高压压汞法研究煤系泥页岩孔隙结构

卓琦斐++王星宇　贾文娟　曹胜明　耿朋飞　刘虎平　张明鹏

摘 要：利用高压压汞法测定了贵州省黔西地区煤系泥页岩的孔径及其分布、比表面积和孔体积，并由此分析煤系泥页岩的孔隙特征。研究表明，煤系泥页岩储层的孔隙度比较低，煤系泥页岩样品孔隙孔径分布广泛，从微孔到大孔都有，且孔隙以微孔和过渡孔为主，微孔和过渡孔提供了大部分孔体积。孔径为0～20 nm的孔隙对样品总孔体积贡献比较大，煤样的总表面积取决于微孔过渡孔的体积，尤其是孔径小于15 nm的孔起到了决定性作用，较高的微孔和过渡孔使页岩储层具有很高的吸附聚气能力。

关键词：煤系泥页岩；高压压汞法；孔隙结构；比表面积

中图分类号：P618.13 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.007

煤系泥页岩具有生烃、存烃的能力，但是，煤系页岩气的研究在国内刚刚起步。页岩气储层孔隙结构（孔径和孔径分布、比表面积、孔体积等参数）控制了储层对CH4、CO2等气体的吸附能力，对其研究在揭示页岩气原位吸附容量和CO2存储的地下封存容量具有重要意义。

相对气体吸附法、小角X射线散射等方法，压汞法测定具有理论模型简单、直观，测定孔径范围宽等特点。基于此，笔者以压汞实验为基础，测定并分析煤系泥页岩的孔隙结构，包括孔径及其分布、比表面积、孔体积及其之间的关系。

1 实验原理、实验样品和方法

实验采集贵州省黔西林华井田新鲜煤系泥页岩样品作为研究对象，采用高压压汞法测定煤样的孔隙结构参数，仪器为AutoPore IV 9500 全 自 动 压 汞 仪，最大压力3.3万磅（228 MPa），孔径测量范围 50 A～360 μm，进汞和退汞的体积精度小于0.1 μL。通过样品粉碎、过筛等前处理相关步骤，取适量的样品放入压汞仪中，压汞仪在一定范围内从小到大逐步施加压力。在此加压过程中，记录注入样品孔隙中汞的体积，从而得到注入汞体积与压力之间的关系曲线，通过分析该曲线可以计算出煤样孔隙率和表面积等数据。

2 样品分析结果

2.1 样品的密度分析

样品的密度分析结果如表1所示。

由表1可知，实验样品的孔隙度为3.85%，孔隙结构不发达，而孔隙的发育特征控制了储层对CH4、CO2等气体的吸附能力，所以，该煤系泥页岩样品相对其他发达孔隙结构的泥页岩样对气体的吸附性能比较差。

2.2 高压压汞孔径及其孔分布

煤系泥页岩孔隙结构复杂，孔径分布比较广泛，不仅有微米级别的裂缝，且发育纳米级孔隙。采用Xoaotb十进制孔隙分类标准，将孔径结构分为4类，即大孔（孔径>1 000 nm）、中孔（100 nm<孔径<1 000 nm）、过渡孔（10 nm<孔径<100 nm）和微孔（孔径<10 nm）。

煤系泥页岩的高压压汞法孔体积数据如表2所示。从实验结果中可以发现，页岩孔体积以微孔为主，约占52.15%，其次为过渡孔，约占40.49%，中孔和大孔所占的孔体积比例很小。这说明，煤系泥页岩储层微孔、过渡孔发育，中孔和大孔不发育。直径小于100 nm的微孔和过渡孔占总孔体积贡献高达95%以上，且尤以5～20 nm孔径范围内的孔隙最多。在煤系泥页岩中，这种孔隙结构不利于气体的渗流。要想提高气体在页岩中的渗流能力，可以采用压裂等改造措施。

2.3 样品孔体积分析

图2为注汞体积随着压力的变化曲线，从图中可以看出，注汞量随着压力的增加而增大，增加趋势也不相同，初期泥页岩样品孔隙比较多，注汞量增加比较快。煤系泥页岩样品孔隙越来越小，注汞的难度就越来越大，注汞量的增长趋势比初期有所减慢。当压力为59 950.29 Pa 时，注汞量达到最大值，这时的注汞体积即为煤系泥页岩样品的孔隙体积。

一样。在0～20 nm 的孔径区间内，注汞体积增长得比较快。这说明，孔径为0～20 nm的孔隙对样品总孔体积贡献的比较大。

2.4 样品孔表面积分析

图4为实验过程中煤系泥页岩样品孔径小于250 nm时的累计孔表面积随着孔径的变化曲线，表3为煤系泥页岩表面积的实验结果。

分析图4和表3可知，孔径大于15 nm的累计表面积占样品总表面积的10.1%，而孔径小于15 nm的累计表面积占样品总表面积的89.9%.这说明，当孔径大于15 nm时，煤系泥页岩的比表面积累加值增加缓慢；当孔径小于15 nm时，孔表面积急剧增加。样品中，孔径小于15 nm的部分对样品总表面积的贡献大。这表明，样品中微孔、过渡孔数量多。虽然微孔、过渡孔的体积没有中孔、大孔的大，但是，其比表面积明显比中孔、大孔大。因此，样品比表面积的大小取决于微孔、过渡孔体积的大小，与中孔、大孔的体积大小关系不明显。

3 结论

该煤系泥页岩样品孔隙度比较小，孔隙结构发育尚不发达。煤系泥页岩储层微孔、过渡孔发育，中孔和大孔不发育，且直径小于100 nm的微孔和过渡孔占总孔体积贡献95%以上。数量比较多的微孔和过渡孔有利于气体吸附。注汞量随着压力的增加而增大，但是，增加趋势不同，初期因泥页岩孔隙比较多增加得比较快。孔径在0～20 nm的孔隙对样品总孔体积贡献比较大。样品中，孔径小于15 nm的部分对样品总的表面积的贡献大，比表面积取决于微孔、过渡孔体积，与中孔、大孔的体积关系不明显。

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〔编辑：白洁〕