低渗煤层占中国煤炭资源的80%以上,其中蕴含着巨大的煤层气资源,其孔隙结构特征对煤层气的开发具有重要影响。准确掌握低渗透煤层的孔隙特征,不仅能为煤层气的开采提供理论依据,还能为中国煤层气的勘探与开发提供指导依据。本文以两淮地区刘庄矿13煤和祁东矿7煤为研究对象,采用压汞法、低温液氮吸附法、核磁共振技术以及CT扫描技术,对煤层的孔隙结构进行了综合表征,系统研究了其孔隙结构特征。研究得到的主要成果如下。 (1)刘庄矿13煤和祁东矿7煤的孔隙结构具有明显的差异:刘庄矿13煤的核磁共振测得的孔隙度为21.30%,远高于祁东矿7煤的1.03%;在孔隙结构的组成上,刘庄矿13煤的孔隙结构主要由大孔和微孔组成,大孔孔容占比为36.05%,微孔孔容占比为26.66%,中孔孔容占比为7.88%,小孔孔容占比为29.40%;祁东矿7煤的孔隙结构则以小孔为主,小孔容占比为64.14%,其微孔容占比仅为1.38%,中孔孔容占比为7.75%,大孔孔容占比为39.48%;低温液氮吸附实验结果表明祁东矿7煤微孔比表面积高于刘庄矿13煤,微孔更加发育。 (2)孔隙的拓扑结构和分形研究表明刘庄矿13煤的孔隙分形维数为1.20674,显示出孔隙结构的较高复杂性,孔隙配位数的分布主要集中在较低的数值区,反映出其孔隙的连通性差;相反,祁东矿7煤的孔隙分形维数为1.16330,表明其孔隙结构更为规则,孔隙配位数分布较为广泛,最大值可达61,表明其孔隙间存在较复杂的连接方式,孔隙连通性较好。 (3)三维重建分析表明刘庄矿13煤的孔隙结构较为复杂且具有较高的非均质性,而祁东矿7煤的孔隙结构较为规则,孔隙连通性较好,研究结果揭示刘庄矿13煤的孔隙呈球状分布,孔隙半径集中在较小的范围,孔隙喉道半径从1.02μm到4.34μm,孔隙半径则从5.94μm到17.8μm,孔隙喉道较短,主要集中在14μm到18μm之间;而祁东矿7煤的孔隙呈片状分布,孔隙半径较大,喉道半径从14.6μm到190μm不等,孔隙半径从38.7μm到214μm,孔喉比则从0.203%增加到6.08%。 (4)以刘庄和祁东煤样为对象,综合多种测试手段,实现了从微观到宏观的全尺度孔隙结构表征。通过对比祁东和刘庄样品数据结果,发现各方法在不同孔径尺度的表征上存在差异,使得单一手段难以全面揭示复杂孔隙结构。综合分析则可有效弥补各自局限,构建更完整的孔隙空间模型,提升对孔隙形态、分布及连通性的认识。多种表征技术结合,能够为煤层孔隙结构提供一个全面、精确的全尺度概念地质模型。 图[49]表[13]参[101]