煤中干酪根在热演化中结构变化的红外光谱研究

为了研究煤中干酪根的不同抽提方法对热演化过程中结构变化的影响,对新疆塔里木盆地库车坳陷阳霞侏罗纪煤中的可溶有机质采用不同的抽提方法得到部分干酪根,并对其在不同热模拟温度下的结构组成变化特征进行红外光谱测定。结果表明,干酪根的结构主要由三部分组成:脂族结构、芳香结构、含氧官能团。随热演化进行,脂族结构和含氧官能团不断脱落,芳香结构不断发生缩合。通过三个系列的比较发现,不同抽提方法导致了初始状态烃类含量的不同,因而红外光谱参数的变化趋势也有所不同。三个系列随热演化程度的进行,从Ⅲ1型干酪根转变为Ⅲ2型干酪根,生油能力降低,主要为生气型干酪根。     

树皮煤的原子力显微镜研究

利用原子力显微镜观察了树皮煤中两种主要显微组分树皮体和镜质体表面纳米结构特征,揭示了镜质组镜质体大分子团具有网状结构的特征,而类脂组树皮体大分子团具有纤维状、颗粒状和网络状排列结构,随演化程度的提高,树皮体大分子团结构的演化依次表现为纤维状-→粒状-→不规则网状-→网状结构,镜质体则由结构松散的网状结构向高度定向排列的规则网状结构演化。利用AFM的横切面分析工具定量分析了显微组分表面的大分子结构排列,为显微组分分子结构演化和成烃机理研究提供了重要的科学依据。     

An Atomic Force Microscopy Study on ＂Barkinite" Liptobiolith

利用原子力显微镜观察了树皮煤中两种主要显微组分树皮体和镜质体表面纳米结构特征,揭示了镜质组镜质体大分子团具有网状结构的特征,而类脂组树皮体大分子用具有纤维状、颗粒状和网络状排列结构,随演化程度的提高,树皮体大分子团结构的演化依次表现为纤维状→粒状→不规则网状→网状结构,镜质体则由结构松散的网状结构向高度定向排列的规则网状结构演化.利用AFM的横切面分析工具定量分析了显微组分表面的大分子结构排列,为显微组分分子结构演化和成烃机理研究提供了重要的科学依据.     

纳米技术在非常规油气勘探开发中的应用

纳米技术在非常规油气致密储集层(致密砂岩、致密碳酸盐岩、泥页岩及煤岩等)储集空间微观结构表征、油气赋存及流动研究中发挥着重要的作用。目前,多项先进技术(如TEM、AFM、FIB-SEM、纳米CT、NMR等)和方法(如气体吸附法、压汞法等)已被广泛应用于非常规油气储集层储集空间定性/定量表征,但各种技术方法均具有一定局限性,需结合多种技术手段,综合表征储集层储集空间特性。蒙特卡洛方法、分子动力学和格子Boltzmann数值模拟方法为非常规油气赋存特征和微-纳尺度流动机制研究提供了有效的手段,具有广阔的应用前景。此外,纳米技术在常规油气藏钻井、完井和开采等方面也显示了其独特优势。纳米技术的发展及广泛应用,将有助于非常规油气的勘探与开发。     

基于多频超声成像特征的软弱结构面可视化分析方法研究

在一定荷载条件下,岩土体内部软弱结构形态特征及其变形破坏方式对岩土工程边坡失稳等具有重要的意义,而岩土体内部软弱结构面及其形态特征的可视化分析往往缺乏有效的现场测试手段。基于此,提出一种基于多频超声成像特征的软弱结构面可视化分析方法。该方法通过使用多个频率的超声波来获取对应条件下不同角度、不同频率下岩土体内部软弱结构组织的超声扫描图像,统计分析其反射衰减特征以及差值图像的渐变特征,并据此建立软弱结构面定性定量分析方法,从而实现岩土体内部软弱结构的可视化分析。该方法实现了对岩土体内部软弱结构的实时成像探测和可视化监测,解决了现有技术中无法实现对岩土体内部软弱结构的原位成像探测和精细化分析的问题,为岩土工程和地质勘察中有关软弱结构诱发岩土体失稳机制的研究提供了一种新的技术手段和研究思路。     

干酪根分子结构在低熟阶段的演化特征：基于红外光谱分析

为研究低熟气形成过程中大分子结构的变化情况,对吐哈盆地侏罗系八道湾组的煤与碳质泥岩干酪根在不同升温速率下进行了热解实验,借助于红外光谱分析,研究了不同热模拟温度下干酪根结构的特征与变化。结果表明,随热演化的进行,煤与碳质泥岩干酪根的芳香结构不断缩合,含氧官能团不断脱落,碳质泥岩干酪根中的脂肪族类有所降低。吐哈盆地低熟气主要来源于煤与碳质泥岩干酪根中的含氧官能团--羧基与甲氧基,以及碳质泥岩干酪根上的脂肪族。从干酪根结构上揭示了低熟气主要来源于Ⅲ型有机质的原因。     

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

煤孔隙结构是煤层气勘探开发与煤矿安全研究中的关键问题之一。构造煤相比于原生结构煤非均质性强,是煤储层研究中的热点和难点。采用原子力显微镜,结合NanoScope Analysis和Gwyddion分析软件,对脆性变形序列构造煤的孔隙结构和表面粗糙度特征进行研究。结果表明:构造作用整体上促进了脆性变形煤孔隙的发育,但不同脆性变形构造煤受构造作用影响的程度存在明显差异。根据煤受构造作用影响的程度,脆性变形煤孔隙结构演化可划分为强弱2个阶段:弱脆性变形阶段(原生结构煤—碎裂煤—片状煤—碎斑煤)构造作用对煤体的孔隙结构影响较小,平均孔数量缓慢增长,平均孔径缓慢减小,该阶段构造作用主要促进了100~200 nm大孔的发育;强脆性变形阶段(碎斑煤—碎粒煤—薄片煤)构造作用对煤体孔隙结构产生了显著影响,平均孔数量迅速增长,平均孔径迅速减小,这一阶段构造作用主要促进了10~50 nm介孔和50~100 nm大孔的发育。这表明脆性变形构造煤孔隙结构并非简单的线性演变。不同脆性变形煤的算术平均粗糙度和均方根粗糙度参数分别为3.00~6.05 nm和3.94~7.62 nm,其中,弱脆性变形阶段粗糙度整体较高且无明显变化,而强脆性变形阶段粗糙度迅速降低。通过AFM剖面分析,建立了煤表面孔隙形态的数学模型。基于该模型的算术平均粗糙度模拟结果表明,大孔是煤表面粗糙度的主要贡献者,构造作用主要通过影响煤中的孔隙结构,进而影响煤的表面粗糙度。      

扫描仪在岩矿鉴定与岩相学研究中的应用——薄片扫描法

利用偏光显微镜进行岩矿鉴定和岩相学分析是矿物学、岩石学研究的一项基本工作。常用偏光显微镜的观察视域范围狭小,视域大小不能随意变动,这对大视域观察与识别镜下岩石的结构、构造、显微地质现象和粗大矿物等造成困难。基于上述问题,本文在偏光显微镜成像原理基础上,开发出利用扫描仪和偏振光片获取岩石薄片大视域图像的方法,即薄片扫描法。该方法能获得大视域的单偏光和正交偏光图像,为科学研究提供精确的、全面的图像证据资料。薄片扫描法所需设备简单、操作简易、能获得全域精美的数字化图像、能清晰的反映矿物结构构造和地质现象,为识别矿物学和岩石学信息提供了科学方法。薄片扫描法适用于矿物颗粒粗大、形态复杂的显微地质现象,常规偏光显微镜下不能反映结构、构造的样品。薄片扫描法的成功开发,对岩相学、构造岩相学等方面的研究具有现实意义。     

煤中干酪根的成熟度与菲的吸附行为间的关系

将云南先锋褐煤采用热模拟的实验方法制得一组成熟度不同的煤,并将煤中的干酪根用于对菲的吸附研究.结果表明:随着干酪根成熟度的增加,有机质结构变得紧密、刚硬,还原性和芳香性增强.不同成熟度干酪根的内部结构和性质与菲的吸附行为间存在一定的关系.随着干酪根内部结构的刚性和芳香性的增强,吸附等温线的非线性逐渐增强.对于成熟度相对较低的干酪根,随着成熟度的增加,吸附容量逐渐增大,而对于成熟度相对较高的干酪根,随着成熟度的增加,吸附容量却减小.     

基于结构面网络模拟的桥基岩体空间状态分析

分析结构面在岩体中的分布和组合特征是研究岩体稳定性的前提。根据结构面网络随机模拟方法,通过对岩体表面结构面的测量,可以建立岩体结构面空间分布的概率统计模型,从而确立了岩体结构面的网络结构模型。在此基础上分析了局部临空块体的空间几何形态,指出了块体的可能破坏形式,从宏观角度对块体系统整体稳定性进行了预测。     

构造物理化学条件对煤变质作用的控制

煤是对温度和压力等地质因素十分敏感的有机岩,各种构造-热事件控制下的物理化学条件,是促进煤岩演化的根本动力。本文对煤变质作用过程的研究现状进行了综述,着重讨论了煤岩在高煤阶-石墨演化阶段的控制因素、演化过程和演化机制。煤变质作用包括煤化作用阶段和石墨化作用阶段,共同构成一个连续的有机质演化过程,总体趋势是分子结构有序化、化学成分单一化,最终演变为以碳元素为主、三维有序结构的石墨。温度和压力(应力)是控制煤变质作用两大因素,在不同的演化阶段,这两大因素所起的作用和演变机理都有所差异。在低、中煤阶演化阶段,温度是煤化学结构演化的主要控制因素,为化学键断裂提供活化能,应力缩聚和应力降解则对煤化学结构演化具有催化作用。高煤阶-石墨化阶段的主要机制是导致基本结构单元BSUs之间相互联结使短程有序化范围增大的拼叠作用,构造应力在其中起到关键作用,BSUs定向和面网间距不断减小,促进大分子物理结构演化。加强煤变质作用的高级阶段-石墨演化过程的研究,将丰富和深化对煤-石墨物理化学结构完整演化序列的认识。煤系石墨成矿机制的高温高压模拟实验,则为煤变质作用构造物理化学条件研究提供了可行的技术手段。     

Early maturation processes in coal. Part 1: Pyrolysis mass balance and structural evolution of coalified wood from the Morwell Brown Coal seam

We have developed a theoretical approach for evaluating the maturation of kerogen-like material, involving molecular dynamic reactive modelling with a reactive force field to simulate thermal stress. Morwell Brown Coal was selected to study the thermal evolution of terrestrial organic matter (OM). To achieve this, a structural model is first constructed on the basis of literature models and analytical characterization of our samples using modern 1and 2D nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and elemental analysis. Then, artificial maturation of the coal is performed at low conversion in order to obtain quantitative and qualitative detailed evidence for the structural evolution of the kerogen upon maturation. The chemical changes include defunctionalization of carboxyl, carbonyl and methoxy functional groups, coupled with an increase in cross linking in the residual matured kerogen. Gaseous and liquid hydrocarbons, essentially CH₄, C₄H₈ and C₁₄₊ hydrocarbons, are generated in low amount, merely via cleavage of the lignin side chain.     

煤矿构造应力、地温变化与瓦斯异常的关系

构造应力是促进煤炭物理和化学变化的主要压力因素,造成地温局部升高,改变煤的结构。地温升高改变瓦斯动力机制,互相叠加后造成瓦斯含量、动力大幅度提高,给煤矿开采带来难度。     

显微组分大分子结构演化差异性及其动力学机制——研究进展与展望

显微组分物理化学性质是影响煤炭清洁高效利用和煤储层物性的重要因素,已经认识到决定显微组分性质的根本原因在于其大分子结构。为了揭示显微组分大分子结构演化特征及其控制因素,从显微组分大分子化学结构与物理结构、大分子结构演化的构造应力效应、煤变质全阶段大分子结构演化特征等方面,总结了国内外研究进展,分析了存在的不足。指出由于富镜质组煤的广泛分布和重要工业用途使之成为煤结构研究的主要对象,惰质组的研究则相对缺乏,阻碍了对煤特性的全面认识。提出“煤变质作用的热-应力条件决定显微组分结构演化、惰质组与镜质组大分子结构演化具有差异性”的研究思路,采用惰质组/镜质组高温高压模拟和热模拟实验并与自然序列变质-变形煤对比,研究显微组分结构演化特征及其控制因素。定量刻画显微组分大分子结构与温压条件的关系,揭示构造应力对显微组分化学结构和纳米孔隙结构的控制,确定煤变质全过程中惰质组大分子结构的演化路径,建立惰质组大分子动力学模型。上述研究成果将充实对煤微观结构演化及其控制因素的全面认识,为煤炭清洁高效利用和煤储层物性评价提供基础依据。      

Molecular Structure of Kerogen in the Longmaxi Shale: Insights from Solid State NMR,FT‐IR,XRD and HRTEM

Kerogen plays an important role in shale gas adsorption, desorption and diffusion. Therefore, it is necessary to characterize the molecular structure of kerogen. In this study, four kerogen samples were isolated from the organic-rich shale of the Longmaxi Formation. Raman spectroscopy was used to determine the maturity of these kerogen samples. High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), 13C nuclear magnetic resonance (13C NMR) , X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy were conducted to characterize the molecular structure of the shale samples. The results demonstrate that VReqv of these kerogen samples vary from 2.3% to 2.8%, suggesting that all the kerogen samples are in the dry gas window. The macromolecular carbon skeleton of the Longmaxi Formation kerogen is mainly aromatic (fa’=0.56). In addition, the aromatic structural units are mainly composed of naphthalene (23%), anthracene (23%) and phenanthrene (29%). However, the aliphatic structure of the kerogen macromolecules is relatively low (fal*+falH=0.08), which is presumed to be distributed in the form of methyl and short aliphatic chains at the edge of the aromatic units. The oxygen-containing functional groups in the macromolecules are mainly present in the form of carbonyl groups (fac=0.23) and hydroxyl groups or ether groups (falO=0.13). The crystallite structural parameters of kerogen, including the stacking height (Lc=22.84 ?), average lateral size (La=29.29 ?) and interlayer spacing (d002=3.43 ?), are close to the aromatic structural parameters of anthracite or overmature kerogen. High-resolution transmission electron microscopy reveals that the aromatic structure is well oriented, and more than 65% of the diffractive aromatic layers are concentrated in the main direction. Due to the continuous deep burial, the longer aliphatic chains and oxygen-containing functional groups in the kerogen are substantially depleted. However, the ductility and stacking degree of the aromatic structure increases during thermal evolution. This study provides quantitative information on the molecular structure of kerogen samples based on multiple research methods, which may contribute to an improved understanding of the organic pores in black shale.     

浅埋煤层地表厚砂土层“拱梁”结构模型研究

西部地区拥有储量最大的浅埋煤田,煤层顶板主要特点是基岩薄,地表为厚砂土层。浅埋煤层采动后,上覆岩层垮落运动将直接波及地表厚砂土层,引起采场强烈来压及地表塌陷等灾害。通过物理模拟试验,揭示了厚砂土层贯通地表裂缝的形成和发展规律,发现地表厚砂土层初次垮落的“拱梁”和周期垮落的“弧形岩柱”结构。通过建立厚砂土层“拱梁”结构数学模型,得出了“拱梁”内的应力分量,并给出了厚砂土层破裂的判据和出现拉裂缝的位置,为确定周期性“弧形岩柱”的有关参数提供了依据,为工作面顶板压力控制和地表塌陷的分析提供了基础。     

Thermal decomposition processes in algaenan of Botryococcus braunii race L. Part 1: Experimental data and structural evolution

The thermal reactivity of organic matter in source rocks is usually kinetically represented by a set of parallel and independent first order reactions. The approach assumes that only defunctionalisation reactions take place upon thermal decomposition, regardless of the chemical nature of kerogen. We have developed a new method for evaluating maturation pathways for an important kerogen-forming geopolymer, algaenan from the alga Botryococcus braunii (B. braunii), involving molecular dynamic reactive modelling based on quantum mechanics to reproduce maturation. To achieve this, a structural model is first constructed on the basis of models from the literature and analytical characterization of our samples using modern 1D and 2D nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and elemental analysis (EA). Then, thermal decomposition of the algaenan is performed at low conversion in order to describe the initial transformations analytically. In an additional step, the observed chemical changes are quantitatively and qualitatively compared to simulated maturation from the molecular models. From this simulated maturation detailed reaction schemes are extracted for primary cracking mechanisms.     

大型双三轴气浮定位多道三维地震物理模拟系统及其应用

三维地震物理模拟技术作为一种重要的地震波传播特征的研究手段,与数值模拟相比具有结果更逼真、不受计算方法和边界条件限制等优点,是认识复杂构造地震波传播规律及其响应特征的有效方法之一,并在地震波传播基本规律研究、野外地震勘探方法验证、观测系统设计优化等方面具有重要的应用价值。为此研发一套大型双三轴气浮定位多通道三维地震物理模拟实验系统。该系统包括导轨和传动系统、运动控制系统、定位测量系统、物理模拟数据采集系统及安全系统等5部分,可实现大尺度物理模型高精度定位,多通道、高效率、高信噪比、高分辨率模型超声波信号采集等功能。利用该系统对模拟含断层、陷落柱、煤层变薄带多种构造的含煤地层三维地震物理模型进行数据采集试验,获得的整体成像效果与地震物理模型吻合,验证了该系统的可靠性和准确性。该系统的研制成功为煤炭地震勘探方法理论研究及实际生产应用提供了新的实验技术手段。      

地质材料结构与功能射线成像方法与技术

地质材料结构与功能射线成像是采用射线对地球自然物质进行结构与功能成像,是研究地质材料物质组分、结构、特性与功能的重要手段,是认知地质现象、过程与动因的重要途径。在分析射线成像方法的基础上,分别梳理地质材料表面结构成像、三维结构成像与原位结构成像方法技术及适用条件,提出了地质材料功能成像方法与技术,并指出了地质材料结构与功能射线成像适用条件与发展趋势:（1）可见光、红外射线束和电子束射线等可实现地质材料表面的高精度成像;（2）X射线、γ射线和中子射线能量较高,可穿透地质材料实现三维成像;（3）地质材料的颗粒、矿物与基质等三维内部结构的静态成像研究已经比较成熟;地质材料原位（温度、应力和空隙压力等物理场）条件下的结构进行成像,是近年来地质材料结构成像的发展趋势;对地质材料的生成富集、储集、渗流等功能及过程进行射线成像是未来地质资源能源开发的重大需求,目前仍处于初步探索阶段。     

淮北宿临矿区构造煤中黄铁矿赋存特征及其地质控制

通过淮北宿临矿区不同类型构造煤中黄铁矿形态和分布的显微观测,结合常量及伴生元素分布特征分析,探讨了构造煤中黄铁矿的分布规律、形成机制及其地质控制作用。黄铁矿是典型的多期成因矿物,其分布受沉积环境和应力-应变环境共同作用,可划分为4 个形成阶段12 种类型;构造煤中的Co、Sb、Mn 等元素与黄铁矿关系密切,其分布反映应力-应变环境;进一步发现构造煤中的Hg 与硫化铁硫（Sp.d）呈良好相关性,随构造煤变形程度的增加呈“高-低-高”的演变趋势,受构造煤形成的动力学机制影响;构造煤中的黄铁矿可分为同生和后生两种模式,前者受控于沉积环境和古构造条件,而后者与构造改造和构造煤变形相关。分析认为,脆性变形阶段煤体结构的物理变化及过程为黄铁矿发育提供了赋存空间和条件,而韧性变形阶段中的动力变质和力化学作用为元素的迁移、散失及富集提供了动力,从而影响了黄铁矿的形成类型和分布。