基于小角 X 射线散射的煤基质孔隙结构可视化模型构建

《Scientific Reports》：Construction of a visualization model for coal matrix pore structure based on small-angle X-ray scattering

　　摘要：煤内部复杂的微观纳米孔结构不仅是气体聚集的场所，而且在决定煤储层宏观传输特性方面也起着关键作用。现有的气体侵入实验难以检测封闭孔，而基于断层扫描技术的传统孔隙模型在构建连通性和真实性方面存在不足。本研究选取了12个变质程度不同的煤样，通过整合理论分析、实验测试和数值模拟开展了系统研究。在实验层面，利用第三代同步辐射小角X射线散射（SAXS）技术和Eiger2探测器获取了高精度数据，并结合低温液氮吸附实验，实现了对煤样表面形貌和孔隙分布的详细表征。在建模层面，引入比例因子并结合随机游走算法和欧拉旋转技术，基于圆柱、圆台和椭球台三种简化几何模型，构建了尺寸为1 μm3的煤三维孔隙结构模型，并生成了相应的孔隙等效图谱。结果表明，纳米级孔隙在煤体中占据重要比例，构成煤孔隙结构的主要特征。煤的这一表面孔隙结构表现出显著的分形特征，显示出其物理结构的自相似性。在去除矿物杂质影响后，孔隙结构数据在双对数（ln-ln）曲线上呈现极高的线性度，决定系数R2介于0.9992至0.9999之间，验证了孔隙表征的高可靠性。此外，通过建立三种基本几何模型中孔径与等效长度的关系，量化了不同煤样内部孔隙的几何参数。所构建三维模型的参数被发现与实际煤中孔隙特征高度吻合。此外，吸附显著影响煤基质的纳米孔参数。最终，所构建的模型从形貌角度深刻揭示了煤极其复杂孔隙结构的物理本质，阐明了孔隙结构特征从根本上决定了气体扩散与运移机理。