学术报告

一、研究的作者、机构及出版信息

本文的主要作者为 Y. Li、Cheng Zhang、Dazhen Tang、Quan Gan、Xinlei Niu、Kai Wang 和 Ruiyang Shen，分别隶属于中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院、长春工业大学测绘与勘察工程学院、中国地质大学（北京）能源资源学院以及英国阿伯丁大学地球科学学院。该研究发表在 Fuel 期刊上，文章编号为 DOI: 10.1016/j.fuel.2017.06.028，于 2017 年 6 月 14 日在线发布。

二、学术背景及研究目标

学术背景： 燃煤甲烷（Coalbed Methane, CBM）是现今研究的一个重要非常规天然气储层类型，其储层特性及甲烷提取效率与煤的孔隙结构密切相关。然而，目前对于不同煤阶在煤化过程中孔隙结构分布变化的研究较少，尤其是在从泥炭转变为无烟煤的不同热演化阶段中的孔隙演变特性还不够明确。本研究的重要性在于填补了这一科学领域的空白，系统地揭示煤化过程中孔隙分布的关键变化点及其影响因素。

研究目标： 1. 对不同煤阶的孔隙结构分布进行系统测量； 2. 记录煤化过程中孔隙尺寸分布变化的关键转折点； 3. 阐释煤化过程对煤孔隙特性的控制机理。

三、研究流程与实验方法

为实现以上研究目标，本研究设计了以下详细流程：

1. 样品采集： 研究选取了来自中国三个典型 CBM 盆地（东准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地东缘和沁水盆地南部）的煤样品。这些样品分别代表低阶煤（Ro 约为 0.5%）、中阶煤（Ro 约为 2.2%）和高阶煤（Ro 约为 3.0%）。

• 样品概况：总共收集了 12 个煤样，按照亮煤、半亮煤、半暗煤和暗煤的宏观煤岩类型分类，每种煤阶各采集 4 个样品。
• 样品埋藏深度：200-400 米；
• 样品预处理：所有样品经过严格包装，按照 GB/T 19222-2003 标准送至实验室进一步处理。

2. 实验方法： （1）常规分析
对样品进行显微组分分析、工业分析和镜质组反射率检测： - 显微组分：抛光后检测 500 点。 - 工业分析：按照 GB/T 212-2001 标准测定灰分、挥发分、含水量及固定碳含量。

（2）低温氮气吸附/脱附实验
实验条件为 77 K，使用 ASAP 2020 比表面积和孔径分析仪： - BET（Brunauer-Emmett-Teller）法确定比表面积； - BJH（Barrett-Joyner-Halenda）法确定孔隙体积和孔径分布。

（3）核磁共振（NMR）实验
通过 NMR 技术测量饱水煤芯的 T2 横向弛豫谱分布，用以反映孔隙结构和孔隙连通性。

（4）扫描电子显微镜（SEM）分析
对样品孔隙类型和形态特征进行观察，深入探讨不同煤阶和煤岩类型对孔隙演化的影响。

3. 数据分析的流程： 数据通过比较不同煤阶的孔隙分布、比表面积和孔体积特性，探索热演化和气体生成过程对孔隙结构的控制作用，同时结合微观结构（SEM）和孔隙连通性（NMR）进行多角度分析。

四、研究结果与具体分析

1. 工业分析与显微组分特性： 实验结果显示： - 随着煤阶增加，含水量显著下降（从 9.72% 降至 0.16%-0.40%）；挥发分也从低阶煤样品的平均 30% 降至高阶煤的 12%。 - 显微组分分析表明，镜质组含量是主导组分（平均占比 78%），惰质组平均占比 21%，脂质组仅在低阶煤中占相对高值（平均 2.8%）。

2. 孔径分布特性（N2 吸附-脱附实验）： - 孔半径随着煤阶增加而减小。低阶煤的平均孔半径为 31.59 nm；中阶煤为 19.64 nm；高阶煤仅为 3.12 nm。 - 不同宏观煤岩类型中，亮煤的平均孔半径较大，而半暗煤和暗煤的孔径最低（仅为 9.50 nm）。
孔径分布表现出不同模式： - 低阶煤样品通常呈双峰分布； - 中阶煤样品为单峰分布； - 高阶煤样品表现为多峰分布，主要集中在小孔范围（1.6-10 nm）。

3. T2 分布特性（NMR 实验）： - 低阶煤大多为双峰分布，亮煤表现为三峰结构，暗煤的孔隙连通性较差； - 中阶煤的分布更加复杂，其中一些样品呈连续双峰分布； - 高阶煤全部表现为单峰分布，其主要峰值在 2 ms 左右，表明以微孔为主。

4. 微观观察及矿物组分影响（SEM 分析）： - 低阶煤的组织孔隙分布广、形状多样，压实程度低； - 中阶煤气体孔隙增多，孔隙形态趋于圆型，同时受黏土矿物阻塞的影响； - 高阶煤的组织孔隙极其扁平化，气体孔隙类型更为多样。

5. 孔隙结构的演化趋势： 数据表明，煤的 Rank（煤阶）与孔隙结构的变化密切相关： - Ro ≈ 0.5%：>100 nm 孔隙显著减少，表明脱水阶段开始； - Ro ≈ 1.2%：10-50 nm 孔隙急剧增加，热解气生成量显著提升； - Ro ≈ 1.9%：>100 nm 孔隙进一步减少，50-100 nm 孔隙明显增加。

五、研究的结论和意义

本研究揭示了随着煤阶增加，孔隙结构和复杂性随之增加的规律，以及不同煤阶煤化过程中的关键变化点： 1. 本研究深化了对不同煤阶微观孔隙分布规律的认识，特别是热演化对储层异质性的影响； 2. 研究的定量数据为评估 CBM 储层性能及资源开发提供了重要参考； 3. 研究框架为进一步探索孔隙结构演化与气体生成关系提供了科学依据。

六、研究亮点

• 首次系统性地识别了煤化过程中孔隙分布的三个关键转折点；
• 提出基于煤阶的微观和宏观孔隙进化模型；
• 应用了多方法交叉验证，包括 N2 吸附、NMR 和 SEM，结合复杂的分形分析，增强了研究结果的准确性。

七、研究的应用价值

本研究在非常规天然气勘探开发、煤储层评价和气体运移模拟中具有重要的理论与实践意义，尤其是针对中国复杂的煤储层特性提供了新的科学数据支持与模型参考。