多阶煤孔隙结构与气体渗透改性实验研究：溶剂萃取剂对煤阶特异性作用机制解析

本研究针对低渗透煤层气(CBM)开采难题，创新性采用N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和四氢呋喃(THF)对不同煤阶(褐煤、烟煤、无烟煤)进行多尺度改性实验，揭示溶剂极性-煤阶协同作用规律：高极性NMP优先溶解低阶煤矿物杂质使比表面积(SSA)降低21.78-44.61%，而低极性THF引发无烟煤有机基质侵蚀致SSA暴增25.89倍，通过晶格玻尔兹曼(LBM)模拟证实渗透率最高提升207.95%，为煤层气高效开采提供理论依据。

　　

在全球能源结构转型背景下，煤层气(CBM)作为重要的清洁能源，其260万亿立方米的储量蕴藏着巨大开发潜力。然而深部煤层普遍存在的低渗透率、裂缝连通性差等问题，严重制约着煤层气的高效开采。传统水力压裂技术虽能改善渗透性，却面临耗水量大、裂缝通道堵塞等瓶颈。更棘手的是，不同煤阶（从褐煤到无烟煤）的矿物成分与有机质密度存在显著差异，亟需建立煤阶特异性的渗透率提升方案。

山东科技大学的研究团队在《Powder Technology》发表的研究中，创新性地采用化学溶剂改性策略，系统探究了N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和四氢呋喃(THF)对三种煤阶样品的多尺度改造效应。通过扫描电镜(SEM)、比表面积分析(BET)、压汞法(MIP)等表征手段结合晶格玻尔兹曼方法(LBM)模拟，首次揭示了溶剂极性-煤阶的协同作用规律：高极性NMP对低阶煤的矿物杂质具有选择性溶解作用，而低极性THF则能有效侵蚀高阶煤的致密有机基质。这种"对症下药"的改性策略，为破解煤层气开采的煤阶适应性难题提供了新思路。

研究团队选取山东龙口褐煤、枣庄烟煤和河南城郊无烟煤建立跨煤阶样本队列，通过溶剂浸泡实验结合多尺度表征技术开展研究。关键创新在于采用LBM模拟重构三维孔隙网络，定量解析流体运移规律。质量损失测试显示溶剂处理9小时内出现快速萃取阶段，SEM观察到楔形孔和蜂窝状孔等新型孔隙构型。BET数据表明NMP处理使褐煤比表面积(SSA)降低44.61%，而THF使无烟煤SSA激增25.89倍。压汞测试显示大孔体积最高增加36%，LBM模拟证实渗透率提升幅度达7.44-207.95%，且流速分布呈现多峰特征。

在"孔隙结构演化"部分，研究发现溶剂处理引发煤体表面粗糙度显著增加，形成特征性的楔形孔隙和蜂窝状孔隙网络。这种形态重构具有明显的煤阶依赖性：低阶煤因矿物溶解产生"去杂质化"效应，而高阶煤则发生有机基质的"解聚重组"。通过分形维数分析证实，处理后孔隙网络复杂度降低0.23-2.07%，表明溶剂作用简化了气体传输路径。

"渗透率增强机制"章节揭示了溶剂改性的双重作用：NMP通过溶解碳酸盐等矿物杂质打通被堵塞的孔隙喉道，THF则通过溶胀作用激活闭合孔隙。LBM模拟直观显示处理后主流通道向下游迁移，形成更均匀的流速分布。特别值得注意的是，渗透率提升效果与煤阶呈现非线性关系，烟煤表现出最佳的改性响应窗口。

该研究建立了"溶剂-煤阶适配性"理论框架，证明高极性溶剂适用于矿物富集的低阶煤，而低极性溶剂更适合改造有机质致密的高阶煤。这种靶向改性策略突破了传统水力压裂的局限性，为煤层气开发提供了可定制的化学增强方案。研究揭示的孔隙形态重构规律和渗透率增强机制，不仅对煤层气开采具有直接指导价值，也为非常规天然气储层改造提供了新的技术路径。