为什么要用sem测定活性炭孔结构

为什么要用sem测定活性炭孔结构

活性炭作为一种优良的物理、化学吸附剂，越来越受到人们的重视。随着活性炭用途的增加，活性炭的检测方法也越来越多。但不同的检测方法有可能会产生不同的性能指标。给活性炭行业之间的信息交流带来困难，同时也给活性炭的出口带来一定的损失。这就急迫需要活性炭专家及权威机械制定出一套比较完整、规范的活性炭检测方法，以使活性炭行业得到规范。 关键词：活性炭 性能指标 检测方法 1 前言 活性炭是利用木炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过过筛、活化、炭化、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达，比表面积大，吸附能力强的一类微晶质碳素材料。

(一)孔隙度和渗透率的关系

高孔隙度致密储层中存在大量连通性好的短孔隙吼道，其孔隙度和渗透率具有良好的相关性。由粉砂岩和颗粒极细的砂岩组成的浅部层状储层与页岩呈薄互层状展布(Rice和Shurr，1980)，浅部席状储层不适合做精确的岩心分析(所得出的结果与实际情况相差很大)。然而白垩可以做岩心分析。图5－3是美国丹佛盆地东部6口井的岩心孔隙度与渗透率交会图。这些数据显示随着孔隙度的降低渗透率也相应地降低。

图5－3美国丹福盆地东部6口井上白垩统白垩岩心孔隙度与渗透率关系图 (据Lockridge和Scholle，1978)

典型的低孔隙度储层中，孔隙大多是离散的，由多数宽度小于1μm的弯曲条带状或片状毛细管连接，连通性很差。图5－4是在近似剩余围岩压力下的孔隙度与渗透率交会图，对气体逸出进行了Klinkenberg校正。然而，尽管进行了校正，但由于测量的为干岩心，所以并未完全模拟出储层的实际情况。

(二)应力敏感性

低孔隙度储层最重要的特征之一是当施加在岩心上的应力增大时，渗透率会有很大的降低。在超压条件下，岩心渗透率会降低2～10倍渗透率越低，相应地降低也越大(Jones和Owens，1980)。当施加的应力为20.7～27.6MPa时，渗透率降低最大。

图5－5显示由应力引起的经Klinkenberg校正后所测得的渗透率值(Morrow et al.，1984)。在该试验中，逐渐加大对岩心施加的限制应力(加压)然后释放应力(卸压)，测量是否存在滞后效应。第一次加压之后，在低压力下，渗透率降低但是在高压力下(34.5MPa)，第一次和第二次加压时渗透率基本相近。

图5－4Piceance盆地南部上白垩统Mesaverde群砂岩孔隙度与渗透率的关系图 (据Kukal和Simons，1985)

图5－5渗透率与上覆压力关系图 (据Morrow et al.，1984)

图5－6A显示美国皮昂斯盆地内2174m深处上白垩统Mesaverde组储集岩的应力敏感性。这些岩心样品的原始最大埋深为3660m。为了对比，图5－6B显示同样采自皮昂斯盆地的常规Mesaverde组砂岩储层随着限制压力的增大，其渗透率只有轻微的减小。该岩心的深度为1371m，仅稍小于初始埋深。“第一次”加压实际上是第二次加压，因为该岩心处于地层压力状态。

图5－6围压对经Klinkenberg校正后的渗透率的影响图 (据Morrow et al.，1984)

Keighin和Sampath(1982)研究了致密储层中天然气的逸出(Klinkenberg的影响)。他们认为应力敏感性是由许多扁平的或裂缝状的孔隙闭合引起的，在存在上覆压力的实际储层条件下不会有毛细管的存在。研究者推断当岩心被采出时压力降低，由于岩石膨胀会产生许多这样的裂缝和微裂缝，但并非所有的裂缝和微裂缝都是由于这样的机制产生的。该推断最好的证据是Teufel(1983)所进行的应力研究，Teufel发表了致密岩心的膨胀实验数据，他研究的岩心是采出30h之后完全膨胀的岩心。Teufel推断变形恢复过程会产生微裂缝，这些裂缝排列成行且其走向与最大水平应力方向呈90°夹角(Teufel，1983)，而且处于原地压力的岩心具有近似一致或均匀的渗透率。

为了论证这些假设以及测量最大应力方向，对50MPa围压下的岩心和未加压的岩心测得了一系列声波速度数据。图5－7显示了这些方位的速度变化。最慢的速度出现于未加压岩心北偏东100°，是由岩心的最大膨胀引起的，该现象显示了岩心膨胀的最大方向，同时也是最大应力方向。可以看到，在所有的方向上声波速度都被削减了，因此岩心在所有的方向上都有扩张，但由于最大应力的释放，在该方向上扩张更大。

图5－7致密岩心未加压和50MPa围压下的方位超声波速图 (据Spencer，1989)

北偏东100°速度的降低是由最大应力释放方向上岩心膨胀引起的，岩心膨胀时会形成人工微裂缝

Brower和Morrow(1985)的井周声波扫描测井研究说明未加压岩心中存在许多片状孔隙，但是在34.5MPa的压力下，这些片状孔隙就会消失或者是由于孔隙太小，不会被声波扫描测井所辨识。Spencer(1985)注意到在扫描显微电镜(SEM)下可区分人工扩张微裂缝与天然裂缝，这是由于人工扩张裂缝的面互成镜像，而天然微裂缝或毛细管不具有该特征(图5－8)。SEM和薄片分析显示扩张裂缝通常发育于颗粒边界。总体来说人工裂缝(<1.0μm宽)比天然微裂缝要窄，尽管有些天然微裂缝可能小于<1.0μm(Morrow et al.，1984Soeder和Randolph，1984)。然而，观察到的大多数小于1.0μm的微裂缝都是人工的。

图5－8A为一个人工裂缝及其相应的外观，图5－8B为天然的扁平状或似带状毛细管和孔隙。初始压力(20.7～27.6MPa)可能封闭了大部分的扩张裂隙，减小了天然微裂缝的宽度。通常来讲，未加压致密砂岩的孔隙度平均为5%～10%，高于初始围压下的孔隙度。因此，具有9%原地孔隙度的致密砂岩岩心取出后可能会膨胀，故在常规实验分析中测得孔隙度可能为9.5%，增加的0.5%的孔隙度是由微裂缝与孔隙扩张所造成的。注意到在许多情况下围压比地层条件下的实际压力或者剩余压力高，这是由于在计算剩余压力时必须减去孔隙流体压力。应力敏感性之所以如此重要，是因为当储层压力降低时非常致密砂岩的渗流速率可能会降低(Vairogs et al.，1971)。

Morrow et al.(1984)对富含碳酸盐(11%～40%)的致密砂岩岩心进行了酸化试验研究。尽管只有一小部分碳酸盐岩被溶解，但是渗透率却明显加大了，而且压力敏感性也降低了。这项研究表明，对富碳酸盐砂岩的酸化处理后，如果能防止副产物的沉淀，则可提高井的产量。

图5－8致密砂岩岩心的扫描电镜显微照片 (据Spencer，1989)

(三)毛细管压力和气的相对渗透率

岩石的毛细管压力受孔隙吼道入口(和毛细管)大小以及孔隙大小分布的影响。测量致密岩石毛细管压力的方法有很多(Morrow et al.，1984):压汞实验、水蒸气和烃类气体吸附—解吸等值线及高速离心。在中等低润湿相饱和状态下，低孔隙度储层具有相对高到非常高的毛细管压力。在汞润湿相饱和度为50%和高速离心(水饱和)时，毛细管压力通常可能大于6.9MPa，说明岩石的孔隙吼道和毛细管非常小。在原地条件下，这种高毛细管压力会造成中等含水饱和度(Sw)，Sw通常为45%～75%。在致密储层和常规储层中，高的含水饱和度都会削弱或阻止气体的流动。

图5－9显示三块低孔隙度岩心在不同含水饱和度下的气相对渗透率，这些岩心采自怀俄明州绿河盆地。这些数据说明在含水饱和度为50%时，不同深度岩心的原始气渗透率会降低到原始干燥条件下渗透率的12%～21%。这些渗透率是在689kPa下测得的，压力贯穿岩心并且围岩压力不同。这些数据还显示由含水饱和度增大所引起的渗透率的降低与围岩压力无关。在较高的流体压力下，相对渗透率曲线会轻微地向右移动。可以看到，含水饱和度的任意增加都会明显降低气体的相对渗透率。

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