的掃描電鏡照片發現，一些較大的孔隙會和周圍的小孔以及封閉孔相連通，使孔隙擴大。③ 孔隙形狀改變，碎屑有機質被微生物降解，孔隙形狀發生明顯變化，這會導致孔隙直徑變大，形狀更加規則。④ 煤中有機質碎屑被微生物降解后變得松散，形成大量分布均勻的屑間孔。雖然屑間孔在原生煤中出現較少，但在微生物作用下，有機質被不斷降解，屑間孔逐漸增多，成為煤生物氣化過程中不可忽視的煤儲層生物改造特征。

圖8 微生物降解后煤孔隙結構分形維數及其改變量之間關系Fig.8 Relationship between fractal dimension of coalpore structure and its variation after biodegradation

4 結 論

(1)鄂爾多斯盆地南部黃陵礦區延安組煤樣的孔裂隙較為發育，孔隙主要有后生孔和外生孔，后生孔以零星分布的氣孔為代表，外生孔隙發育有碎粒孔、角礫孔、摩擦孔。裂隙主要發育有張性裂隙和松弛裂隙，張性裂隙呈直線狀，寬度約為1 μm。松弛裂隙裂面不平，呈鋸齒狀，寬度為10～500 nm，沿裂隙面發育有大量角礫，并形成角礫孔，局部連通性較好。

(2)微生物降解作用對煤巖孔隙具有較強的改造效果，孔隙改造主要表現為增孔和擴孔，增孔是指微生物作用下，煤體表面納米級孔隙增多，且煤巖有機質變得松散，出現大量屑間孔；擴孔是指原有孔隙與封閉孔相連通，使孔容增加，連通性增強，且原生孔隙結構越發育，微生物改造孔的效果越強烈。

(3)微生物降解前后的煤巖微觀孔隙均具有良好的分形特征，微生物降解后，煤基質表面的分形維數降低，不同類型孔隙變化差異顯著，煤體表面的孔隙結構變得簡單，沿裂隙表面分布的有機質減少甚至消失，裂隙面變得光滑、平整。