煤层气是由煤层生成并主要以吸附状态储集于煤层孔隙中的非常规天然气，其主要成分为甲烷。我国煤层气资源储量丰富，根据前瞻产业研究院数据，截至2021年底，我国煤层气总储量约为36.8×10¹² m³，占世界总储量的14.21%，根据2022年中国矿产资源报告，我国煤层气总储量居世界第三。煤层是具有双重孔隙系统的多孔介质，煤的微观孔隙结构控制煤层甲烷的吸附、解吸、渗流和扩散的过程，并影响煤层甲烷的抽采效率^[1-4]。常用压汞法、气体（N₂和CO₂）吸附、核磁共振、扫描电镜、CT扫描等方式方法来研究煤层微观孔隙结构，不同的方法在表征煤孔隙结构方面有其优势也有其局限性。近年来，众多学者在表征煤层孔隙结构特征方面进行了大量研究，邵显华等^[5]、姚晋宝等^[6]采用压汞法分别对赵庄矿3号煤层和成庄井田3号不同煤体结构的煤样孔隙进行了研究；邵龙义等^[7]、孟召平等^[8]基于N₂吸附实验，对褐煤和不同煤体结构、变质程度的煤层吸附孔孔隙结构进行了分析，并讨论了不同孔径下吸附孔的吸附性能；王子萌等^[9]、谢松彬等^[10]利用核磁共振实验，分别对页岩和原生结构煤的孔隙结构特征及非均质性进行了研究；杨昌永等^[11]、邹俊鹏等^[12]、胥畅等^[13]运用扫描电镜照片，分别对煤和黑色页岩的微观孔隙形态、孔隙连通性、孔隙大小及孔隙充填状况等进行了系统研究。在联合表征微观孔隙结构方面，杨明等^[14]、李祥春等^[15]、刘怀谦等^[16]、雷海艳等^[17]均采用压汞、低温N₂及CO₂吸附、扫描电镜、CT扫描等方式，对煤层微观孔隙结构进行定量表征并讨论了其特征参数。综合分析上述结果可知，扫描电镜及CT扫描可直观清晰反映煤层内部孔隙结构，但在半定量及定量统计孔隙发育特征参数方面具有一定的局限性；压汞、气体吸附及核磁共振等流体侵入法可定量研究煤层孔隙结构特征，实现孔隙大小、分布及连通性的深入认识。不同的方法在表征孔隙结构时的侧重点不同，需要结合多种方法全面直观认识煤层孔隙结构。

为了进一步厘清鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤层孔隙结构特征，采用压汞、N₂吸附和CO₂吸附联合测试以及核磁共振和扫描电镜、X射线衍射等方法，分析煤层孔隙类型、大小、分布、均质性等特征以及煤层矿物组成，在此基础上，剖析通过不同实验手段所得孔隙分布的内在联系，实现煤层孔隙结构多参数、多尺度的表征，以期为该地区煤层气的开发提供一定指导。

鄂尔多斯盆地是典型的多旋回叠合形成的克拉通盆地，内部构造特征相对简单，地层平缓^[18]。晚三叠世的印支运动使盆地开始发育，基底平稳沉降，沉积了盆地中主要的生油岩和储集层；晚三叠世末期的晚印支运动导致盆地全面隆起，延长组顶部受到了不同程度的风化剥蚀，因此发育形成了高地和沟谷相互交织的波状丘陵地形，沟谷与丘陵纵横起伏、阶地叠置的古地貌景观；至侏罗纪，延长组顶部侵蚀结束，盆地再一次沉降，开始沉积侏罗系暖温湖沼河流相煤系地层。

神木地区位于鄂尔多斯盆地东北缘（图 1）。地层出露侏罗系延安组、直罗组、安定组及下白垩统洛河组^[19]。延安组研究层段埋深为130~250 m，埋藏浅，研究区延安组三、四段属三角洲和湖泊沉积体系，地层、煤层单元具有厚度稳定、产状近水平的特征。根据2009年神木地区煤炭产业调查报告，其煤层主要为中—高发热量的长焰煤以及中、低煤化度且无黏结性的烟煤。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 鄂尔多斯盆地神木地区构造位置（a）及侏罗系延安组岩性地层综合柱状图（b）（据文献[19]修改） Fig. 1 Tectonic location(a)and stratigraphic column of Jurassic Yan'an Formation(b)in Shenmu area, Ordos Basin

依据神木地区平面及纵向物性特征，选取了M6，M8，M10，M15等4块具有代表性的煤样。根据煤样基础物性（表 1），煤样的气测孔隙度为1.95%~13.22%，平均孔隙度为6.86%，气测渗透率为1.536~8.477 mD，平均渗透率为4.819 mD。研究区孔隙度与渗透率呈现良好的线性关系（图 2），相关系数达到0.976 7。对4块样品进行X射线衍射全岩分析，所得矿物组成（表 1）表明：方解石、石英、黄铁矿及非晶质是其主要矿物成分，4块样品的石英平均质量分数为2.9%；黄铁矿平均质量分数为4.2%，非晶质平均质量分数为15%；黏土矿物质量分数为18.5%~65.1%，平均为35.7%；M15煤样不含方解石，其铁白云石质量分数为4.5%，且黏土矿物含量相对较高。

表 1(Table 1)

表 1 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样基础物性和矿物组成 Table 1 Basic physical properties and mineral composition of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin 样品编号 深度/m 长度/cm 直径/cm 孔隙度/% 渗透率/mD w（石英）/% w（方解石）/% w（黄铁矿）/% w（非晶质）/% w（铁白云石）/% w（黏土矿物）/% M6 220 3.11 2.5 13.22 8.48 1.1 43.1 5.0 15 — 35.8 M8 230 4.13 2.5 9.31 6.05 3.8 51.6 6.2 15 — 23.4 M10 160 3.10 2.5 1.95 1.54 0.6 69.6 1.3 10 — 18.5 M15 240 2.97 2.5 2.95 3.22 6.2 — 4.2 20 4.5 65.1

下载CSV 表 1 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样基础物性和矿物组成 Table 1 Basic physical properties and mineral composition of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样孔渗关系 Fig. 2 Relationship between permeability and porosity of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

煤是一种多孔的物质，其微米级以下的孔隙十分发育，是煤层气得以吸附的主要空间。根据吸附等温线的滞后环类型，孔隙可以划分为圆柱形（A），狭缝形（B），锥形（C，D）以及墨水瓶形（E）等形状^[20-21]（图 3）。吸附曲线存在回滞环（图 4），说明其孔隙类型均为一端开放的孔，回滞环类型具有B型和E型回滞环的双重特征，因此孔隙以狭缝形和墨水瓶形为主，其中M6和M8煤样回滞环较大，表明其孔隙度较高；M10和M15煤样回滞环相对较小，说明孔隙度较低。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 滞后环的分类及其对应的孔隙形状（据文献[21]修改） Fig. 3 Hysteresis loops and their corresponding pore shapes

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样N2吸附曲线 Fig. 4 N2 adsorption curves of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

依据煤样扫描电镜（图 5）分析结果，4块煤样发育气孔，屑间孔，铸模孔等孔隙^[22]。其中M6煤样在放大2 000倍后观察到有较多屑间孔、气孔和少量铸模孔（图 5a，5b）。气孔有圆形、椭圆形和不规则形等，分布范围广，部分呈成群产出，且大小不一，连通性一般；屑间孔是指煤中镜质体、丝质体等各种碎屑颗粒之间的孔隙，无固定形态，连通性较好；铸模孔是一种矿物质孔，形态极为复杂，未被碎屑或矿物充填且无规则分布，屑间孔的大量发育和铸模孔的存在是该煤样具有较好物性的原因。M8煤样在放大6 000倍的镜下显示有明显不规则状的微裂隙和屑间孔，微裂隙的存在与之后核磁共振饱水样T₂谱的反应一致（图 5c，5d）。M10和M15煤样分别在放大5 000倍、2 000倍的镜下可见部分胞腔孔，胞腔孔为成煤植物本身所具有的结构，属原生孔，孔隙孤立存在，形态多呈次圆形，部分因受到破坏而变形，孔隙之间基本不连通。M10煤样还可见方解石矿物颗粒，故还发育部分屑间孔（图 5e，5f）；M15煤样胞腔孔被方解石充填（图 5g，5h）。综上所述，M6煤样含有非常多且大小不均的气孔及屑间孔，其物性最好，这在后续的核磁共振实验及其他实验结果中也有所反映。总体来看，扫描电镜分析结果与N₂吸附实验结果一致，4块煤样多以一端开放型的孔隙为主，其中气孔及屑间孔是N₂吸附的主要场所，也是煤层气富集的主要部位。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样孔隙特征 （a）气孔、屑间孔、铸模孔，M6煤样，S-1井，220 m，扫描电镜；（b）气孔、屑间孔、铸模孔，M6煤样，S-1井，220 m，AVIZO处理；（c）屑间孔、失水裂隙，M8煤样，S-1井，230 m，扫描电镜；（d）屑间孔，失水裂隙，M8煤样，S-1井，230 m，AVIZO处理；（e）胞腔孔，屑间孔，M10煤样，S-2井，160 m，扫描电镜；（f）胞腔孔，屑间孔，M10煤样，S-2井，160 m，AVIZO处理；（g）胞腔孔，M15煤样，S-3井，240 m，扫描电镜；（h）胞腔孔，M15煤样，S-3井，240 m，AVIZO处理。 Fig. 5 Pore characteristics of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

结合煤样N₂吸附曲线及镜下观察，该地区广泛发育一端开放的狭缝形及墨水瓶形的孔隙，表现为气孔、屑间孔、胞腔孔等，其中气孔及屑间孔是气体吸附的主要场所。不同煤样的孔隙发育程度、形态、连通性及充填情况均不相同。

根据煤样的N₂吸附曲线（图 4），在低相对压力阶段（0~0.1），4块煤样的吸附等温线均偏向于Y轴，说明煤样与N₂具有较强的作用力；在中相对压力阶段（0.1~0.8），吸附曲线缓慢上升；在高相对压力阶段（0.8~1.0），吸附曲线急剧上升，整体呈现下凹形态；相对压力约为1.0时未出现吸附饱和现象，N 2在煤样表面发生毛细凝聚现象，煤样中存在较大孔。当相对压力达到最大时，M8煤样的吸附量最大，M10煤样的吸附量最小；当相对压力为0.5时，脱附曲线出现急剧下降的拐点，根据Kelvin方程所计算的拐点对应的孔径约为3 nm，说明样品中孔径小于3 nm的孔均为一端开放型孔^[23]。

采用ISO 15901和IUPAC中DFT模型计算孔径分布、孔比表面积和总孔体积等参数^[24-25]。由图 6和表 2可知，4块煤样的孔径分布具有较高的相似性，孔径为3~10 nm的孔其孔容和孔比表面积均远大于其他孔径范围的孔容和孔比表面积，孔径分布以介孔和大孔为主，其中介孔所占的比例达70%，微孔量少，孔容以介孔贡献最大，说明介孔孔隙是吸附N₂的主要场所。将图 6孔径分布关系曲线进行积分后发现M8煤样的孔容与孔比表面积最大，M6煤样次之，M10煤样最小，而对比4块煤样的N₂吸附量，得出吸附量的大小关系与介孔分布一致，说明介孔的分布是影响煤样N₂吸附量的主要因素。应用BJH法计算样品孔径分布的结果显示，M6，M8，M10，M15等4块煤样的孔比表面积分别为22.453 m²/g，30.699 m²/g，6.261 m²/g，10.134 m²/g，平均为17.387 m²/g，平均吸附孔径为5.35 nm，平均脱附孔径为5.16 nm。由于煤样微观孔隙结构的复杂性，仅依靠N₂吸附研究孔径分布具有较大的不确定性。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样N2吸附法计算的孔容（a）、孔比表面积（b）与孔径的关系 Fig. 6 Relationships of pore size with pore volume(a)and pore specific surface area(b)calculated by N2 adsorption method for coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

表 2(Table 2)

表 2 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样N2吸附实验数据 Table 2 N2 adsorption experimental data of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin 样品编号 孔径比例/% v（吸附量）/（cm3·g-1） 总孔比表面积S/（m2·g-1） 阶段孔比表面积/（m2·g-1） 总孔容V/（cm3·g-1） 阶段孔容V/（cm3·g-1） 微孔 介孔 大孔 S0 S1 S2 V0 V1 V2 M6 7.10 71.40 21.40 19.041 22.453（100%） 3.350（15.0%） 18.983（84.50%） 0.120（0.50%） 0.028 74（100%） 0.001 55（5.40%） 0.023 91（83.20%） 0.003 27（11.40%） M8 7.30 70.70 22.00 27.791 30.699（100%） 4.228（13.8%） 26.317（85.7%） 0.153（0.50%） 0.038 23（100%） 0.001 99（5.20%） 0.032 14（84.10%） 0.004 10（10.70%） M10 7.30 70.70 22.00 6.086 6.261（100%） 0.873（13.90%） 5.346（85.40%） 0.042（0.70%） 0.008 37（100%） 0.000 41（4.90%） 0.006 82（81.40%） 0.001 14（13.70%） M15 7.30 70.70 22.00 10.819 10.134（100%） 1.348（13.30%） 8.705（85.90%） 0.081（0.80%） 0.015 08（100%） 0.002 11（14.00%） 0.012 34（81.80%） 0.000 63（4.20%） 注：S0为微孔的孔比表面积，S1为介孔的孔比表面积，S2为大孔的孔比表面积；V0为微孔的孔容，V1为介孔的孔容，V2为大孔的孔容；括号中数字为各类孔占孔比表面积或孔容的比例。

下载CSV 表 2 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样N2吸附实验数据 Table 2 N2 adsorption experimental data of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

由煤样CO₂吸附等温线（图 7）可以看出，M8煤样的吸附量最大，M6煤样次之，M10和M15煤样的吸附量基本相等。当相对压力小于0.005时，M6，M10，M15等3块煤样的吸附等温线形态虽稍有差别，但基本重合，且都呈略微上凸的形状，说明此时样品对CO₂的吸附能力基本一致。M6，M8，M10，M15煤样的最大吸附量分别为18.070 cm³/g，18.501 cm³/g，17.364 cm³/g，17.243 cm³/g，总孔比表面积分别为133.352 m²/g，137.54 m²/g，129.632 m²/g，128.141m²/g，总孔容分别为0.02256cm³/g，0.02334cm³/g，0.021 47 cm³/g，0.021 12 cm³/g。由上述数据可看出最大吸附量、孔比表面积、孔容三者之间具有良好的相关性。根据CO₂吸附法得到的煤样孔容、孔比表面积与孔径分布的关系（图 8），4块煤样的孔容、孔比表面积与孔径分布的关系均具有高度的相似性。其中，M6和M15的关系曲线形态几乎一致，但是孔径为0.50~0.55 nm和0.60~0.65 nm时，可以较为清晰地看到M6煤样的孔容和孔比表面积均大于M15；M10煤样孔容和孔比表面积在孔径为0.45 nm附近出现了峰值。因此，样品的总孔比表面积和总孔容主要集中在孔径为0.50~0.55 nm和0.80~0.85 nm，说明CO₂主要吸附在这2个孔径范围所对应的孔中。综上所述，孔容及孔比表面积随孔径的增加总体均呈现增大—减小—增大—减小的趋势，因此CO₂吸附量与孔径、孔容具有密切联系。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样CO2吸附等温线 Fig. 7 CO2 adsorption isotherm of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样CO2吸附实验计算的孔容（a）、孔比表面积（b）分别与孔径的关系 Fig. 8 Relationships of pore size with pore volume(a)and pore specific surface area(b)calculated by CO2 adsorption experiments for coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

运用AVIZO对煤样的扫描电镜图像进行处理分析（图 5），并计算了4块煤样的孔径大小、孔径均值、孔面积等相关参数^[26]。结果显示：M6，M8，M10，M15煤样的孔径分别为1.13~32.47 μm，1.13~ 49.55 μm，1.13~20.53 μm，1.00~63.00 μm，平均值分别为2.56 μm，2.61 μm，2.65 μm，4.78 μm，孔比表面积均值分别为10.02 μm²，13.45 μm²，9.64 μm²，7.80 μm²。由上述数据可知，M15煤样的孔径均值明显高于其他样品，但由于其孔隙被铁白云石充填，其渗透率并不高。通过扫描电镜分析的孔径下限为1 μm，孔隙多为一端开放型孔隙。样品中孔径均值皆大于2 μm，其中M15煤样的孔径均值最大，为更加精细全面地表征孔隙结构，需要借助其他实验方法。

根据已有的研究成果，实现核磁共振T₂弛豫时间谱与孔径的转换，需要计算样品的表面弛豫率^[27-29]。依据气体吸附实验中孔径的分类方法，计算绘制并得出煤样的核磁共振孔径分布特征图（图 9）。各煤样的T₂谱分布均具有典型的双峰及单峰式特征，不同峰值所对应的孔径代表不同的孔隙。4块煤样的孔径分布情况基本一致，均含有微孔、介孔、大孔，除M8煤样外，其余煤样均为双峰形，且最高峰均出现在介孔（孔径为2~50 nm），次峰出现在大孔范围内，说明煤样的介孔发育最好，与N₂吸附结果一致。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样在核磁共振下的孔径分布 Fig. 9 Pore size distribution under NMR of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, OrdosBasin

将低温N₂吸附和低温CO₂吸附联测数据进行处理分析，得出煤样孔容、孔比表面积分别与孔径的变化关系（图 10）、全孔径孔隙结构参数（表 3），再将核磁共振所得的孔径分布结果与吸附实验所得结果进行对比（图 11）。对比结果显示，在孔径小于2 nm的微孔阶段，核磁共振计算的孔径百分比要小于N₂与CO₂吸附联测计算的孔径百分比；在孔径大于50 nm的大孔阶段，核磁共振计算的孔径百分比要大于N₂与CO₂吸附联测的孔径百分比^[30-31]。N₂与CO₂吸附实验联测下的孔径为0.4~200.0 nm，而核磁共振下的孔径为0.1~100.0 μm。核磁共振检测的孔径下限小于N₂吸附实验，理应得出其在微孔阶段的比例较大，但是由于4块煤样的黏土矿物含量较高，核磁共振是在煤样饱水状态下进行的，饱水状态下煤样中的黏土矿物遇水以后膨胀堵塞了微孔，导致核磁共振所测得的T₂谱信号峰值偏低，因此通过核磁共振所算得的微孔比例小于N₂与CO₂吸附联合测试。核磁共振检测的孔径上限要大于N₂和CO₂吸附联合测试，因此造成核磁共振在孔径大于50 nm的大孔阶段比例大。总体来看，核磁共振所得主要孔径分布与N₂和CO₂吸附联测的结果一致，都表明该地区孔隙以孔径为2~50 nm的介孔为主。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样气体吸附下孔比表面积（a）、孔容（b）分别与孔径的变化关系 Fig. 10 Relationships of pore size with pore specific surface area(a)and pore volume(b)under gas adsorption for coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

表 3(Table 3)

表 3 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样全孔径孔隙结构参数 Table 3 Full aperture pore structure parameters of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin 样品编号 孔径比例/% 总孔比表面积S/（m2·g-1） 阶段比表面积/（m2·g-1） 总孔容V/（cm3·g-1） 阶段孔容/（cm3·g-1） 微孔 介孔 大孔 S0 S1 S2 V0 V1 V2 M6 33.59 59.38 7.03 685 5.401 592 8.746（86.48%） 899.429（13.12%） 27.226（0.40%） 2.883 1.847（64.07%） 1.033（35.82%） 0.003（0.11%） M8 32.65 56.90 10.45 611 4.675 5 914.114（96.72%） 132.668（2.17%） 67.783（1.11%） 3.546 1.859（52.43%） 1.682（47.46%） 0.005（0.11%） M10 31.45 59.99 8.56 592 1.084 5 657.096（95.55%） 239.804（4.05%） 23.684（0.40%） 2.039 1.738（85.23%） 0.300（14.72%） 0.001（0.05%） M15 34.13 58.73 7.14 590 1.199 5 572.502（94.43%） 324.566（5.50%） 4.131（0.07%） 2.113 1.717（81.27%） 0.394（18.63%） 0.002（0.10%） 注：S0为微孔的孔比表面积；S1为介孔的孔比表面积；S2为大孔的孔比表面积。V0为微孔的孔容；V1为介孔的孔容；V2为大孔的孔容。括号中数字为各类孔占孔比表面积或孔容的比例。

下载CSV 表 3 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样全孔径孔隙结构参数 Table 3 Full aperture pore structure parameters of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

图 11

Fig. 11

下载原图 图 11 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样核磁共振与气体吸附孔径分布对比 Fig. 11 Comparison of pore size distribution between NMR and gas adsorption for coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

根据核磁共振所测得的T₂谱分布图（图 12），4块煤样的T₂谱均存在2个峰，其中弛豫时间T₂在小于0.1 ms时对应微孔，T₂在0.1~2.5 ms时对应介孔，T₂在大于2.5 ms时对应大孔。M8煤样的弛豫谱图为单峰式，峰值出现在1 ms处，总体在0.1~10.0 ms，在10 ms处也存在较为明显的上升趋势，直至100 ms后仍然微弱上升，且不与X轴相交，说明该煤样孔隙连通性较好，存在明显的裂缝。其他3块煤样的T₂谱图均为双峰式，峰的弛豫时间均在0.1~ 10.0 ms和10~100 ms，其中M10和M15煤样的峰谷比较明显，表明介孔与大孔的连通性相对较差。M6煤样可以很明显地看到微孔、介孔、大孔两两之间的峰谷不明显，说明其孔隙连通性很好，渗透率大，且T₂谱图在弛豫时间大于100 ms时也有微弱的上升趋势，说明煤样也存在较为发育的裂缝。相比而言，由于100 ms后M6煤样孔隙度分量累计为0.004 4%，低于M8煤样的孔隙度分量累计0.004 9%，M6低于M8，说明M8煤样的裂缝较M6煤样发育。综上所述，M8煤样的连通性最好，束缚水饱和度最低；M10煤样的连通性最差。

图 12

Fig. 12

下载原图 图 12 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样的核磁共振T2谱分布 Fig. 12 NMR T2 spectrum distribution of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

依据上文所提到的气体吸附数据分析中孔隙大小的分类原则，将核磁共振所测得的结果进行分类，计算了孔径分布及相关参数^[32-33]（表 4），T_2c值为0.47~1.12 ms。M8煤样的T_2c值最大，其孔裂隙较为发育，可能是构造煤，这在T₂谱上也有所反映。M10与M6煤样的T_2c值非常接近，说明其孔裂隙发育程度相当。M15煤样的T_2c值最小，孔裂隙发育程度最低，因此孔连通性差。核磁共振残余孔隙度为1.17%~4.68%，平均值为2.88 %，有效孔隙度为0.74%~8.72%，平均值为4.00%，平均有效孔隙占比为51.49 %。有效孔隙度较高，这主要是因为煤样的介孔、大孔及裂缝较为发育。同时，从表 4也可以看出，有效孔隙度和总孔隙度之间呈正相关，并且有效孔隙度和固定碳含量呈正相关，但和灰分、挥发分含量呈负相关，所以有效孔隙度可以作为评价煤层的一个重要指标^[34-35]。

表 4(Table 4)

表 4 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样核磁共振实验数据 Table 4 NMR experimental data of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin 样品编号 孔径分布/% 孔隙度/% 核磁共振渗透率/mD T2c/ms T2c对应孔径/nm 束缚水饱和度/% 表面弛豫率/（10-8m·ms-1） 残余孔隙度/% 有效孔隙占比/% 微孔 介孔 大孔 M6 2.12 55.09 42.79 13.4 16.567 0.70 2.56 44.02 0.18 4.68 65.07 M8 1.84 58.31 39.85 9.28 3.702 1.12 2.49 34.94 0.11 4.09 55.93 M10 4.03 76.14 19.83 1.91 0.166 0.78 2.98 61.28 0.17 1.17 38.74 M15 3.65 89.28 7.06 2.92 1.744 0.47 2.98 53.80 0.31 1.57 46.23

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根据煤样压汞曲线及压汞实验所得数据（图 13，表 5），4块煤样的压汞-退汞曲线存在明显的“滞后环”，且形态差距明显，说明煤中孔隙存在较多的一端开放型孔（墨水瓶形及狭缝形）^[36]。4块煤样的退汞效率均较低，为0.84%~44.3%，且差异大，说明不同深度的样品，发育的孔喉尺寸不均匀。其中，M8煤样的退汞效率最高，孔喉连通性最好。M6，M8，M10，M15煤样的均值系数分别为6.10，10.95，1.86，5.51，平均为6.11，均值系数差异明显，说明不同深度煤层喉道发育程度不同；分选系数分别为2.56，2.31，4.50，5.38，平均为3.69，分选系数差异不大，孔喉分布较为均匀。由于M8煤样裂缝最为发育，其均值系数和退汞效率均明显大于其他样品，但分选系数较低，说明其孔喉发育程度较好，分布均匀，其所在深度煤层有利于煤层气的解吸扩散。M10煤样的退汞效率最低，为0.84%，说明通过扫描电镜观察得到的胞腔孔及屑间孔多为一端开放型孔，较大的分选系数及较低的均值系数说明了其孔喉不发育、尺寸分布不均匀，由此可见，M10煤样所在深度的煤层条件相对较差，不利于煤层气的吸附及解吸。

图 13

Fig. 13

下载原图 图 13 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样压汞曲线 Fig. 13 Mercury injection curves of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

表 5(Table 5)

表 5 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样压汞实验数据 Table 5 Experimental data of mercury injection in coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin 样品编号 孔隙度/% 均值系数 分选系数 中值压力/MPa 中值半径/μm 排驱压力/MPa 退汞效率/% 最大进汞饱和度/% 残余汞饱和度/% M6 11.310 6.10 2.56 0.15 4.97 0.04 9.41 76.01 68.86 M8 8.010 10.95 2.31 3.89 0.19 0.30 44.30 87.67 48.83 M10 1.370 1.86 4.50 — — 1.18 0.84 13.06 12.95 M15 2.559 5.51 5.38 — — 0.99 32.21 39.89 27.04

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根据孔喉分布特征及渗透率贡献能力（图 14），M6，M8，M10，M15煤样的主要孔喉半径分别为10.69 μm，0.74 μm，0.03 μm，0.26 μm。M6煤样的曲线呈现双峰式、偏细歪度，从M6煤样的孔喉半径分布曲线可以看出，孔喉半径在10 μm处分布频率最大，但是其渗透率贡献并不高，而第二峰值处的孔喉半径为17 μm，却是最大的渗透率贡献者，说明最高峰值处的孔喉频率最高，但孔喉的不连通导致其渗透率贡献不大；M8与M15煤样的孔喉半径分布频率与渗透率贡献具有一致性，分布多的孔喉渗透率贡献值也较高；M10煤样在0.4 μm处孔喉分布频率极低，但是其渗透率贡献较大，说明0.4 μm处的孔喉发育良好，总体上大孔喉分布少、连通好，小孔喉分布多、连通差，加之其较低的均值系数，总体上连通性较差，这与前文扫描电镜下M10煤样连通性较差一致。

图 14

Fig. 14

下载原图 图 14 鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤样孔喉分布特征（a）与渗透率贡献能力（b） Fig. 14 Pore throat distribution characteristics(a)and permeability contribution ability(b)of coal samples from Jurassic Yan'an Formation in Shenmu area, Ordos Basin

综上所述，4块煤样的连通性各有不同，差异明显，喉道发育程度及孔喉分布也各有不同。总体上看，M8煤样连通性最好，M10煤样连通性最差。此外，研究区不同深度煤层的孔隙结构差异显著，不同孔喉半径对渗透率的贡献不同，说明煤层具有较强的非均质性。

（1）鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤层孔隙结构复杂，煤岩组分接近，孔隙度为1.95%~13.22%，且差异大，这主要是由于不同深度孔隙填充状况不同，含有的矿物差别明显。孔隙类型单一，主要为气孔、屑间孔、铸模孔、胞腔孔，也存在少量微裂缝，其中气孔及屑间孔是煤层气吸附的主要场所。裂缝的存在改善了孔隙连通性，有利于煤层气解吸后的扩散。

（2）研究区侏罗系延安组煤层整体排驱压力较低，最大进汞饱和度差异较大，退汞效率较低，孔喉半径以微米级为主，煤层中孔隙多为狭缝形和墨水瓶形的纳米级一端开放型孔隙。煤层孔隙以介孔为主，微孔次之，大孔最少，微孔是孔比表面积及孔容的主要贡献者，其次是介孔和大孔。说明煤层气主要吸附在微孔。

（3）研究区侏罗系延安组煤样压汞所得平均均值系数为6.10，平均分选系数为3.69，孔喉分布频率差异大且一致性较差；不同深度煤层T₂谱分布图特征明显，T_2c值差异不大，说明可动流体主要分布于孔径大于2.5 nm的孔隙中，但是束缚水饱和度差异大，说明该地区孔隙结构复杂，非均质性强。不同深度煤层分布的主要孔喉半径不同、不同孔喉半径对渗透率贡献差别大，进一步说明了该区煤层具有较强的非均质性。