苗林
【摘 要】本文将潘二煤矿晚石炭世太原组碳酸盐岩作为一种多孔材料，利用低温液氮吸附法测定其纳米级孔径分布。分析结果表明：所研究碳酸盐岩样品中最可几孔径主要集中在中孔（20～35nm）范围内，并求取了最可几孔径高斯概率分布函数，获得了其孔隙度，这为碳酸盐岩孔隙结构对油气、水吸附机理的进一步研究提供新的研究手段。
【关键词】碳酸盐岩孔隙 液氮吸附 孔径分布 潘二煤矿
以往对碳酸盐岩孔径分布的研究方法主要有压汞、X射线衍射、扫描电子显微镜（SEM）等。其中，压汞法不能全面体现多孔碳酸盐岩孔径分布特征[1]；SEM分析技术受到分辨率的限制[2]，难以定量化碳酸盐岩孔隙分布。本文将碳酸盐岩作为一种多孔材料，采用低温液氮吸附法表征其比表面积和孔径分布，为该类型岩石赋存油气、水提供科学依据。
1 地质背景
潘二煤矿太原组厚度约为105m，假整合于奥陶系之上，与上覆的山西组为逐渐过渡。本组岩性组合主要由石灰岩、砂岩和粉砂质泥岩等组成，中夹炭质泥岩和少数薄煤层。本组石灰岩总厚约45.6m，占整个太原组厚度的43%左右，其主要岩性类型为泥晶生物碎屑灰岩，颗粒大小悬殊，以砂屑为主，充填基质多为泥晶，未见亮晶胶结物，含多样生物种类[3]。
2 样品采集与测试
本次分析8件碳酸盐岩样品采集自淮南煤田潘二煤矿晚石炭世太原组煤系地层内，由浅至深，样品编号依次为L1-L8。采用低温液氮吸附分析法定量表征上述样品的孔隙分布。所使用仪器为美国Micromeritics仪器公司生产的ASAP-2010型比表面积及孔径分布测定仪。通过对样品吸附等温线解算，获得其比表面积和孔径分布。
3 实验结果分析
根据IUPAC（国际纯粹化学与应用化学联合会）的分类，气体吸附等温线可分为6类（徐如人等，2004），其中4种类型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ）适合石灰岩等多孔材料（见图1）。
比表面积（BET）实验结果表明：各样品比表面积与氮气吸附总量呈正相关，即L7样品比表面积最大，氮气吸附总量最多，L4样品比表面积最小，氮气吸附总量最低；样品比表面积越大，氮气吸附能力越强，孔隙结构越发达，即样品具有孔隙中孔和大孔的多级孔径结构。
孔径分布（BJH）实验结果表明：各样品比表面与总孔容呈正相关关系；各样品外表面积与平均孔隙半径呈负相关关系；各样品呈多孔级结构，主要孔级结构以中孔为主，微孔和大孔均有嵌入。最可几孔半径是样品孔径分布频率最高区域所对应的孔半径，是最能反映出样品孔径类型的指标。采用高斯概率分布函数对各样品孔径分布图进行拟合，各曲线拟合程度均较好（Rmin=0.74，Rmax=0.98），进一步证明了各样品孔隙结构以中孔为主。
基于上述研究，划分了8个碳酸盐岩样品孔隙度（见图2）。
由图2可以直观看出，在8个碳酸盐岩样品总孔隙中，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样品总孔隙度较高，依次为15%、19%和16%，均达到中等孔隙水平，这对油气、水的储集和运移起到了积极作用。
4 主要结论
本文对潘二煤矿晚石炭世太原组8个碳酸盐岩样品进行了低温液氮吸附测试分析，得到如下主要结论：
（1）各样品比表面与总孔容呈正相关关系；各样品外表面积与平均孔隙半径呈负相关；各样品呈多孔级结构，主要孔级结构以中孔为主，微孔和大孔均有嵌入；
（2）各样品孔隙类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）本组内L4、L6和L7样品总孔隙度较高，依次为15%、19%和16%均达到中等孔隙水平，这对油气、水的储集和运移起到了积极作用。
参考文献：
[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]蔡如华，方观希，席与华.淮南上石炭统太原组的初步研究[J].淮南矿业学院学报，1983（2）：6-11.
