韩城矿区构造煤纳米级孔隙结构的分形特征

构造变形可以引起煤纳米级孔隙结构的变化,变形机制的不同对孔隙结构的影响程度也不同。煤的孔隙非均质性极强,传统实验方法难以准确地描述孔隙结构的复杂性,而分形理论提供了描述这一复杂性的量化方法。基于渭北煤田韩城矿区不同类型构造煤的低温氮吸附实验,采用分形FHH方法,定量表征了构造变形对煤纳米级孔隙结构的影响程度。结果表明:韧性变形煤比脆性变形煤的孔隙分形维数高,孔隙结构复杂,非均质性增强,导致毛细凝聚效应增强,吸附滞后突出;构造煤分形维数随着平均孔径的降低和中孔含量的升高而增大,说明构造变形程度越大,平均孔径越小,孔隙结构越复杂。研究认为,分形维数定量反映了煤构造变形的强弱,可以指示煤中纳米级孔隙结构的变形程度。      

陆相页岩热演化过程中孔隙分形特征

分形维数可定量表征储层孔隙结构的复杂性,为页岩储层评价提供思路。以热模拟获得的不同热演化阶段的鄂尔多斯盆地长7段页岩为研究对象,应用场发射扫描电镜观察了各演化阶段孔隙变化特征,并通过低温液氮吸附实验,研究各个演化阶段页岩孔隙分形特征,运用FHH模型计算页岩孔隙分形维数,探讨了分形维数与有机碳、矿物成分、孔隙结构参数的关系。研究结果表明:低成熟阶段页岩中纳米级有机质孔发育有限,随着成熟度的增加,在有机质内部开始逐渐发育孔隙,同时黏土矿物颗粒间的有机质也开始分解,出现纳米级层间孔,主要发育墨水瓶状孔和少部分的平行板状孔;孔径峰值主要在2~4 nm和40~50 nm,随着成熟度增加,上述2个孔径段的孔隙相对数量增加,分形维数依次增大,分形维数为2.592~2.717,孔隙非均质性增强。分形维数随着有机碳含量的减少而增加,而与石英、黏土矿物含量相关性不明显;随着成熟度增加,微孔和中孔比例增加,平均孔径减小,孔隙表面越复杂,比表面积和分形维数增加;分形维数与总孔隙体积、微孔体积、中孔体积具有很好的正相关性,而与大孔体积相关性较差。      

基于压汞法的低阶煤储层孔隙结构表征——以准噶尔盆地南缘为例

准噶尔盆地南缘(准南)是我国重要的低煤阶煤层气地区。以准南低阶煤储层为研究对象,以压汞法为基础,运用分形维数对煤储层孔隙结构进行了探讨。研究发现,该地区煤储层微小孔较为发育,压汞曲线分为两类,第一类汞饱和度和退汞率较高,利于煤层气的产出,第二类汞饱和度和退汞效率相对较低,不利于煤层气的产出,但有利于煤层气的储集,该区整体储层较好。从分形维数的角度来看,孔径在10~2 100nm具有明显的分段分形特征,并呈现出随孔径增大而增大的趋势。此外,通过分形维数与煤岩特征相关性分析发现,在低阶煤阶段,大孔分形维数与R_(o,max)、惰质组含量呈正相关,但与灰分含量、镜质组含量、挥发分含量呈负相关。而分形维数越高,孔隙结构越复杂,因此,在研究区,高演化程度的富惰质组煤储层孔隙结构较差,而高灰分、挥发分、富镜质组的煤储层孔隙结构较好。     

不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形特征及其对渗透性的影响

煤的孔隙-裂隙结构特征是研究储层渗透性的关键问题。为了定量描述孔隙-裂隙结构的复杂程度,以黄陇侏罗纪煤田永陇矿区郭家河井田原生结构煤和碎裂结构煤为研究对象,基于压汞实验数据和扫描电镜（SEM）图像,采用Menger分形模型和计盒维数方法,分别计算不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形维数;同时采用不同孔径段的孔隙体积比作为权重值,计算得到孔隙综合分形维数,探讨孔隙-裂隙结构分形维数和渗透率之间的关系。研究结果表明,脆性构造变形作用对孔隙整体复杂性,裂隙孔、渗流孔复杂性以及微观裂隙复杂程度均具有积极改造作用,对吸附孔结构复杂性具有均一化作用;微观裂隙分形维数与渗透率具有较高非线性关系,脆性构造作用改造下形成的碎裂煤,其具有的孔隙-裂隙结构优势配比是决定储层高渗透性的关键。因此,建议优先考虑弱脆性变形的碎裂结构煤为主体的断层、向斜和背斜区域进行煤层气抽采。      

阳泉新景矿高煤级煤的孔隙结构分形特征

分形理论是宏观上定量评价储层非均质性的有效手段。以阳泉新景矿高煤级煤样品压汞数据为基础,建立分形几何模型,定量描述了孔隙结构。实验结果表明:样品孔隙以纳米孔为主,孔径、比表面积及孔容也集中分布在纳米孔段。煤样孔径65 nm以上的孔隙具有显著的分形特征,分维值分布范围为2.89~2.99,体积增量呈现阶段式的变化,孔隙结构复杂;孔径65 nm以下孔隙几乎无分形特征,比表面积增量与孔径在对数坐标中呈线性关系;基于分形特征及分子运动规律,将储层孔隙以孔径65 nm为界划分为扩散孔和渗透孔2个大类6个小类。分维值与体积孔隙中值半径、总孔隙体积呈负相关,与孔径65 nm以上的孔隙体积、比表面积呈正相关,与孔隙度无相关性。分形分维值对储层结构具有较全面的表征能力,可以作为综合指标在煤储层孔隙研究中加以应用。      

辽河东部凸起太原组页岩孔隙分形特征

页岩孔隙结构具有良好的分形特征,孔隙结构的分形维数能定量描述孔隙结构的复杂程度。以辽河东部凸起为例,应用高压压汞方法研究了页岩孔隙结构及其不规则性,计算了页岩孔隙分形维数。研究结果表明,辽河东部凸起太原组页岩孔隙分形无标度区为0.09~60μm,孔隙分维数为2.378~3.007,随着分形维数的增大,页岩的非均质性增强,压汞实验得出的页岩孔径分布特征也证明了页岩的孔隙分形维数可以用来定量描述页岩储层岩石孔隙结构的微观非均质性;数学拟合表明分形维数与有机质含量相关性差,反映页岩中无机孔隙为主体孔隙类型;分形维数与石英含量呈较弱的正相关而与黏土矿物含量呈较强的负相关性,表明黏土矿物含量对页岩孔隙结构影响明显。分形维数与页岩的渗透率和孔隙度均具有很好的负相关性,分形维数越大,岩心的渗透率和孔隙度越小,表明分形维数越大,孔隙结构越趋于复杂,不利于气体的渗流和产出。     

晋中盆地西南缘石炭-二叠系煤储层孔隙结构及分形特征

以晋中盆地西南缘石炭-二叠系煤储层为研究对象,基于高压压汞试验,分析研究了煤储层的孔隙结构及分形特征,运用Washburn方程和海绵模型计算了大孔(100nm)分形维数D_M,对比讨论了孔隙结构参数与分形维数的关系,以及煤岩工业分析、煤化程度及煤岩显微组分对分形维数的影响。研究结果表明:本区孔径分布在6～10 000nm,以"双峰型"为主,墨水瓶状孔发育。孔隙结构以微孔、小孔为主,中孔与大孔次之,其中微孔和小孔对总孔容贡献率最大,吸附孔和渗流孔比表面积贡献率相当,反映本区煤层有利于煤层气的储集、扩散及渗流。本区中变质程度煤储层渗流孔(100nm)具有分形特征,煤岩总孔容越小、总比表面积越大、分形维数D_M越大,即孔隙结构非均质性越强,分形维数D_M可以有效反映孔隙结构特征。分形维数D_M与R_(o,max)、水分、镜质组含量呈正相关,与灰分、惰质组含量呈负相关,本区中煤阶烟煤分形维数受煤岩热演化程度影响明显。     

利用SAXS表征不同变质程度煤纳米孔隙特征

文章通过小角X 射线散射（SAXS） 的方法研究了自然演化系列不同煤级煤的纳米孔隙结构和分布特征。结果表明, 随着煤级的增高,孔隙表面分形呈多阶段变化： Ro＜0.89%,壳质组开始逐渐液化,发育大量孔隙,分形维数不断增大; Ro 为0.9%~1.5%,因挥发分生油充填孔隙和原油沥青的芳构化等作用,而使微孔表面平整光滑,分形维数减小;Ro 为1.5% ~3.5%,镜质组裂解生气发育了大量纳米孔隙,分形维数再次增大;随后逐渐石墨化,表面分形再次降低。煤中纳米级孔 隙主要集中在50~100 nm 范围内。其中细介孔（2~10 nm） 体积百分比占0.21%~3.12%,中介孔（10~25 nm） 体积百分比占 5.06%~11.28%,粗介孔（25~50 nm） 体积百分比占21.06%~26.36%,大孔（50~100 nm） 所占体积百分比最大,高达 64.63%~68.36%。随着煤级升高,煤样的最可几孔径不断减小,最可几孔径由80 nm 减小到10 nm,减小的速度由缓到快; 中介孔和细介孔体积百分比不断增大,与成熟度分别呈对数和线性关系;粗介孔和大孔百分比不断减少,与成熟度呈对数 关系。最可几孔径变化也十分明显,在低煤化烟煤阶段时,随煤化程度增高最可几孔径略有下降（峰值处的孔径范围在 75~71 nm 内）,中高煤化烟煤阶段时,随煤化程度的增高最可几孔径呈较明显的下降趋势（峰值处的孔径范围在78~53 nm 内）,到无烟煤阶段时,其孔径则快速下降（峰值处的孔径范围在72~9 nm）。     

华北南部构造煤纳米级孔隙结构演化特征及作用机理

构造煤是在构造应力作用下,煤体发生变形或破坏的一类煤,在世界主要产煤国家皆有分布。构造变形不同程度的改变着煤的大分子结构和化学成分,而且也影响到构造煤的纳米级孔隙结构(<10 0 nm ) ,它是煤层气的主要吸附空间。通过构造煤显微组分和镜质组油浸最大反射率的测定,采用液氮吸附法对不同变质变形环境、不同变形系列构造煤的纳米级孔隙分类、孔隙结构特征进行了深入系统的研究,并结合高分辨透射电子显微镜和X射线衍射对大分子结构和孔隙结构的分析,结果表明:不同类型构造煤纳米级孔径结构自然分类,可将孔径结构划分为过渡孔(15～10 0 nm )、微孔(5～15 nm )、亚微孔(2 .5～5 nm )和极微孔(<2 .5 nm ) 4类。低煤级变形变质环境中随着构造变形的增强,不同类型构造煤过渡孔孔容明显降低,微孔及其下孔径段孔容明显增多,可见亚微孔和极微孔,过渡孔的比表面积大幅度降低,而亚微孔的却增加得较快。从脆韧性变形煤至韧性变形煤,总孔体积、累积比表面积、N2 吸附量随着构造变形的增强,这些结构参数均迅速增加,但中值半径进一步下降。非均质结构煤孔隙参数与弱脆性变形煤相当。中、高煤级变形变质环境形成的各种类型构造煤与低煤级变质变形环境相比,孔隙参数的变化基本一致。但不同类型构造煤的变化又有所区别     

沁水盆地南部高煤级煤储层孔隙分形特征

以沁水盆地南部的20个高煤级煤样品的压汞实验和煤岩煤质分析的结果为依据,探讨了孔隙分形维数的计算方法,分析了盆地南部地区高煤级煤孔隙分形特征。研究表明,高煤级煤孔隙分形无标度区为50nm~100μm,孔隙分维数在2.94~3.21,孔隙分维数与煤变质程度、孔隙度、大孔含量、体积中值孔径呈负相关关系,与中孔含量、吸附孔含量、退汞效率、灰分产率呈正相关关系,而固定碳含量、镜质组质量分数、挥发份产率、兰氏体积则以孔隙分维数3.05为拐点呈双U形或倒双U形变化。孔隙分维数可以作为反映高煤级煤储层吸附能力和解吸能力的一个重要参数,并依据孔隙分维数划分出该区富气易解吸区、富气难解吸区及含气解吸区。     

黔西北地区石炭系祥摆组页岩微观孔隙结构及分形特征

为研究海相含煤地层页岩的微观孔隙特征,选取黔西北地区石炭系祥摆组页岩作为研究对象,利用扫描电镜(SEM)和液氮吸附实验研究孔隙特征,同时研究其分形特征,并探讨孔隙结构的影响因素。研究结果表明:研究区石炭系祥摆组页岩在扫描电镜下可观察到4类微观孔隙(粒内孔、粒间孔、有机质孔、微裂缝),其中微裂缝、有机质孔发育较丰富,具有较强的生成烃类气体能力和良好的储集性能;液氮吸附等温线在形态上呈反“S”形,表明中孔在微观孔隙中最为发育,滞后回线类型主要为H2型的细颈广体的墨水瓶孔;BJH总孔体积和BET比表面积值均较大,平均值分别为0.0155 cm³/g和13.20 m²/g,平均孔径为6.22 nm,纳米级微观孔隙大量发育,为烃类气体提供丰富的储集空间;页岩样品微观孔隙结构分形维数D较大,主体大于2.723 2,反映出孔隙结构复杂、非均质性较强;BET比表面积与TOC、石英含量呈一定的负相关性,与分形维数呈一定的正相关性;平均孔径值与石英含量正相关性较好,与分形维数负相关性较好,与黏土矿物含量呈一定的负相关性。石炭系祥摆组页岩微观孔隙的BET比表面积较大、平均孔径较小,微观孔隙结构较为复杂。     

Qualitative and Quantitative Characterization of Shale Microscopic Pore Characteristics Based on Image Analysis Technology

In order to evaluate the shale microscopic pore characteristics more economically and effectively in limited circumstances, the pore characteristics of Longmaxi Formation in Pengshui area, Sichuan Basin, were qualitatively observed and analyzed with Scanning Electron Microscopy (SEM) and Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) with argon ion polishing method at the same time. Pore quantitative information were extracted from shale SEM and FESEM images with the help of a professional image analysis software IamgeJ2x, and combined with statistical methods, the whole pore size distribution as well as shale pore fractal dimension and the relevance between fractal dimension and organic matter content, mineral composition and pore adsorption capacity and the corresponding pore structure characteristics of Longmaxi Formation in Pengshui area were analyzed. The study shows that under SEM, there are mostly micro pores of Longmaxi Formation in Pengshui area. The main pore types include intergranular pore, clay mineral layer pore, intragranular pore and micro cracks, etc. Through argon ion polishing FESEM, there mainly develop nanoscale pores. The main pore types contain organic pore, inorganic mineral pore (pyrite intergranular pore, intragranular pore, clay mineral layer pore and intergranular pore, etc.) and micro cracks. The use of both of the two methords is more advantageous to qualitatively analyze shale pore. The whole pore size distribution of shale pore has four main peaks and the main distribution range is 3~10 nm, 10~40 nm, 100~400 nm, 1~4 μm, respectively. The shape factor of shale organic matter pore is distributed between 0.9~1 and inorganic mineral pore is distributed between 0.5~0.7. It shows that the organic matter pore is circular, nearly circular and inorganic mineral pore shape is triangle, polygon, slit shape and so on. The inorganic mineral pore shape is relativly complex because of the different pore causes. The shale pore of Longmaxi Formation in Pengshui area conforms to the fractal features, and the organic pore fractal dimension is smaller than that of inorganic mineral pore, showing that the organic matter pore structure is relatively simple. There is a certain relevance between fractal dimension and organic matter content, mineral composition, porosity, and adsorbed gas content. With the increase of the organic matter content, the shale pore fractal dimension increase, the pore structure characteristics become complicated. With the shale pore fractal dimension increasing, the biggest gas adsorption quantity increases and the ability of pore adsorption strengthens.     

Pore Structure Heterogeneity of the Xiamaling Formation Shale Gas Reservoir in the Yanshan Area of China: Evaluation of Geological Controlling Factors

Micro-heterogeneity is an integral parameter of the pore structure of shale gas reservoir and it forms an essential basis for setting and adjusting development parameters. In this study, scanning electron microscopy, high-pressure mercury intrusion and low-temperature nitrogen adsorption experiments were used to qualitatively and quantitatively characterize the pore structure of black shale from the third member of the Xiamaling Formation in the Yanshan area. The pore heterogeneity was studied using fractal theory, and the controlling factors of pore development and heterogeneity were evaluated in combination with geochemical parameters, mineral composition, and geological evolution history. The results show that the pore structure of the reservoir was intricate and complicated. Moreover, various types of micro-nano scale pores such as dissolution pores, intergranular pores, interlayer pores, and micro-cracks are well developed in member 3 of the Xiamaling Formation. The average porosity was found to be 6.30%, and the mean value of the average pore size was 4.78 nm. Micropores and transition pores provided most of the storage space. Pore development was significantly affected by the region and was mainly related to the total organic carbon content, vitrinite reflectance and mineral composition. The fractal dimension, which characterizes the heterogeneity, is 2.66 on average, indicating that the pore structure is highly heterogeneous. Fractal dimension is positively correlated with maturity and clay mineral content, while it is negatively correlated with brittle mineral content and average pore size. These results indicate that pore heterogeneity is closely related to thermal history and material composition. Combined with the geological background of this area, it was found that the pore heterogeneity was mainly controlled by the Jurassic magmatism. The more intense the magma intrusion, the stronger the pore heterogeneity. The pore structure and its heterogeneity characteristics present today are a general reflection of the superimposed geological processes of sedimentary-diagenetic-late transformation. The influence of magmatic intrusion on the reservoir is the main geological factor that should be considered for detailed evaluation of the Xiamaling Formation shale gas reservoir in the Yanshan area.     

不同变质变形煤储层孔隙特征与煤层气可采性

煤储层孔隙是煤层气的主要聚集场所和运移通道,煤储层孔隙结构不仅制约着煤层气的含气量,而且对其可采性也有重要影响。文中选取淮北煤田和沁水盆地不同矿区有代表性的煤样,通过对研究区不同变质与变形煤样的宏微观构造观测、镜质组反射率与孔隙度测试以及压汞实验分析,研究了不同变质变形煤储层孔隙结构特征及其对煤层气可采性的制约。研究结果表明,按照不同的变质变形特征将研究区煤储层主要划分为5类,即:高变质较强至强变形程度煤储层(Ⅰ类)、高变质较弱变形程度煤储层(Ⅱ类)、中变质较强变形程度煤储层(Ⅲ类)、中变质较弱变形程度煤储层(Ⅳ类)及低变质强变形程度煤储层(Ⅴ类)。不同变质变形煤储层的孔隙结构具有以下特征:Ⅰ类和Ⅱ类煤储层吸附孔占主导,Ⅰ类煤储层孔隙连通性差,Ⅱ类煤储层因后期叠加了构造裂隙,孔隙连通性变好;Ⅲ类煤储层中孔、大孔增多,但有效孔隙少,孔隙连通性变差;Ⅳ类煤储层吸附孔较多,中孔、大孔中等,且煤储层内生裂隙发育,孔隙具有较好的连通性,渗透性明显变好;Ⅴ类煤储层吸附孔含量较低,中孔较发育,大孔不太发育,有效孔隙少,孔隙连通性差。由此,变质程度高且叠加了一定构造变形的煤储层(Ⅱ类)以及中等变质程度变形较弱且内生裂隙发育的煤储层(Ⅳ类),其煤层气有较好的渗透性,可采性较好。     

利用FE-SEM、HIP、N2吸附实验表征生物气化煤系有机岩储层微观孔隙结构演化

微生物降解前后的煤系有机岩（煤岩和泥页岩）储层微观孔隙结构的变化对生物成气和成藏过程具有重要的意义.利用场发射扫描电子显微镜、高压压汞仪、孔比表面积孔隙度分析仪以及分形维数理论对厌氧微生物降解前后的煤系有机岩样品储层孔隙结构演化进行分析,根据孔隙结构特征并结合微生物生态学特征,将生物气化煤系有机岩的孔隙结构类型分为3类,即孔隙直径大于5 μm的微米孔,孔隙直径介于5 μm~100 nm的微纳孔,以及孔隙直径小于100 nm大于2 nm的纳米孔.微生物作用后的煤岩与泥页岩的微米孔孔容增加,微纳孔和纳米孔孔容减小,孔隙比表面积降低,平均孔隙直径增大.分形维数对比结果表明受微生物作用的煤岩与泥页岩样品的面分形维数（D₁）和孔隙结构分形维数（D₂）均降低,微生物作用使得有机岩孔隙表面变的光滑,孔隙结构变得简单,有利于游离气的运移和富集.      

川东南彭水地区五峰组-龙马溪组页岩孔隙结构及差异性

页岩孔隙结构及差异性是页岩含气性和产能评价的基础性问题.针对川东南彭水地区五峰组与龙马溪组页岩的孔隙结构已有若干研究成果,然而在页岩孔隙结构差异性和有机孔定量特征方面还缺乏研究.利用低温低压氮气吸附测定和氩离子抛光-场发射扫描电镜（FE-EM）技术,对页岩样品纳米孔隙进行了二维观察与统计以及分形特征计算,研究了3nm至几百nm页岩孔径范围的孔隙结构及其差异性.研究区五峰组-龙马溪组页岩有机孔十分发育;氮气吸附测定页岩孔隙形状包含开放型圆筒状、层状结构狭缝状和墨水瓶状等;扫描电镜观察有机孔形态主要有近圆形、椭圆形和多角形等.五峰组和龙马溪组页岩孔隙结构具有明显的差异性,主要体现在孔径大小、形态和数量上.氮气吸附测定表明,五峰组页岩孔隙比表面积和总孔容较龙马溪组大,微孔所占总孔的比例也较高;五峰组页岩孔径相对龙马溪组更细窄.扫描电镜二维图像观察与统计结果表明,五峰组有机孔径以小于3nm为主,形态以多角形为主;龙马溪组有机孔径以小于0nm为主,形态多呈近圆形和椭圆形.五峰组页岩的分形维值大于龙马溪组页岩,说明前者孔隙复杂程度较高.      

基于扫描电镜、孔隙-裂隙分析系统和气体吸附的煤孔隙结构联合表征

为了定量表征煤的孔隙结构,研究煤孔隙特征与吸附性能的内在联系,采用低温液氮吸附法（LP-N₂GA）、CO₂吸附法、扫描电镜（SEM）和孔隙-裂隙分析系统（PCAS）对6种不同变质程度煤样进行孔隙相关分析.煤样孔隙分布相似时,煤样对N₂和CO₂的吸附能力、孔隙率的近似概率密度和孔隙面积（中孔）与煤的挥发分呈负相关,煤样孔隙的分形维数与煤的挥发分呈正相关.煤样的孔隙分布差异较大时,煤样对N₂和CO₂的最大吸附容量与孔隙分布有关.建立了煤纳米孔结构的联合表征模式,该表征模式能够更有效地研究和分析煤中的孔隙,包括孔隙数目、孔隙面积、孔隙周长、平均形状因子、孔隙率、分形维数和孔径分布,将SEM-PCAS与气体吸附方法相结合对煤的孔隙结构进行定量联合表征的模式是可行的.      

低阶煤吸附孔结构特征及其对甲烷吸附性能影响

低阶煤甲烷吸附特性研究对瓦斯含量预测、瓦斯抽采及危害防治有着重要意义,为此,选取陕西6个典型矿井低阶煤样,进行低温氮吸附、低压二氧化碳吸附及甲烷等温吸附实验,获得低阶煤吸附孔结构特征。利用微孔填充及单分子层吸附理论定量表征甲烷吸附特征参数与吸附孔结构参数之间的关系,明确吸附孔中甲烷吸附机理。结果表明：吸附孔的比表面积主要由微孔提供,甲烷吸附能力主要受吸附孔孔容大小控制,微孔孔容对吸附孔总孔容的贡献率在74.71%～88.97%。甲烷极限吸附量与吸附孔平均孔径呈线性负相关,与吸附孔孔容、比表面积呈线性正相关,Langmuir压力常数随吸附孔平均孔径、孔容和比表面积的增加仅在小范围内波动,无明显线性相关。6个低阶煤样的分形特征明显,综合分形维数为2.573～2.720,平均值为2.647,说明低阶煤吸附孔非均质性强,甲烷极限吸附量随分形维数增加先增加后减小,整体呈上升趋势。基于微孔填充和单分子层吸附理论可以定量表征低阶煤吸附孔结构与甲烷吸附能力之间的关系,甲烷极限吸附量计算值与实验测试值相对误差较小,长焰煤相对误差为4.47%～6.65%,不黏煤为13.77%～16.02%。研究成果可为后...