不同变形机制下煤岩纳米级孔隙结构演化过程及其机理

The nanopore structure of coal is the most important reservoir space for Coalbed Methane (CBM), especially for Excess CBM. In different deformational mechanisms (brittle and ductile deformation), the evolutionary process of nanopore structure has a material effect to the occurrence state of CBM. This study chooses the Tectonically Deformed Coal (TDC) of Huainan-Huaibei coal field area as the research samples. We will systematically analyze the evolutional characteristics of macromolecule and nanopore structure of TDC by using modern testing techniques and experiment methods like High-Resolution Transmission Electron Microscope (HRTEM), Atomic Force Microscope (AFM), Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Small Angle X-ray Scattering (SAXS), Low-Temperature Nitrogen Adsorption, Low-Pressure CO2 Adsorption and Isothermal Adsorption/Desorption Method etc. This study tries to analyze ① the evolutionary process of nanopore structure of TDC with different metamorphic grade (middle and high metamorphic grade) under brittle and ductile deformational mechanisms; ② the evolutional mechanism among different pore size with different deformational mechanisms; ③ the effect of nanopore structure with different deformational mechanisms to adsorption/desorption of methane. Furthermore, the occurrence state of methane in evolutionary process of nanopore structure will also be studied. This program not only has theoretical significance to the study of structural deformation, ultrastructure of TDC and occurrence state of CBM, and also has practical value to coal and gas outbursts, exploration and development of CBM.

煤岩纳米级孔隙结构是煤层气尤其是超量煤层气的重要赋存空间，不同变形机制(脆性和韧性变形)纳米级孔隙结构的演化过程对煤层气的赋存状态具有重要的影响。本项目选取两淮地区构造煤为研究对象，通过高分辨透射电镜，原子力显微镜，核磁共振，小角XRD散射，低温液氮，低压二氧化碳及等温吸附解吸等实验对构造煤大分子和纳米级孔隙结构演化特征进行系统的研究，试图分析在脆性变形和韧性变形机制下，不同变质程度(中变质和高变质)的构造煤纳米级孔隙结构的演化过程；系统研究不同变形机制下，煤岩不同孔径纳米级孔隙之间的演化机理；分析不同变形机制纳米级孔隙结构对甲烷吸附解吸的影响，并深入探讨甲烷在纳米级孔隙演化过程中的赋存状态。本项目的研究，不仅在构造变形、煤岩超微结构及超量煤层气的赋存状态方面具有重要的理论意义，而且对构造煤发育区煤与瓦斯突出及煤层气勘探开发方面也具有重要的实际价值。

本项目以两淮煤田为主要研究区，以构造煤储层为主要研究对象，通过高分辨透射电镜、小角X射线散射、低温液氮、低压二氧化碳以及甲烷二氧化碳吸附/解吸等实验，重点研究了不同变形机制下构造煤纳米孔隙结构演化特征和规律，探索了不同变形作用下构造煤纳米级孔隙结构之间的演化机理。揭示了煤岩在不同变形和变质条件下吸附/解吸特征及其制约关系，研究构造煤纳米孔隙吸附/解吸特征及其影响因素，探索煤层气的赋存状态。煤岩纳米孔隙结构是煤层气尤其是超量煤层气的重要赋存空间，不同变形机制（脆性和韧性变形）纳米孔隙结构的演化过程对煤层气的吸附量和赋存状态具有重要的影响。中国含煤盆地大部分经历了复杂的构造作用过程，从变形角度入手，探索煤岩纳米孔隙结构特征及规律、构造煤气体吸附/解吸规律等问题，可能为煤层气的安全利用，预测有利区块等提出一条新的研究思路和研究途径，提供理论依据。通过综合研究，获得了以下主要结论和认识： .（1）不同变形机制下构造煤纳米孔隙结构演化特征及机理研究. 研究表明，韧性变形煤中以亚微孔（2 -5 nm）和极微孔（＜2 nm）为主，开放型小孔隙较多，孔比表面积大；而脆性变形煤中以微孔（5-10 nm）和过渡孔（10-100 nm）为主，封闭孔较多。吸附量与孔隙结构密切相关，韧性变形煤可提供较多的吸附空间。此外，韧性变形作用更易促进不同孔径的孔隙之间发生相互转换。累计比表面积还是孔体积随分形维数的变化趋势主要取决于在孔径分布上有优势的孔隙类型。是由于吸附液体会使孔隙比表面积变平滑，降低表面积，影响到S-D1的关系。因此，不能完全根据分形维数来判断孔隙比表面积大小和粗糙程度，还需要考虑孔径分布情况。.（2）构造煤纳米孔隙吸附/解吸特征及煤层气赋存状态探讨. 煤岩气体强韧性变形煤吸附量>脆性变形煤>弱韧性变形煤>原生结构煤。甲烷的吸附/解吸量会随着颗粒的减小而增加，与孔隙结构密切相关。变形作用可以促进气体的吸附和解吸，减小粒度对煤岩气体吸附的影响。探索了变形作用对煤大分子结构和CH4生成和赋存的影响。推测煤层气除游离、吸附状态以外还可能以侧链、官能团或其他小分子形式存在于次生结构缺陷，位错芳核中。韧性变形作用可以导致结构单元缺陷增加，促使键能较小的含氧基团或醚键发生降解并生成气态小分子。