2024, Vol. 36
2. 中国石油天然气集团有限公司 发展计划部, 北京 100007;
3. 中国地质大学（北京）能源学院, 北京 100083
2. Development Planning Department, China National Petroleum Corporation, Beijing 100007, China;
3. School of Energy Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
中国的煤炭资源总量高达5.9×1012 t，其中不具矿井开采技术的千米以深煤炭资源占比约64%[1]。近年来，全球气候威胁以及新的环境政策导致煤炭清洁利用受到广泛关注。煤炭地下气化（Underground Coal Gasification，UCG）作为一种固体流化开采技术，因节省人工、安全生产、节约成本、环境保护以及开发边际煤炭（低品位、深部或极倾斜煤层）潜在价值等优点，具有广阔的应用前景[2-4]。已经有许多国家研讨了UCG业务的可行性，并在部分地区如前苏联Kuznetsk，Donetsk和Angren，北美的Wyoming和Texas，澳大利亚Queensland，加拿大Alberta，南非Majuba以及中国内蒙古等地实现了长期商业运行[2-4]。然而，由于对UCG系统涉及的物理化学过程缺乏全面认识，难以准确评估候选区的技术经济可行性，严重阻碍了UCG商业化进程[2]。气化过程中煤层的机械行为会对气化效果产生显著影响[5-6]，高含水煤层脱水会直接引起气化腔壁的收缩移动[7-8]，干燥裂缝会导致实际反应面积显著增加，同时作为低阻力路径增强气化腔壁的传质能力。此外，裂缝还可以有效增加传热面积，进而影响地层热损失[9]。因此，深入研究干燥煤层孔隙结构与渗流能力的演化特征对于揭示煤层空腔扩展规律、实现气化过程精确建模至关重要。
以往的研究表明，高含水的褐煤干燥前后孔隙结构及渗透率均会发生显著变化[10]。前苏联进行的一项试验发现随着莫斯科郊区褐煤含水量的下降，其渗透率呈上升趋势，该试验分为3个阶段：第一阶段褐煤含水饱和度从最大值下降到20%，渗透率急剧增加数百或数千倍；第二阶段，褐煤的含水饱和度从20% 下降到8%，渗透率增大约9倍；第三阶段，褐煤的含水饱和度从8% 下降到2%，渗透率的增长大于第二阶段，小于第一阶段[11]。Evans[12]通过褐煤的脱水质量及煤视体积预测空孔率，结果显示随褐煤含水量的降低，空孔率呈不均匀变化。Liu等[13]测试了不同含水量褐煤的气水两相渗透率，得出随含水量降低，褐煤渗透率呈不均匀上升趋势的结论。Xin等[14]通过核磁共振实验测得干燥后重新饱水的褐煤微孔及介孔体积减小，且该部分孔隙平均尺寸减小、连通性降低，而煤中的大孔及裂隙体积增加，气测渗透率显著提高；通过X射线断层扫描技术观察不同宏观类型煤岩的干燥裂缝分布，结果显示：①木质煤脱水效率高，可生成分布均匀的裂隙，但裂隙延伸长度小、定向性差；②基质煤脱水效率较低，但能形成延伸的、定向良好的裂缝网络。Liu等[15]通过液氮吸附实验测试了粒度为1~3 mm的煤样随干燥时间延长的孔隙结构演化情况，得出快速干燥可能导致大孔发育，微孔、介孔孔容也相对增加的结论。然而，这些针对多孔介质的三维孔隙结构测试手段大多仅适用于干燥（压汞实验、低温液氮或二氧化碳吸附实验）或饱水（低场核磁共振实验）单一情况，而干燥褐煤重新饱和水后会导致孔隙结构在一定程度上恢复[16]，使得褐煤干燥前后孔隙结构差异的定量表征难以实现，孔裂隙演化模式尚未建立。
通过饱和不同流体（水、煤油）的低场核磁共振实验测试褐煤试样干燥前后的孔隙度与孔径分布，在X-CT技术展示干燥褐煤试样孔隙尺寸与分布位置变化的基础上，建立其孔隙结构演化模式；基于脉冲法渗透率测试与低温液氮吸附实验，结合Fick物质传输模型评估褐煤试样干燥前后的传质能力差异，以期揭示褐煤试样孔隙结构的脱水演化规律，丰富对煤-水相互作用系统的认识，为空腔生长建模提供理论与数据支持。
1 地质概况三塘湖盆地位于新疆巴里坤哈萨克自治县与伊吾县境内，哈萨克斯坦板块边缘，紧靠哈萨克斯坦板块与西伯利亚板块拼接处，东西长约500 km，南北宽40~70 km，面积约为2.3×104 km2，属于聚煤盆地，呈北西—南东向条带状分布。经过海西、印支、燕山、喜山等多期构造运动的复合作用，盆地发育东北冲断隆起带、中央坳陷带和西南逆冲推覆带3个一级构造单元，其中中央凹陷带自东向西依次划分为苏鲁克凹陷、苇北凸起、淖毛湖凹陷、方方梁凸起、马朗凹陷、岔哈泉凸起、条湖凹陷、石头梅凸起、汉水泉凹陷、库木苏凹陷和巴润塔拉凸起等11个二级构造单元（图 1a）[17]。
|
下载原图 图 1 三塘湖盆地理位置及地构造特征（a）及条湖凹陷岩性地层综合柱状图（b） Fig. 1 Location and tectonic features of Santanghu Basin (a) and stratigraphic column of Tiaohu sag (b) |
勘探实践资料显示，三塘湖盆地自下而上依次为上石炭统巴塔玛依内山组（C2b）、哈尔加乌组（C2h）、卡拉岗组（C2k），上二叠统芦草沟组（P2l）和条湖组（P2t），中—上三叠统克拉玛依组（T2k），下侏罗统八道湾子组（J1b）和三工河组（J1s），中侏罗统西山窑组（J2x）和头屯河组（J2t），上侏罗统齐古组（J3q），下白垩统（K1），新近系及第四系等。三塘湖盆地中生代为主要成煤期，三叠系克拉玛依组、侏罗系八道湾组和西山窑组煤层均发育，其中西山窑组（J2x）煤层分布最广，是本文重点研究层段。西山窑组埋深为850~1 300 m，平面上呈“东浅西深”特征；纵向上一般发育4~5套煤层，主力煤层厚度为11.2~14.8 m，连续性好（图 1b），主要分布在三塘湖盆地条湖凹陷东缘。
2 分析测试方法本文设计了低场核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）、X射线断层扫描、脉冲法渗透率测定及低温液氮吸附实验3个测试方法，分别对三塘湖盆地西山窑组褐煤试样干燥前后的孔隙结构，脱水孔隙结构演化模式及传质能力进行分析，进而分析褐煤试样的孔渗特征脱水演化规律，流程如 图 2所示。
|
下载原图 图 2 三塘湖盆地侏罗系西山窑组褐煤储层孔渗特征脱水演化规律分析流程 Fig. 2 Analysis process of dehydration evolution law of lignite reservoirs of Jurassic Xishanyao Formation in Santanghu Basin |
（1）采样及测试褐煤样品基本信息
在图 1所示采样点深度约852 m处采集目标煤层岩心1块，样品呈圆柱状（直径12 cm、高20 cm），由于岩心体积较大，仅通过一块样品的镜下观察结果难以反映岩心的整体情况，因此在岩心上采集了不同宏观煤岩组分的样品进行显微组分鉴定和工业分析。宏观观察结果显示岩心主要由2种煤岩组分组成，故在该岩心上取了2块不同的煤岩组分小块煤样（XE-1、XE-2）抛光，通过反射光显微镜测定煤样抛光面上的平均镜质体反射率（Ro），并统计各显微组分及矿物含量[18]；对2块煤样分别进行工业分析，测试空气干燥基水分、固定碳含量、挥发分以及灰分产率[19]（表 1）。
|
下载CSV 表 1 三塘湖盆地侏罗系西山窑组褐煤样品基本信息 Table 1 Basic information of lignite samples of Jurassic Xishanyao Formation in Santanghu Basin |
（2）通过NMR实验确定褐煤在饱水和干燥状态下的孔隙结构
在采集的岩心上，沿垂直层理面方向，线切割2.5 cm×5.0 cm圆柱作为试样1。为避免散相带来的测试误差，同时降低测试时间，NMR实验通过发射自旋回波序列（CPMG）来接收受检样品的横向弛豫信号。设置90°和180°脉冲宽度分别为5.80 μs和11.12 μs，射频延时0.002 ms，采样频率为200 KHz，回波时间为0.1 ms，回波个数为10 000个。
饱水状态下进行测试。测试开始前使用真空覆压装置对试样1进行饱水处理，设置饱和压力为2 MPa，饱和时间为12 h。通过测试饱水样品的核磁信号量与横向弛豫谱图，确定褐煤饱水状态下的孔隙度与孔径分布。
干燥状态下进行测试。对试样1进行烘干处理（空气吹扫，温度为60 ℃，时长4 h）后，更换饱和流体为煤油（正十二烷），测试褐煤干燥状态下的孔隙参数。已有大量研究验证了通过煤油代替水作为探针测试样品孔隙结构的可行性，通过水、煤油探针测试的页岩或煤的孔隙度误差小于5%[20-22]。此外，选择煤油作为饱和流体可以避免褐煤-水强相互作用导致的孔隙结构恢复，稳定干燥褐煤的孔隙结构[11-12]。
（3）通过X射线断层扫描实验分析褐煤样脱水孔隙结构演化模式
首先，在岩心同一层面的平行位置处，沿垂直层理面方向线切2.5 cm×5.0 cm圆柱作为试样2，取样位置距离试样1约2 cm。分别对试样2进行饱水、干燥处理，并使用X射线断层扫描仪（X-Ray Computed Tomography，X-CT）分别对饱水、干燥状态下的试样进行扫描[23-24]。饱水和干燥的处理方式与NMR实验中饱水和干燥方式一致，扫描方式为步进式，每次旋转角度为0.25°，曝光时间为1 500 ms。
其次，根据空气、水与煤基质的密度差异识别饱水、干燥试样的孔裂隙[25]，通过CT图像处理软件提取试样孔隙结构信息并建立三维模型，对比总结褐煤孔隙结构的脱水演化模式。
（4）通过脉冲衰减法渗透率测试分别测出褐煤样在饱水、干燥状态下的渗透率，并以低温液氮吸附实验分析干燥样的介孔结构
首先，在岩心同一层面的平行位置处，沿垂直层理面方向线切2.5 cm×5.0 cm圆柱作为试样3。分别对试样3进行饱水和干燥处理，处理方式与NMR实验中饱水和干燥方式一致；通过脉冲法覆压孔隙度渗透率仪分别测试该试样在饱水、干燥状态下的气相有效渗透率，设置围压为3.5 MPa[24]。
其次，将完成渗透率测试后的试样3研磨成0.18~0.25 mm的粉煤样，取0.3 g进行抽真空烘干处理，烘干温度为120 ℃、时间为4 h，通过低温液氮吸附实验（Low temperature nitrogen adsorption，LTNA）测试粉煤样的介孔结构信息[26]，并通过Fick物质传输模型评估褐煤储层脱水前后的传质能力。
3 褐煤干燥前后孔隙结构特征NMR实验测试褐煤样品在饱水状态下的横向弛豫时间谱呈三峰分布，峰值分别出现在3.00 ms（PR1），50.00 ms（PR2），800.00 ms（PR3）位置（图 3）。根据弛豫时间与孔隙半径的定量关系可确定煤样的孔径分布：
| $ \frac{1}{T_2}=\rho_2 \frac{S}{V}+\frac{\gamma^2 G^2 D \tau^2}{3} $ | (1) |
| $ r=\alpha \frac{V}{S} $ | (2) |
| $ r=\alpha \rho_2 T_2 $ | (3) |
|
下载原图 图 3 三塘湖盆地侏罗系西山窑组褐煤试样干燥前后的核磁共振横向弛豫（T2）谱 注：PD1，PD2，PD3分别为干燥前3个峰值；PR1，PR2，PR3分别为干燥后的3个峰值。 Fig. 3 NMR transverse(T2)relaxation spectra of lignite samples of Jurassic Xishanyao Formation in Santanghu Basin before and after drying |
式中：T2为弛豫时间，ms；r为半径，cm；D为扩散系数，mm2/s；G为磁场梯度，与磁场强度成正比，mT/m；τ为回波间隔，ms；ρ2为表面弛豫率，μm/ms；S为孔隙表面积，cm2；V为孔隙体积，cm3；α为形状因子；γ为磁旋比，是原子核的特征参数，MHz/T。
通过调整测试参数，选择较小的磁场强度（小于0.12 T）和回波时间（小于2 ms），则式（1）中γ2G2Dτ2/3的贡献可忽略。假设褐煤以圆柱孔为主，α取4，褐煤表面弛豫率通常取5×10-3 μm/ms[27]，参考煤储层孔隙结构分析中常用的孔隙尺寸分类方案，将孔径小于10 nm的孔隙定义为微孔，孔径为10.0~100.0 nm的孔隙为小孔，孔径为100~1 000 nm的孔隙为中孔，孔径大于1 000 nm（1.0 μm）的孔隙为大孔[28]。
通过式（3）计算PR1对应的孔径约为60 nm，属小孔峰；PR2对应的孔径约为1 000 nm，属中孔峰；PR3对应的孔径约为16.0 μm，属大孔或裂隙峰。样品经干燥处理后，饱和煤油试样的3个T2谱峰分别出现在0.15 ms（PD1），30.00 ms（PD2），700.00 ms（PD3）位置，与PR1，PR2和PR3存在对应关系。PD1相较于PR1峰面积显著降低，且峰位置左偏，对应的孔径为3 nm，为微孔，这表明干燥后小孔尺寸减小为微孔，反映脱水过程中因煤-水构型重组导致的孔隙尺寸收缩。PD2相较于PR2同样峰面积降低并左移，对应孔径约为600 nm，表明干燥后中孔可能发生了与小孔类似的变化。然而，PD3相较于PR3峰面积明显增大，峰位置变化小、对应孔隙尺寸约为14.0 μm，表明褐煤干燥后大孔或裂隙发育（图 3）。
通过测试不同体积水、煤油的信号量并绘制拟合曲线，可以确定水、煤油体积与信号量的定量关系，根据此定量关系可进一步确定褐煤试样干燥前后的孔隙度与孔径分布。结果显示：褐煤饱水状时水弛豫信号量、干燥后的煤油弛豫信号量均与孔隙体积呈正相关关系，水信号量-体积曲线的斜率为1 325.9 cm-1，煤油信号量-体积曲线的斜率为1 072.8 cm-3（图 4）。基于此计算出该试样在干燥前（饱和水）、后（饱和煤油）的孔隙度分别为30.97% 与23.64%。为了验证煤油作为饱和流体时核磁测试结果的有效性，实验还测试了干燥后褐煤的氦气孔隙度为22.68%，与饱和煤油样品的测试结果误差为0.96%，验证了结果的可靠性。综合分析认为，褐煤干燥后基质收缩导致总孔隙度降低。
|
下载原图 图 4 三塘湖盆地侏罗系西山窑组褐煤干燥前后弛豫信号量-孔隙体积标定曲线 Fig. 4 Relaxation signal versus volume calibration curves of lignite samples of Jurassic Xishanyao Formation in Santanghu Basin before and after drying |
根据图 4进一步计算孔径分布，结果显示：褐煤试样干燥前后总孔容分别为0.630 cm3/g与0.481 cm3/g（表 2），其中干燥后微孔孔容由0.014 cm3/g增加至0.039 cm3/g，体积分数由2.2% 上升至8.1%；小孔孔容由0.382 cm3/g降低至0.002 cm3/g，体积分数由60.6% 下降至0.4%；中孔孔容由0.163 cm3/g降低至0.016 cm3/g，体积分数由25.9% 下降至3%。这表明在褐煤基质脱水过程中，受毛管力作用导致褐煤小孔与中孔显著收缩，孔隙尺寸与体积均减小，微孔体积增加；大孔孔容由0.072 cm3/g增加至0.424 cm3/g，分析认为基质孔隙收缩产生的拉张应力导致褐煤内部大孔与裂隙的发育，这将显著改善褐煤的渗流与传质能力。
|
|
下载CSV 表 2 三塘湖盆地侏罗系西山窑组褐煤饱水试样与干燥后饱和煤油试样的核磁信号量及孔径分布 Table 2 NMR signal and pore size distribution of lignite samples of Jurassic Xishanyao Formation in Santanghu Basin before and after drying |
三塘湖盆地西山窑组褐煤试样的宏观煤岩类型以基质煤和丝质煤为主[29]，在垂向上根据宏观煤岩类型可划分为A区、B区和C区，分别对应基质煤、丝质煤和基质煤。为了明确褐煤在干燥过程中孔隙结构的连续变化情况，通过X-CT技术对同一试样饱水（含水饱和度为100%）、干燥1 h（含水饱和度为59%）与完全干燥（干燥处理4 h，含水饱和度为0）3种状态进行扫描。结果显示：经饱水处理后试样的CT扫描图像中观察切面仅显示少量裂缝（图 5a）；经1 h干燥处理后，煤基质发生了一定程度的收缩，干燥裂隙主要分布于试样两端且数量较少（图 5b）；经完全干燥后，煤基质收缩明显，裂隙向试样内部扩展，且尺寸增加，在收缩程度较大的A区和C区横向及纵向裂隙发育均更明显，而在收缩程度相对较小的B区孔隙显著增加，裂缝发育则相对较弱（图 5c）。
|
下载原图
图 5 三塘湖盆地侏罗系西山窑组不同干燥程度褐煤试样的CT扫描与显微镜下观察图像
注：ID. 碎屑惰质体；Cl. 黏土矿物；F. 丝质体；Sf. 半丝质体；G. 凝胶腐植体；T. 结构腐植体；D. 碎屑腐植体。 （a）饱水样，CT扫描图像；（b）部分干燥试样，含水饱和度59%，见少量干燥裂缝分布于试样两端，A区和C区煤基质强收缩，B区煤基质弱收缩，CT扫描图像；（c）完全干燥试样，A区和C区煤基质强收缩，B区煤基质弱收缩，裂隙向试样内部扩展，CT扫描图像；（d）图（a）中B区取样光片，木质煤，见大量胞腔孔，显微镜下图像；（e）图（c）中B区取样光片，木质煤，见大量胞腔孔，显微镜下图像；（f）图（a）中C区取样光片，基质煤，凝胶化作用显著，细胞壁膨胀加厚，植物组织结构不可见，显微镜下图像；（g）图（c）中C区取样光片，木质煤，见大量干燥裂隙，显微镜下图像。 Fig. 5 CT scanning and microscope observation images of lignite samples with different drying degrees of Jurassic Xishanyao Formation in Santanghu Basin before and after drying |
在B区和C区分别取丝质煤与基质煤样品进行显微镜下观察，结果显示基质煤显微煤岩组分以凝胶木质体为主，而丝质煤在光片镜下可见大量丝质体、半丝质体（图 5d—5g）。
进一步对比饱水、干燥试样的数字岩心发现，饱水试样中仅提取到少量原生裂隙，且显微组分类型难以区分，分析认为这是由于含水孔隙均匀分布在煤基质中，平衡了不同组分间的密度差异，导致X-CT的分辨能力降低；干燥试样中可观察到大量裂隙发育在亮部（脱水收缩后密度增加的基质煤）边缘或内部，孔隙则主要分布在暗部（密度降低的基质煤）区域（图 6）。
|
下载原图 图 6 三塘湖盆地侏罗系西山窑组褐煤试样干燥前后的X-CT三维孔隙结构 （a）—（e）同一褐煤试样饱水状态的X-CT扫描图，依次为立体图、正视图、俯视图、侧视图和底视图；（f）—（j）图（a）褐煤试样干燥后的X-CT扫描图，依次为立体图、正视图、俯视图、侧视图和底视图。 Fig. 6 Three-dimensional pore structure of lignite samples of Jurassic Xishanyao Formation in Santanghu Basin before and after drying based on CT images |
综合分析可知，基质煤和丝质煤的脱水孔隙结构演化模式具有明显差异。基质煤由于凝胶木质体含量较高而表现出胶体结构特征，随干燥进行，脱水收缩、密度增加、张性裂隙发育，裂缝间交角多为120°。丝质煤富含结构丝质体、半丝质体，同时含部分结构木质体，因植物原生组织结构保留，而具有一定力学强度，其干燥收缩程度弱，在水分脱除后出现大量原生空孔。
5 脱水对煤层传质能力的影响在煤炭地下气化过程中，从气化空腔内壁向煤层温度逐渐降低，气化波及范围内温度小于200 ℃的区域主要发生原煤脱水干燥[30]。根据上文实验结果，脱水干燥会导致煤样的孔隙结构发生显著变化，这会对煤层物质传输与气化反应产生重要影响。因此，准确评估干燥前后褐煤的传质能力差异至关重要。
通过脉冲法分别测试了同一煤试样在饱水和干燥状态下的渗透率，测试结果显示：饱水褐煤孔隙度较大，核磁孔隙度为30.97%，但渗透率仅为0.248 mD；干燥后的褐煤试样孔隙度降低，核磁孔隙度为23.64%，渗透率却显著增加，为48.080 mD。这表明煤样在干燥过程中孔隙收缩的同时，也形成了良好的渗流网络。
由于气化腔运行压力通常大于地层压力，距离气化反应前沿越近，煤层温度就越高，水分蒸发也越快，气相水分子以扩散方式向反应前沿传质。通过低温液氮吸附实验测试干燥褐煤试样的N2吸脱附曲线[31-34]，以此来评估其扩散能力。结果（图 7）显示：试样的吸附等温线呈Ⅱ型，且无滞后现象。通常采用经典的多层吸附模型（B-E-T模型）与B-J-H模型分析吸附曲线，以确定试样的比表面（3.15 m2/g）与孔径分布[35-37]。
|
下载原图 图 7 三塘湖盆地侏罗系西山窑组褐煤试样液氮吸脱附曲线与B-E-T模型拟合 注：P为绝对压力，MPa；P0为饱和蒸汽压，MPa。 Fig. 7 Fitting of liquid nitrogen absorption and desorption curves with B-E-T model of lignite samples of Jurassic Xishanyao Formation in Santanghu Basin |
通过BET模型计算的比表面积为
| $ S_{\text {BET }}=\frac{0.95 N_{\mathrm{A}} \sigma_{\mathrm{m}}}{22\;400 k} $ | (4) |
式中：NA为阿伏伽德罗常数；σm为吸附质分子的截面积，m2，氮气σm通常取1.62×10-19 m2；k为B-E-T模型拟合的斜率。
将干燥褐煤试样的B-J-H孔径分布曲线与核磁共振孔容分布曲线进行对比可知，B-J-H孔径分布曲线上微孔峰孔径为4 nm，与核磁测得PD1峰（位置为3 nm）对应，但PD1峰略左偏，分析认为这可能是由表面弛豫率取值误差导致（图 8）。
|
下载原图 图 8 三塘湖盆地侏罗系西山窑组褐煤试样液氮吸附孔径分布与核磁孔容分布曲线对比 注：PD1，PD2，PD3分别为干燥前NMR实验测出的3个峰值，对应微孔峰、大孔峰和裂隙峰。 Fig. 8 Pore size distribution curves tested by LTNA and NMR of lignite samples of Jurassic Xishanyao Formation in Santanghu Basin |
基于液氮吸附孔径分布校正低场核磁测试结果后，通过Fick物质传输模型分别计算煤样中的微孔、大孔及裂隙的有效扩散系数[34]。Fick物质传输模型根据驱动力和原理差异将扩散行为划分为体扩散（分子扩散）、Knudsen扩散和表面扩散3类，本文重点关注对传质贡献较大的体扩散与Knudsen扩散，扩散系数计算公式为
| $ \frac{1}{D_{\mathrm{eff}}}=\frac{1}{D_{\mathrm{b}}}+\frac{1}{D_{\mathrm{k}}} $ | (5) |
| $ D_{\mathrm{k}}=\frac{2 \bar{r}}{3} \sqrt{\frac{8 R T}{\pi M_{\mathrm{i}}}} \times 10^4 $ | (6) |
| $ D_{\mathrm{b}}=0.001\;01 \frac{T^{\frac{3}{2}}}{P\left(v_{\mathrm{i}}^{\frac{1}{3}}+v_{\mathrm{j}}^{\frac{1}{3}}\right)^2} \sqrt{\frac{0.1}{M_{\mathrm{i}}}+\frac{0.1}{M_{\mathrm{j}}}} $ | (7) |
式中：Deff，Db，Dk分别为有效扩散系数、体扩散系数和努森扩散系数，cm2/s；T为温度，K；vi，vj分别为水蒸气和二氧化碳的分子扩散体积，cm3/mol，vi取值13.1，vj取值26.9；Mi，Mj分别为水蒸气和二氧化碳的摩尔质量，kg/mol，Mi取值0.018，Mj取值0.044；r为介质孔径中位数，cm；R为气体常数，J/（K·mol），取值8.314。
小孔平均孔径通过B-E-T模型计算为17.94 nm，大孔与裂隙的平均孔径由核磁中值孔径代替，分别为1.44 μm和26.66 μm（图 8）。为评估不同注气压力下干燥区煤样的扩散性，计算温度为100~200 ℃、压力分别为0.5 MPa，1.0 MPa，2.0 MPa，3.5 MPa和10.0 MPa时的扩散系数。结果（图 9）表明：①煤样中水分向气化反应前沿的扩散传质主要发生在大孔及裂隙内，如在压力为0.5 MPa、温度为200 ℃时，裂隙与大孔的扩散系数分别为0.095 cm2/s和0.092 cm2/s，远大于微孔扩散系数0.03 cm2/s；②随压力增加，不同尺寸孔隙的传质能力差异变小，同时煤样扩散传质能力显著降低，如在压力为10.0 MPa、温度为200 ℃时，微孔、大孔及裂隙的扩散系数分别为0.004 3 cm2/s，0.004 7 cm2/s，0.004 7 cm2/s，数值较接近，但值较小。因此，气化腔在低压运行过程中，水分由原煤区（干燥区）向氧化区传输较快，煤样中的水可以作为还原剂降低反应前沿的温度，并增加有效气体产率；在高压运行过程中，气化腔与地层压差导致原煤区水分远离空腔渗流，干燥区水蒸气向反应前沿扩散传质较慢，煤样中的水难以被利用，应适当注入还原剂以改善产气效果。
|
下载原图 图 9 三塘湖盆地侏罗系西山窑组褐煤样中不同尺寸孔隙的有效扩散系数与温度、压力的关系 Fig. 9 Relationships of effective diffusion coefficients of pores of different sizes with temperature and pressure in lignite samples of Jurassic Xishanyao Formation in Santanghu Basin |
综上实验结果分析表明，褐煤干燥前后孔隙结构特征发生了显著变化，在煤炭地下气化过程中，这种变化将导致煤层传质、传热性能改变，进而对气化腔生长行为、合成气品质与产量产生重要影响。数值模拟作为空腔形态与产气预测的重要方法，在模型中考虑了煤样干燥对孔隙结构的影响，可以实现对煤样传质行为的准确表达，有助于改善模拟效果，对现场气化工艺参数调整、实现最优控制具有积极意义。此外，干燥脱水对褐煤孔隙结构的显著改善同样值得关注，褐煤干燥后有效渗透率比干燥前高几个数量级，且加热和脱水还会促进溶解气释放与甲烷解吸，可进一步提高煤层气产量。因此，查明脱水对储层物性的影响机理可以有效地应用于煤层改造。
6 结论（1）褐煤孔隙结构干燥演化特征：主要表现为孔隙收缩与裂缝发育，总孔容降低，微孔与大孔体积增大；干燥前褐煤孔隙以小孔为主，体积占比为61%，中孔次之，体积占比为26%，脱水导致孔隙集中，大孔显著增加，体积占比可达88%。
（2）褐煤孔隙结构干燥演化模式：随含水量降低，煤基质逐渐收缩，干燥裂隙在易脱水的褐煤表面形成并逐渐向内部扩展，同时尺寸增加；不同宏观类型煤岩的孔隙结构差异演化，基质煤凝胶化程度高，脱水易收缩，干燥裂隙沿组分边缘或内部大量发育，而木质煤或丝质煤保留植物组织结构，具一定力学强度，脱水收缩程度相对较弱，大量原生孔隙保留、裂缝发育较差。
（3）干燥对褐煤传质能力的正向影响：随着水分脱除，褐煤样的空孔增加，渗流状态由气水两相逐渐转变为单相气流，同时发育良好的裂隙网络，煤样的传质能力得到极大改善，渗透率由0.248 mD增至48.080 mD，扩散传质作用逐渐增强；在温度为100~200 ℃，压力为0.5 MPa时，干燥褐煤样中孔及大孔的扩散系数为0.06~0.09 cm2/s。
| [1] |
王佟, 邵龙义, 夏玉成, 等. 中国煤炭地质研究取得的重大进展与今后的主要研究方向. 中国地质, 2017, 44(2): 242-262. WANG Tong, SHAO Longyi, XIA Yucheng, et al. Major achievements and future research directions of the coal geology in China. Geology in China, 2017, 44(2): 242-262. |
| [2] |
SHAFIROVICH E, VARMA A. Underground coal gasification: A brief review of current status. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 48(17): 7865-7875. |
| [3] |
BHUTTO AW, BAZMI AA, ZAHEDI G. Underground coal gasification: From fundamentals to applications. Progress in Energy and Combustion Science, 2013, 39(1): 189-214. DOI:10.1016/j.pecs.2012.09.004 |
| [4] |
PERKINS G. Underground coal gasification-Part Ⅰ: Field demonstrations and process performance. Progress in Energy and Combustion Science, 2018, 67: 158-187. DOI:10.1016/j.pecs.2018.02.004 |
| [5] |
DAGGUPATI S, MANDAPATI R N, MAHAJANI S M, et al. Laboratory studies on combustion cavity growth in lignite coal blocks in the context of underground coal gasification. Energy, 2010, 35(6): 2374-2386. DOI:10.1016/j.energy.2010.02.015 |
| [6] |
SAMDANI G, AGHALAYAM P, GANESH A, et al. A process model for underground coal gasification-Part Ⅰ: Cavity growth. Fuel, 2016, 181: 690-703. DOI:10.1016/j.fuel.2016.05.020 |
| [7] |
HARLOFF G J. Underground coal gasification cavity growth model. Journal of Energy, 1983, 7(5): 410-415. DOI:10.2514/3.62671 |
| [8] |
PARK K Y, EDGAR T F. Modeling of early cavity growth for underground coal gasification. Industrial & Engineering Chemistry Research, 1987, 26(2): 237-246. |
| [9] |
DINSMOOR B, GALLAND J M, EDGAR T F. The modeling of cavity formation during underground coal gasification. Journal of Petroleum Technology, 1978, 30(5): 695-704. DOI:10.2118/6185-PA |
| [10] |
XIN Fudong, XU Hao, TANG Dazhen, et al. Problems in pore property testing of lignite: Analysis and correction. International Journal of Coal Geology, 2021, 245: 103829. DOI:10.1016/j.coal.2021.103829 |
| [11] |
EVANS D G. Effects of colloidal structure on physical measurements on coals. Fuel, 1973, 52(2): 155-156. DOI:10.1016/0016-2361(73)90043-4 |
| [12] |
EVANS D G. The brown-coal/water system: Part 4. Shrinkage on drying. Fuel, 1973, 52(3): 186-190. DOI:10.1016/0016-2361(73)90077-X |
| [13] |
LIU Shuqin, ZHANG Shangjun, CHEN Feng, et al. Variation of coal permeability under dehydrating and heating: A case study of Ulanqab lignite for underground coal gasification. Energy & Fuels, 2014, 28(11): 6869-6876. |
| [14] |
XIN Fudong, XU Hao, TANG Dazhen, et al. Experimental study on the change of reservoir characteristics of different lithotypes of lignite after dehydration and improvement of seepage capacity. Fuel, 2020, 277: 118196. DOI:10.1016/j.fuel.2020.118196 |
| [15] |
LIU Xiaohong, YU Haiyang, WEI Lubin. Experimental study on the dehydration characteristics and evolution of the physicochemical structure of XilinGol lignite during the dehydration process. Fuel, 2021, 291: 120241. DOI:10.1016/j.fuel.2021.120241 |
| [16] |
姚海鹏, 于东方, 李玲, 等. 内蒙古地区典型煤储层吸附特征. 岩性油气藏, 2021, 33(2): 1-8. YAO Haipeng, YU Dongfang, LI Ling, et al. Adsorption characteristics of typical coal reservoirs in Inner Mongolia. Lithologic Reservoirs, 2021, 33(2): 1-8. |
| [17] |
陈亚军, 荆文波, 宋小勇, 等. 三塘湖盆地马朗凹陷上石炭统沉积岩层地球化学特征及古环境意义. 岩性油气藏, 2021, 33(4): 63-75. CHEN Yajun, JING Wenbo, SONG Xiaoyong, et al. Geochemical characteristics and paleoenvironmental significance of Upper Carboniferous sedimentary strata in Malang Sag, Santanghu Basin. Lithologic Reservoirs, 2021, 33(4): 63-75. |
| [18] |
琚宜文, 姜波, 侯泉林, 等. 华北南部构造煤纳米级孔隙结构演化特征及作用机理. 地质学报, 2005, 79(2): 269-285. JU Yiwen, JIANG Bo, HOU Quanlin, et al. Structural evolution of nano-scale pores of tectonic coals in south ern north China and its mechanism. Acta Geologica Sinica, 2005, 79(2): 269-285. |
| [19] |
余海波. 东濮凹陷构造特征及古生界有利勘探区带评价. 岩性油气藏, 2022, 34(6): 72-79. YU Haibo. Tectonic characteristics and favorable exploration zones of Paleozoic in Dongpu Sag. Lithologic Reservoirs, 2022, 34(6): 72-79. |
| [20] |
XU Hao, TANG Dazhen, CHEN Yanpeng, et al. Effective porosity in lignite using kerosene with low-field nuclear magnetic resonance. Fuel, 2018, 213: 158-163. |
| [21] |
ZHANG Pengfei, LU Shuangfang, LI Junqian, et al. Petrophysical characterization of oil-bearing shales by low-field nuclear magnetic resonance(NMR). Marine and Petroleum Geology, 2018, 89: 775-785. |
| [22] |
全国无损检测标准化技术委员会. 无损检测X射线数字成像检测方法: GB/T 35388—2017[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017. National Technical Committee 56 on Non-destructive Testing of Standardization Administration of China. Non-destructive testing—X-ray digital radiography—Practice: GB/T 35388— 2017[S]. Beijing: Standards Press of China, 2017. |
| [23] |
王崇孝, 田多文, 魏军, 等. 酒泉盆地窟窿山油藏裂缝分布特征. 岩性油气藏, 2008, 20(4): 20-25. WANG Chongxiao, TIAN Duowen, WEI Jun, et al. Fractures distribution characteristics of Kulongshan reservoir in Jiuquan Basin. Lithologic Reservoirs, 2008, 20(4): 20-25. |
| [24] |
全国石油天然气标准化技术委员会. 页岩氦气法孔隙度和脉冲衰减法渗透率的测定: GB/T 34533—2017[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017. National Petroleum and Natural Gas Standardization Technical Committee. Measurement of helium porosity and pulse decay permeability of shale: GB/T 34533—2017[S]. Beijing: Standards Press of China, 2017. |
| [25] |
全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会. 气体吸附BET法测定固态物质比表面积: GB/T 19587—2017[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017. Particle Characterization including Sieving other Sizing Methods and Sieves. Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption using the BET method: GB/T 19587—2017 [S]. Beijing: Standards Press of China, 2017. |
| [26] |
陈振标, 张超谟, 张占松, 等. 利用NMR T2谱分布研究储层岩石孔隙分形结构. 岩性油气藏, 2008, 20(1): 105-110. CHEN Zhenbiao, ZHANG Chaomo, ZHANG Zhansong, et al. Using NMR T2spectrum distribution to study fractal nature of pore structure. Lithologic Reservoirs, 2008, 20(1): 105-110. |
| [27] |
ZHENG Sijian, YAO Yanbin, LIU Dameng, et al. Nuclear magnetic resonance surface relaxivity of coals. International Journal of Coal Geology, 2019, 205: 1-13. |
| [28] |
朱志良, 高小明. 陇东煤田侏罗系煤层气成藏主控因素与模式. 岩性油气藏, 2022, 34(1): 86-94. ZHU Zhiliang, GAO Xiaoming. Main controlling factors and models of Jurassic coalbed methane accumula tion in Longdong coalfield. Lithologic Reservoirs, 2022, 34(1): 86-94. |
| [29] |
THOMAS L. Coal geology. Chichester: John Wiley and Sons, 2020: 538.
|
| [30] |
GREGG D W, EDGAR T F. Underground coal gasification. AIChE Journal, 1978, 24: 753-781. |
| [31] |
何彦庆, 郑丽, 闫长辉, 等. 页岩储层标准等温吸附曲线的建立: 以鄂尔多斯盆地长7页岩储层为例. 岩性油气藏, 2018, 30(3): 92-99. HE Yanqing, ZHENG Li, YAN Changhui, et al. Establishment of standard adsorption isotherms for shale reservoirs: A case of Chang 7 shale reservoir in Ordos Basin. Lithologic Reservoirs, 2018, 30(3): 92-99. |
| [32] |
杨甫, 贺丹, 马东民, 等. 低阶煤储层微观孔隙结构多尺度联合表征. 岩性油气藏, 2020, 32(3): 14-23. YANG Fu, HE Dan, MA Dongmin, et al. Multi-scale joint characterization of micro-pore structure of low-rank coal reservoir. Lithologic Reservoirs, 2020, 32(3): 14-23. |
| [33] |
施雷庭, 赵启明, 任镇宇, 等. 煤岩裂隙形态对渗流能力影响数值模拟研究. 油气藏评价与开发, 2023, 13(4): 424-432. SHI Leiting, ZHAO Qiming, REN Zhenyu, et al. Numerical simulation study on the influence of coal rock fracture morphology on seepage capacity. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2023, 13(4): 424-432. |
| [34] |
马东民, 高正, 陈跃, 等. 不同温度下低、中、高阶煤储层甲烷吸附解吸特征差异. 油气藏评价与开发, 2020, 10(4): 17-24. MA Dongmin, GAO Zheng, CHEN Yue, et al. Differences in methane adsorption and desorption characteristics of low, medium and high rank coal reservoirs at different temperatures. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2020, 10(4): 17-24. |
| [35] |
陈卓, 周萍, 梅炽, 等. 传递过程原理. 长沙: 中南大学出版社, 2011: 433. CHEN Zhuo, ZHOU Ping, MEI Chi, et al. Principle of transfer process. Changsha: Central South University Press, 2011: 433. |
| [36] |
SING K S W, EVERETT D H, HAUL R A W, et al. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity. Pure and Applied Chemistry, 1985, 57: 603-619. |
| [37] |
THOMMES M, KANEKO K, NEIMARK A V, et al. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution(IUPAC Technical Report). Chemistry International, 2015, 87: 1051-1069. |