脆性变形序列构造煤纳米孔隙和粗糙度的原子力显微镜研究

张宁远，姚素平

(南京大学 地球科学与工程学院 表生地球化学教育部重点实验室，江苏 南京 210023)

煤是一种对温度和应力非常敏感的特殊有机岩石[1]。在构造应力作用下，煤层被挤压、揉皱、破碎，煤体的原生结构遭到破坏，这种煤被称为构造煤[2]。在后期构造改造过程中，煤的微观孔隙结构特征会发生很大的改变，使得其力学强度、孔渗性、吸附−解吸等物性特征也发生了强烈的变化[1,3-4]。构造煤与煤层气勘探开发、煤与瓦斯突出等皆有着密切的关系。研究表明，绝大多数的煤与瓦斯突出事故都与构造煤发育有关[5-7]。同时，构造煤对煤层气开发也有许多负面影响，如排采过程中会产出大量煤粉导致卡钻、渗透性差导致煤层气产气效率低等，严重制约了煤层气生产[5-6]。因此，构造煤孔隙结构研究对改善煤矿安全生产条件、提高煤层气开采效率等方面具有重要意义[1,4-5,7-9]。

目前，煤的孔隙结构表征方法众多。常见的方法包括基于图像分析的扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、微米−纳米CT 以及原子力显微镜(AFM)等；流体注入法如高压压汞(HPMI)和低温气体吸附(LPN2GA、LPCO2GA)等；以及小角散射(SAXS/SANS)等。近年来，AFM 因其无损、分辨率高、可获得样品表面三维形貌等优势，愈来愈多地被应用在非常规油气储层(煤、页岩等)领域中[3,10-15]。但前人的AFM 研究主要是针对不同变质程度煤，而对不同类型构造煤的孔隙结构特征和粗糙度鲜有涉及。笔者将AFM 应用于脆性变形序列构造煤研究，对不同脆性变形构造煤的表面形貌进行观察，并借助离线软件对其孔隙结构进行定量分析，探讨构造煤纳米孔隙和粗糙度特征，为煤层气勘探开发和煤与瓦斯突出防治提供科学依据。……