电加热下褐煤微观结构的演化研究及其工程应用

针对我国低变质煤层开采难度大、成本高的现状，利用电加热法对低变质煤中褐煤的微观结构进行了研究，利用精细显微CT系统分别观察了25℃、300℃、400℃、500℃后褐煤的微观孔隙，利用3D数字岩芯技术建立了三维孔裂隙骨架图，得到高温作用后，试样孔裂隙发育以及孔隙率都得到明显的提升，其中，400℃后，试样热解充分，孔隙发育完全，试样的孔隙率出现陡增，可见，持续高温作用下，有机质热解充分，加快了孔隙的发育。     

高温水蒸汽作用后长焰煤细观结构的显微CT研究

利用显微CT技术研究了不同高温水蒸汽作用下长焰煤试样的细观结构。研究表明:热解温度低于300℃时,自由水及气体的散失造成裂纹的产生,当热解温度高于300℃时,有机质热解形成了相互贯通的裂隙网络,且孔裂隙主要在有机质内形成;热解分为3个阶段,300℃之前煤样缓慢热解,孔裂隙缓慢增加;300～500℃之间为热解加剧阶段,煤样孔隙率增加明显;热解温度高于500℃时,热解最为充分,煤样孔隙率急剧增加;550℃热解温度作用后,煤样的体孔隙率达到32.35%,较25℃下煤样的体孔隙率提高了9.82倍;300℃是热解阈值点,热解温度高于阈值点时,不同层理面发育良好,形成相互贯穿形成了孔隙网络,加快了热解作用,为热解产物提供了运移通道。     

褐煤热损伤过程中的孔裂隙细观特性研究

利用高温气体加热设备,对褐煤进行不同温度的加热处理,通过电镜扫描观察到其表面的破坏形式,利用高精度的CT对试样进行X射线扫描,从宏观方面得到其破坏形式的同时对CT图像进行二值化处理,得到不同温度段褐煤的孔隙率以及裂纹的长度以及宽度。结果表明:温度作用下,褐煤固体颗粒之间产生热应力使得有机质得到热解的现象称为热破裂;热破裂效应在温度高于200℃后作用明显,200℃以下,褐煤孔裂隙演化主要是因为内部自由水及气体散失导致,200℃以后,热破裂占据主导作用,孔裂隙发育增幅变大,孔隙率较常温状态下增加了6.83%;热损伤低温阶段,褐煤破坏以细长裂隙为主,当温度高于200℃后,破坏形式以不规则的椭圆形为主。     

褐煤煤层自燃火灾发展进程中孔隙结构演化特征

为深入研究煤层自燃火灾发展进程中热解干馏区煤孔隙结构的演化对自燃火灾发展和蔓延的影响,以褐煤为研究对象,应用压汞法分别对300～600 ℃常规热解和600 ℃高温蒸气热解条件下热解固体产物的孔隙结构参数进行了测定和分析,计算不同热解温度下的孔隙分形维数,比较了两种不同的热解方式下固体产物的孔隙特性。研究结果表明：① 常规热解过程中,褐煤的总孔隙体积和孔隙率的变化严格受热解温度的控制,而且孔隙结构始终是向着有利于改善煤体渗透性能的方向发展的,进而促进自燃火灾的发展;② 常规热解条件下,随着热解温度的升高,褐煤孔隙比表面积明显下降,对热解气体的吸附性能降低,使这些气体更容易沿着孔裂隙通道离开热解干馏区而到达自燃火源位置;③ 对于水分含量比较高的褐煤,煤体温度的升高使煤中水分蒸发而形成高温蒸气热解的条件,与常规热解相比,煤体孔隙率更大,渗透性能更强;④ 经过高温蒸气热解后,褐煤孔隙拓扑结构较常规热解变得更加均匀化,孔隙表面也更加光滑,更有利于热解气体的流动。     

不同温度作用下油页岩内部孔隙结构精细表征

利用显微CT试验分析系统和压汞仪,对取自抚顺西露天矿的油页岩试样经过高温作用热解后的孔隙结构进行度量表征,得出:(1)300～600℃温度段是抚顺油页岩内部有机质热解的主要阶段;(2)在显微CT能分辨的孔隙尺度(1.94μm)范围内,油页岩的孔隙不发育;在压汞法测定的孔隙尺度(7nm～1.94μm)范围内,油页岩的孔隙较为发育。高温作用后,油页岩内部的有机质不断发生热解,各孔径阶段的孔隙不断形成,孔隙结构也在发生变化,各孔径阶段的孔隙逐渐连通,超大孔(1.94μm)和中孔(0.1～1μm)的孔隙率逐渐增大,小孔(0.01～0.1μm)和微孔(0.01μm)的孔隙率也基本处于增大的状态,为油气物质的产出提供通道。     

不同温度下油页岩热解及孔隙特征实验研究：以抚顺样品为例

利用马弗炉和热重分析仪对抚顺油页岩的热解特性进行分析,实验结果:300～600℃为抚顺油页岩的主要失重阶段,失重率约为20%。利用显微CT对高温作用后的油页岩样进行实验研究,结果显示:经过高温作用后,油页岩内部的孔隙和裂隙数目显著增多,但孔隙率值升高幅度小,表明大孔不发育,且孔隙大多处于孤立分布的状态,孔隙间相互连通性差,逾渗概率值较小,因此在开采初期应该采用水力压裂等方法提高其渗透性。     

高低温循环冲击作用下砂岩孔裂隙结构的演化特征

我国煤系气储量丰富，但煤系气藏复杂的地质条件使得对单一含气系统的开采成本高、效率低，对多种含气系统难以合层共采。如何提高煤系储层的渗透性与兼容性是开发煤系气的关键问题。为探讨改善煤系储层结构的有效方法，研究了在高温200℃、低温-196℃循环冲击作用下煤层顶板砂岩孔裂隙的演化特征，使用工业显微CT对高低温冲击作用前后砂岩试样孔裂隙的发育过程进行了表征。利用数字图像和三维重构技术，对冲击前后试样的CT数据进行了滤波和均值化等处理，定性和定量分析了0、1、5、10、15次高低温度冲击后砂岩孔裂隙体积、表面积、孔隙率和孔裂隙分布复杂度分形维数的变化。研究结果表明：(1)高低温循环冲击促使砂岩试样孔裂隙发育、扩展、连通和次生裂隙的萌生，冲击作用有助于微小孔裂隙扩展形成较大的宏观裂隙。(2)砂岩孔裂隙体积、表面积、孔隙率和孔裂隙分布复杂度分形维数随温度冲击次数的增加呈对数规律变化，其增长幅度呈先增大后减小的趋势，在第5次冲击作用后其面积和孔隙率增幅达到最大，分别为15.48%,20.98%。(3)高低温循环冲击作用减弱了砂岩基体间的束缚力，打破了其原有的静态平衡，试样孔隙率随扫描层数的变化曲线演...     

深井温湿环境下泥页岩力学特性及微观孔隙结构演化机制

微观孔隙结构对页岩油气藏的勘探利用具有重要意义。以松科二井深层泥页岩试样作为研究对象，进行了热、液作用下的泥页岩力学特性和孔隙变化研究。采用场发射扫描电镜（SEM）、高压压汞、CT扫描等实验方法，对饱和和加热处理的泥页岩进行了微观孔隙特征对比研究。结果表明：该泥页岩试样主要孔隙类型包括微裂隙、粒间孔、粒内孔等，其中发育较多的微纳米缝，主要尺寸区间为20~400 nm；饱和湿度、高温加热均会降低泥页岩的孔容、孔隙率以及渗透率，且温度越高影响越明显，饱和试样纳米级孔隙收缩减小，1~35 μm占比增多，大于35 μm孔隙占比减少，内部宏观裂缝被吸水膨胀矿物填充；加热试样纳米级孔隙向两侧开裂，40~100 nm孔隙转化为数百纳米甚至微米级孔隙，1~50 μm孔隙占比增加，内部宽大裂缝被填充形成细小圆孔裂缝。同时借助计算机软件对CT扫描所获取的泥页岩样品进行三维孔隙模型的重建，以提供更加清晰、逼真的立体化展示和对泥页岩表面及内部微观孔隙进行定量研究。     

煤的热解破裂过程——孔裂隙演化的显微CT细观特征

利用μCT225FCB型高精度工业CT试验机进行了不同温度下褐煤、气煤细观结构演化的显微CT试验,发现煤在低温阶段（<300 ℃）,由于煤中水分和自由气体的散失而产生大量裂纹;在高温阶段（>300 ℃）,有机质的热解导致煤中大量孔隙裂隙的形成,煤的这种产生孔隙裂隙的方式与无机岩石（如花岗岩、砂岩等）明显不同,称这种因热解作用导致煤等一类富含有机质的岩石发生破坏的现象为热解破裂。与无机岩石的热破裂过程相比,煤的热解破裂在破裂机理、裂纹起始位置、裂纹形态方面具有显著的独特性。煤热解破裂过程中,当温度低于300 ℃时因煤中自由水和自由气体的散失而形成以细长裂纹为主的孔隙裂隙系统;当温度高于300 ℃时因煤中热解产物的逸出而形成以圆形或椭圆形孔洞为主的孔隙裂隙系统。300 ℃前新生裂隙不仅起始于煤中的硬质颗粒之间,更普遍的起始于有机质中;300 ℃后孔隙裂隙的形成主要起始于有机质内。     

热冲击下花岗岩的细观变化规律

为了分析花岗岩在热冲击作用下的细观破坏特征及孔隙率变化规律,基于太原理工大学原位改性采矿实验室研发的热冲击试验平台对花岗岩进行不同温度的热冲击试验,采用高精度显微CT扫描系统对热冲击后的花岗岩进行扫描,并利用自制的CT图像分析系统对扫描得到的图层作二值化处理,然后进行三维重建,最终得到花岗岩立方体的数字模型。通过从数字模型提取其孔隙、裂隙的图像,同时计算不同温度热冲击下花岗岩的孔隙率,从而得到花岗岩的热冲击破坏规律。研究结果表明,花岗岩的热冲击作用随加热温度升高而明显变化,随着加热温度的升高,花岗岩表面裂隙逐渐发育,孔隙率变大;花岗岩热冲击破坏的温度阈值为400℃,当花岗岩试件热冲击温度为300℃时,岩芯内部孔隙有所增加,但孔隙并未连通形成裂隙;当热冲击温度为400℃时,岩芯内孔隙明显增大,并开始出现裂隙;当热冲击温度为500℃时,孔隙开始贯通形成裂隙,并急剧发育。此外,研究还发现,热冲击作用下,花岗岩在热破裂过程中发生不均匀热破裂,且破坏首先发生在岩石的表面。