基于热模拟实验的煤孔隙演化特征及其对深层煤层气开发的启示

针对深层煤层气(CBM)开发中孔隙结构演化机制不清的问题，研究人员通过热模拟实验结合多尺度表征技术（SEM/MIP/SAXS等），揭示了煤孔隙从低成熟度（Ro 0.7%）到高成熟度的动态演变规律，发现微孔比表面积(SSA)呈U型变化、介孔孔径向大尺寸迁移等关键特征，为深层CBM储层评价提供了理论依据。

　　

随着全球清洁能源需求激增，煤层气(CBM)作为战略资源备受关注。中国深层（埋深>1500米）CBM资源量达11.9×10¹² m³，但深层储层高温高压环境导致孔隙结构复杂化，传统浅层开发理论面临挑战。现有研究多采用跨盆地混合煤样，无法排除煤质、矿物含量等干扰因素，且实验系统（如开放热解）难以模拟真实地质条件。为此，山西某科研团队在《Fuel》发表研究，首次通过半封闭热模拟系统(WYMN-3)精准控制温压条件，揭示单一煤样纯变质作用下的孔隙演化规律。

研究采用五维技术联用：扫描电镜(SEM)观察形貌，低温CO₂/N₂吸附测定微/介孔参数，压汞法(MIP)分析大孔，小角X射线散射(SAXS)补充纳米尺度特征。样品取自鄂尔多斯盆地东缘保德区块12#煤（R_o 0.7%），在400-450°C区间模拟不同成熟度。

孔隙形貌特征
SEM显示：低成熟煤(TA-1)以不规则粒间孔为主；中高成熟煤(TA-2/3)出现密集气孔（直径0.5μm）和碎裂孔；高温样品(TA-4)可见黏土矿物充填的晶间孔。证实变质程度升高促使孔隙类型从原生孔向次生孔转变。

多尺度孔隙参数

1. 微孔（<2 nm）：SSA与分形维数呈"先降后升"趋势，R_o 1.4%为拐点，贡献总SSA的76%-89%。
2. 介孔（2-50 nm）：孔径分布峰右移，4-7 nm区间表面分形维数递减，而4-50 nm结构分形维数递增，20 nm以下介孔贡献主要PV。
3. 大孔（>50 nm）：无显著变化规律，但400-450°C时分形维数达峰值。

讨论与意义
该研究首次明确纯变质作用驱动的孔隙非线性演化：微孔重组导致SSA呈U型曲线，介孔扩径反映有机质热裂解效应。深层CBM开发需重点关注R_o 1.4%附近的渗流阈值，而400-450°C模拟条件（对应埋深约3000米）的孔隙参数突变提示工程风险窗口。相比传统混合煤样研究，该成果通过单一样本热模拟剥离了地质干扰因素，建立的孔隙-成熟度模型为深层CBM"甜点区"预测提供了新标尺。

研究团队特别指出，WYMN-3系统模拟的"生烃-排驱耦合"机制更贴近实际，但矿物催化效应仍需后续探究。该成果获国家自然科学基金(42172193)支持，相关技术已应用于鄂尔多斯盆地深层CBM勘探。