原子力显微镜(ＡＦＭ)应用于研究储层的孔隙特征和力学性质

煤作为复杂多孔的有机岩石，孔隙和裂隙结构极为复杂，且矿物成分多种多样，进而造成其力学性质在宏观上具有显著的各向异性，在微观上表现出强烈的非均质性。煤岩的微观力学特征与其宏观力学特征密切相关，微观力学性质的定量化表征为分析微观与宏观力学性质之间的关系，以及为深入研究压裂过程中裂缝的扩展与演化提供了帮助。传统的力学试验测试对试样的尺寸和完整性都有较高的要求，且试验周期长，测试价格昂贵，岩心加载破坏后无法进行其他力学参数测试，因此需要寻求一种简单且可靠的力学参数测试方法。

近年来，纳米力学测试技术在表面工程力学性质测试领域发展迅速。由于具有操作简便、对样品损害小、分辨率高等优势，该方法也被广泛应用于测量岩石的硬度、弹性模量等力学试验中。在纳米力学测试技术中原子力显微镜(ＡＦＭ)扮演着重要的角色，它不仅能测量样品的表面形貌，而且能反映杨氏模量和黏附力等力学性能，因此被用来广泛研究储层的孔隙特征和力学性质。
ＹＡＯ等利用ＡＦＭ测量了不同变质程度煤的表面性质，得到了不同变质程度下煤的孔隙特征，并观察到了煤的大分子结构。ＰＡＮ等观察到不同变质程度下煤岩表面粗糙度的变化。ＬＩ等利用ＡＦＭ测量了页岩中有机质的杨氏模量，并得出表面形貌对杨氏模量的影响。ＬＩＵ等利用该方法得到了煤和页岩的表面粗糙度及孔径分布特征，并利用低温液氮吸附试验得到的孔径分布曲线和ＡＦＭ测试结果对比，发现２条分布曲线具有相似的变化趋势。但当前通过该方法测量煤岩的力学性质的研究相对较少，对煤岩的微观力学性质认识不足。因此笔者利用ＡＦＭ进行煤岩表面力学性质的研究，旨在探明微观尺度下煤岩的力学参数及其影响因素。研究煤岩的微观力学性质尤其是杨氏模量对煤储层开发过程中钻完井工程，井壁稳定和压裂改造设计有重要的指导作用。

１)原子力显微镜基于测量探针与煤岩表面间范德华力所得到的力距离曲线，进而能够计算出微观尺度下煤岩表面的形貌、杨氏模量、黏附力和形变量等参数。２)对杨氏模量与黏附力等力学参数的分析，发现微观尺度下煤岩的力学参数测试结果具有一定的波动性，其中黏附力的离散度最高，杨氏模量的离散程度较低，造成该现象的主要原因是煤岩本身的非均质性。３)通过对杨氏模量数据的分析表明，黏土矿物的杨氏模量要大于煤岩基质的杨氏模量，且由于没有宏观裂缝的影响，原子力显微镜测试结果要大于传统力学试验的测试结果。４)通过分析杨氏模量和黏附力测量值的影响因素，发现单次试验扫描面积对结果影响较小，粗糙度会影响探针与煤表面的接触面积，进而影响试验结果。