《构造煤超微结构演化及甲烷吸附的变质变形机理》

该成果属于地球科学基础研究成果。

中国华北晚古生代煤盆地历经多期次、不同性质构造作用后,煤储层结构发生了强烈改造,形成了各种类型构造煤。构造煤储层孔隙的非均质性、微裂隙各向异性及大分子结构的应力响应等超微结构演化特征是煤储层的内在属性,是制约煤层气吸附解吸、扩散和渗流的内在因素,也是急需解决的关键科学问题。因此,开展构造煤超微结构演化及甲烷吸附的变质变形机理研究,为低渗复杂煤储层煤层气有效开发提供理论基础,对进一步揭示构造煤富集区煤与瓦斯突出机理具有重要理论意义。同时,构造煤富集区煤层气资源的有效开发与利用,对保障煤矿安全生产、提高清洁能源比例及降低温室气体排放均具有重要经济价值和社会意义。该项目综合多学科理论和方法,在构造煤超微结构演化及甲烷吸附的变质变形机理方面取得了如下重要科学发现:

(1)煤储层超微结构表面形态特征及其受控机制:通过与碳基石墨烯复合物质大分子结构和表面形貌的对比研究,精细定量表征了不同类型构造变形煤的表面超微结构特征,揭示了不同变质程度、不同变形强度和不同变形性质煤储层超微结构表面形态的演化机制,从纳米尺度揭示了煤大分子聚集体和纳米级栅格间孔隙表面形态的变质变形机理。

(2)煤大分子结构演化的应力应变机制:基于无烟煤与石墨烯大分子结构及缺陷类比,构建了含缺陷无烟煤大分子结构片段,阐明了应力作用下无烟煤大分子结构的响应特征,突破传统的有机质生烃理论,提出应力作用下煤可能重新产生烃类物质;建立了构造煤流变属性与应力方向、温度及应变速率的作用关系,揭示了强构造变形煤发育区煤与瓦斯突出的微观动力学过程。

(3)构造煤纳米级封闭孔隙的演化特征及其受控机制:采用小角X射线散射和低温液氮吸附实验对煤中纳米级孔隙进行了定量研究,构建了煤中纳米级开放孔隙和封闭孔隙结构演化的变质、变形模式,揭示煤中封闭孔隙的形成机制;发现构造变形及变质作用对煤中纳米级孔隙大小、形态和连通性产生了重要的不可逆改造。

(4)煤微裂隙结构与煤储层非均质性受控机制:突破煤储层常规孔裂隙划分体系,提出了微裂隙的分形定量分类方案,揭示了煤储层微裂隙发育的变质控制机制;提出了不同层序演化阶段的湖盆演化及聚煤作用模式,建立了多层叠置储层体系与成煤演化的耦合机制。

(5)不同温压下构造变形对煤中甲烷吸附的控制机理:揭示了不同温度和压力条件下,不同变形程度和不同变形性质构造煤甲烷吸附特征及其受控机理;发现常温条件下强韧性构造变形煤甲烷吸附能力明显高于弱脆性构造变形煤,但随着温度的增加,温度对煤吸附甲烷能力影响起主导作用;揭示了深部条件下构造煤甲烷吸附性能与浅部煤层的差异性。

这些研究发现将中国构造煤储层物性研究推进到超微结构层次,使得中国构造煤储层物性研究进入国际前沿行列。该项目研究成果有效解释了构造煤中“超量煤层气”的来源和赋存机制,为构造煤发育区煤层气开发、瓦斯突出预测和防治奠定了至关重要的理论基础。该项目在Chemical Engineering Journal、Fuel、Energy & Fuels、AAPG Bulletin和Science China等国际知名SCI期刊上发表8篇代表性论文,属于原创性成果,其中JCR 1区论文1篇(且入选ESI高被引论文),JCR 2区6篇(2篇入选ESI高被引论文)。8篇代表性论文SCI他引337次,包括美国斯坦福大学、英国剑桥大学在内的多所国际著名大学知名专家广泛引用并高度评价了代表论文中重要发现、原始数据和实验体系等成果。项目部分成果获河南省教育厅科技成果一等奖。

  1. 下载详细PDF版/Doc版

提示:为方便大家复制编辑,博主已将PDF文件制作为Word/Doc格式文件。