煤和干酪根纳米结构特征、演化机制及油气地质意义

本项目将以煤和干酪根结构特征及成岩演化过程为主线，从纳米层次上研究煤层气和页岩气形成和演化的微观机制。通过纳米科技、地球化学、煤地质学和石油地质学等多学科的交叉融合，精细研究煤和干酪根显微组分的纳米结构特征，重点解剖有机质聚集态大分子的结构和纳米级孔隙结构，揭示不同显微组分聚集态分子和纳米级孔隙的形态、大小、结构及相互间的空间排列特征，建立不同演化阶段煤和干酪根显微组分的三维结构模型。阐明煤和干酪根显微组分聚集态分子结构的演变机理以及聚集态分子结构演化和油气形成的关系，揭示油气形成的内在机制和纳米孔隙的成因及成岩演化过程，深入分析纳米级分子结构的演化与纳米级孔隙结构形成的关系，揭示纳米级孔隙中气体的赋存形式、演化过程中的变化特点及吸附与解吸机理，探讨纳米孔隙结构对煤层气和页岩气储层物性的影响机制，为煤和干酪根结构基础研究工作拓展新途径，也为非常规油气的勘探开发和煤炭的二次转化提供科学依据。

本项目主要通过原子力显微镜、聚离子束－场发射扫描电镜、高分辨率透射电镜、X－衍射、小角X散射等纳米技术手段，对煤和干酪根显微组分的纳米结构特征进行了详细研究，揭示了煤和干酪根聚集态分子和纳米级孔隙的形态、大小、结构及相互间的空间排列特征，建立了煤和干酪根的纳米结构模型。项目取得的重要成果如下：（1）通过对不同煤级煤的X射线衍射和高分辨率透射电镜分析，揭示了煤大分子堆垛结构特征。随着煤的成熟度的增高，芳环数量增多、体积增大，脂环和官能团支链减少。面网间距d002由4.2950Å减少为3.4797Å，分子结构有序度增加。堆垛结构在中煤化烟煤阶段开始出现。随着煤的演化，芳香层片长度增加，每个堆垛中芳香层的数量也逐渐增加。芳香层排列从杂乱无章到相互平行发展，最终形成同心状排列，且出现洋葱状结构。（2）利用原子力显微镜揭示了显微组分树皮体和镜质体聚集态大分子结构特征，镜质体大分子团具有网状结构的特征，而类脂组树皮体大分子团具有纤维状－颗粒状和网络状排列结构。（3）通过AFM和FIB–FESEM技术，揭示了煤、泥页岩和微体化石中纳米孔隙的结构特征，提出了孔隙类型的成因分类方案。（4）集成了纳米技术和计算机技术定量表征煤和泥页岩纳米孔隙特征，提出了AFM–Gwyddion技术表征煤纳米孔隙和SEM–PCAS技术表征泥页岩纳米孔隙的方法，并首次引入了概率熵、形状系数和分形维数等二维孔隙特征参数评价煤和泥页岩的孔隙发育情况。（5）利用AFM–Gwyddion表征技术，揭示了煤纳米孔隙的演化机制。煤纳米孔隙的演化与煤化作用关系十分密切。第一次和第二次煤化跃变，主要是物理压缩作用为主，孔隙含量减少，主要发育大孔。第二次和第三次煤化跃变，主要是化学生烃作用产生气孔，孔隙含量快速增加，主要发育介孔，第四次煤化作用，主要是煤大分子重排，孔隙含量减小，主要发育微孔。（6）通过煤小角X射线散射研究，揭示了不同煤级煤纳米孔隙结构分布特征及其演化规律。煤中纳米级孔隙主要集中在2.5~125nm范围内。随煤化程度的加深，在煤的低成熟到成熟阶段，细介孔增加，中介孔快速增加，粗介孔和大孔快速减少；在高成熟到过成熟阶段，细介孔仍然呈相同速率增加，中介孔增速减缓，粗介孔和大孔的减速也减缓。（7）根据煤纳米孔隙和堆垛结构的研究，探讨了煤的纳米结构演化模式。