基于显微CT的不同煤体结构煤三维孔隙精细表征

李 伟,要惠芳,刘鸿福,康志勤,宋晓夏,冯增朝

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西 太原 030024;2.太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原 030024)

基于显微CT的不同煤体结构煤三维孔隙精细表征

李 伟1,要惠芳1,刘鸿福1,康志勤2,宋晓夏1,冯增朝2

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西 太原 030024;2.太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原 030024)

为了定量研究不同煤体结构煤的孔隙连通性和渗透能力的差异性,以渭北煤田韩城矿区为研究区,通过显微CT三维空间分析技术,采用多孔介质三维逾渗理论,开展了不同结构煤的孔隙三维建模分析,实现了对不同煤体结构煤中孔隙分布三维可视化的精细表征。结果表明:构造变形对煤的孔隙结构有深刻的影响;不同变形机制对煤的孔隙度、孔隙团数和最大孔隙团规模有着不同的影响,导致逾渗概率发生明显的变化;三维逾渗概率表明煤孔隙连通性和渗透率随变形程度增加呈现先升后降的变化趋势。碎裂煤孔隙团连通性最好,渗透性最强;糜棱煤孔隙团连通性最差,渗透性最弱。研究认为脆性破坏可促进外生孔和微裂隙的发育程度,加强孔裂隙间的连通性,提升煤岩渗透性;在脆韧性-韧性变形作用下,孔隙、微裂隙、矿物以及煤岩分布的非均质性明显增强,造成孔隙连通性变差,渗透率降低。

孔隙;煤体结构;显微CT;煤层气;逾渗;孔隙团

Key words:pore;coal-body structure;micro-CT;coalbed methane;percolation;pore clusters

煤是对应力和应变非常敏感的一种有机岩石,在构造应力作用下,原生结构煤的物理结构、化学成分等将发生显著的变化,从而形成具有不同结构特征的、不同类型的构造煤[1-4]。研究表明,构造应力改变了原生结构煤的显微构造和孔隙系统,在不同变形机制作用下,构造煤孔隙系统表现出明显的差异性[5-7]。

目前,应用于构造煤孔隙表征的常规方法可分为两类:一类是采用压汞法[8-10]和低温氮吸附法[11-12]间接推断出煤的孔隙结构。然而,这两种方法只能测试到开放的、连通的孔隙,可供信息存在一定的局限性。此外,压汞法必须考虑高压对煤的弹性压缩效应[13-14],实验过程中很有可能会破坏煤的原生孔隙系统;另一类是将煤样制成煤砖或光片,采用光学显微镜或扫描电镜[15]对孔隙进行观测。但这种方法的缺陷在于仅能提供样品某个剖面或表面的孔隙信息,无法认识其空间分布规律。以无损化、定量化、精细化为特点的CT扫描技术可弥补这些不足[16-17]。该技术可再现物体内部的立体结构,灵活直观地进行形态学研究,定量了解煤岩内部孔隙结构的非均质变化程度,为煤岩的微观研究提供了很好的实验平台。

煤体中孔隙数量的多少、分布及连通程度从结构上决定了流体在孔隙中的渗透能力,而逾渗概率(单位体积的多孔介质中最大孔隙团体积所占的比率)反映了多孔介质中流体的运动与扩散现象[18-19],表示了孔隙的连通状态,成为衡量多孔介质渗透率的重要指标[20]。Stauffer和Aharony[21]对单一多孔介质的逾渗机理进行了研究,得出多孔介质渗透性随孤立孔隙团数量的增大而降低;吕兆兴[22]通过对煤体中孔裂隙的三维逾渗概率与渗透性的分析,提出了基于三维逾渗概率的煤细观结构连通性分类方案。

笔者采用CT技术与三维逾渗理论,建立了不同煤体结构煤的孔隙立体模型,定量评价了不同类型构造煤内部大孔级(d＞1μm)孔隙连通性和渗透率的变化特征。

1 实验方法与试样

为揭示原生结构煤和构造煤孔隙结构的差异性,对渭北煤田韩城矿区的3对矿井进行了井下观测和样品系统采集。笔者对4块代表性煤样进行了CT扫描试验。所用扫描仪为太原理工大学和中国工程物理研究院应用电子学研究所共同研制的μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统,主要包括微焦点X光机、探测器、机座和数据采集系统,扫描单元分辨率为0.194 mm/放大倍数。本次实验观测放大比为187倍,即最小孔径分辨率为1μm。CT扫描技术原理见文献[23-24]。按照琚宜文等[25]提出的分类方案,实验样品可分为原生结构煤、碎裂煤、鳞片煤和糜棱煤4类。样品煤岩特征和宏观变形特征见表1。

表1 实验煤样特征Table 1 Features of the experimental samples

选择样品新鲜断面上的镜煤或亮煤条带,构造煤变形强烈时,则选取光泽较亮部分,形态以近圆柱体,大小以高度为6～10 mm、直径约2 mm的颗粒为宜。将手选过的原生结构煤和构造煤在扫描电镜下进行观测,以尽量保证在微观尺度上代表该类煤体结构的特征,其显微结构如图1所示。将代表性试件放置于CT机工作转台的中心位置,并矫正到扫描区域中心位置。显微CT机工作电压为70 kV,电流70μA,试件放大倍数187倍。随后对样品进行扫描,扫描速率为0.9℃/幅(共400幅)。将扫描后的图像进行重建得到二维CT切片。

图1 不同煤体结构煤显微构造Fig.1 Microstructure of coals with different coal-body structure

2 煤样CT三维重构

为获取不同煤体结构煤孔隙的三维空间分布状态,需对煤样进行三维重构,可分为3个步骤:三维数字模型建立;图像二值化及孔隙提取;孔隙团的三维重绘。煤样三维重构的原理是,将CT重建所得的不同切面图按空间坐标位置依序放置在一起。鉴于构造煤结构的非均质性,笔者利用不同煤体结构煤的二维CT重建图像,对每个煤样均选取4个区域进行重构(图2中的A,B,C,D)。每个区域建立好的数字模型大小为350×350×350个像素,真实大小0.35 mm× 0.35 mm×0.35 mm的立方体。不同煤体结构煤的三维结构模型如图3所示,属灰度图像。在灰度图像上,每个像素点的灰度与物体密度相对应,其颜色由黑到白分别表示了不同的密度。煤由空隙(孔隙、裂隙)、矿物和有机组分三元介质组成,其中矿物密度最大,表现为白色;孔隙和裂隙的密度最小,表现为黑色;煤基质密度介于两者之间,表现为灰色。为了获得煤样孔隙分布信息,需对灰度图像进行二值化处理。

图2 煤样三维CT数字模型的提取位置Fig.2 The position sketchmap of 3D data of coal samples

对三维模型做二值化处理,得到只由孔隙和固体骨架构成的数字模型。之后用边长为1个像素大小的小立方体单元代表该像素点所对应的孔隙,统计相互连通的孔隙像素就结合为一个孔隙团,比较这些团的大小并统计其像素数量。为了便于获取不同煤样的逾渗概率,仅对煤样三维CT模型中的最大孔隙团进行了重绘。图4为不同煤体结构煤的最大孔隙团在三维空间中的分布形状。

3 不同煤体结构煤逾渗结果分析

表2列出了不同煤体结构煤三维数字CT模型逾渗概率的计算结果。图4显示出最大孔隙团在不同煤体结构煤中的分布是不同的。原生结构煤逾渗概率变化幅度较大,逾渗概率最小为0.84%,最大值达7.24%。最大孔隙团规模较小,所包含的孔隙像素平均约150万个,虽有时可连通模型两个相对的面,但孔隙团内部呈镂空状,分布比较局限,逾渗概率低,导致孔隙连通性差,渗透性能低。此外,团中孔隙平行分布,显示出煤层面割理方向渗透性优于端割理方位[26];碎裂煤孔隙率增加较快(平均18.26%),孔隙团数急剧下降,造成最大孔隙团规模急剧增大。相比原生煤,最大孔隙团所包含的孔隙像素迅速提升至549～752万个,而且最大孔隙团占据了较大的空间,基本充满了模型的整个区域,均贯通了模型的渗流通道,流体可以从其中的一个面渗透到另一个面,逾渗概率明显升高,造成煤孔隙连通性增大,渗透性升高。鳞片煤孔隙率相比碎裂煤降低,孔隙团数上升,说明封闭孔数量增加。最大孔隙团所含孔隙像素相比碎裂煤平均下降了235万个,规模下降,团内镂空范围加大,样品逾渗概率下降到9.61%,渗透性下降,但孔隙连通性整体较好。此外,孔隙分布似呈现出相互平行的现象,时断时续;糜棱煤孔隙度最低,孔隙团数明显增多,最大孔隙团所含孔隙像素最少,规模最小,在煤样空间中只占有非常小的一块区域,逾渗概率显著下降。据逾渗理论[21],孤立孔隙团数的上升将导致渗透率大幅度降低,孔隙团连通性很差,造成流体难以渗透。

图3 不同煤体结构煤三维结构模型Fig.3 Three-dimensional structure of coalswith different coal-body structure

三维CT重建结果表明构造应力深刻影响了煤的孔隙结构。原生结构煤结构致密,内部孔隙彼此孤立而不相连通,而孔隙与裂隙相连部位可形成较大的孔隙团,逾渗概率也明显提高;在构造应力作用下,煤可发生脆性碎裂作用,形成不规则状的微米级角砾。角砾间相互交叠支撑形成不规则的微裂隙和孔隙。这些微裂隙和孔隙彼此相互连通,造成最大孔隙团规模加大,逾渗概率升高,由此提高了煤储层渗透率。

随着构造作用的增强,煤可发生脆-韧性变形形成鳞片煤。该类构造煤具有一组密集的、平行排列的、薄片状的剪切裂隙。这些显微裂面可将煤中的孔隙与其他构造裂隙相连,造成孔隙分布呈现出相互平行的现象。然而,煤基质在强烈剪切变形作用下可形成磨圆状的细小碎粒。这些碎粒可充填孔隙、裂隙,使最大孔隙团规模下降,孔隙连通空间减少,渗透性下降;糜棱煤由于塑性变形,煤岩混杂,碎粒物质进一步研磨形成泥状、粉末状的糜棱质,常常堵塞孔裂隙。此外,在韧性剪切作用下,裂隙趋于闭合、断续而不连通。在这种变形机制下,孔隙紧密压实、体积缩小、孤立分布,造成孔隙团数的迅速增大,逾渗概率骤降,使气体处于封闭状态,加大了煤与瓦斯突出的可能性。

4 结 论

(1)构造变形作用可以引起煤孔隙结构的变化,不同类型构造煤的孔隙度、孔隙团数、最大孔隙团规模呈现出明显的差异性,导致逾渗概率发生显著变化。脆性变形碎裂煤孔隙度最大,孔隙团数最少,最大孔隙团贯通了模型的渗流通道,逾渗概率最大;韧性变形糜棱煤孔隙度最小,孔隙团数最多,最大孔隙团规模很小,呈雪花片状局限在一个很小的区域内,逾渗概率最小。

(2)三维逾渗理论研究表明脆性变形作用可加大孔裂隙间的连通性,提高煤储层渗透率;韧性变形作用造成煤岩物质重新排列,使孔隙体积缩小,裂隙闭合,连通性弱,导致煤储层渗透能力大大减弱。

图4 煤样最大孔隙团空间分布形状Fig.4 The distribution ofmax pore cluster of coalswith different coal-body structure

表2 不同煤体结构煤三维CT数字模型逾渗概率的计算结果Table 2 The results of 3D percolation of CT samples of coalswith different coal-body structure

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Advanced characterization of three-dimensional pores in coalsw ith different coal-body structure by m icro-CT

LIWei1,YAO Hui-fang1,LIU Hong-fu1,KANG Zhi-qin2,SONG Xiao-xia1,FENG Zeng-chao2

(1.College ofMining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Mining Technology Institute,Taiyuan University ofTechnology,Taiyuan 030024,China)

In order to quantitatively study the difference of pore connectivity and seepage capacity in coalswith different coal-body structure,advanced 3D visualized model of pores for coal sampleswith different structure collected from Hancheng Mine,Weibei coalfield was done using a 3D-modeling technique and applying the theory of porousmedia 3D percolation.The spatial visualization of pores indicates that tectonic deformation has significant influence on coal pore structure.The different deformation mechanisms variously affect the porosity,pore clustersand themax pore cluster,resulting in obvious change in percolation probability.Variation of percolation probability show that pore connectivity and permeability of coals presentan inverse-U-shaped relationship with the increase in tectonic deformation.The cataclastic coal has the best pore connectivity and the highest permeability,while the smallest values for these two parameters occur in mylonitic coal.The study show that brittle failuremay induce the expansion ofmicrofractures and exogenous pores,and thus results in good connectivity and high permeability.The milonitic coal has poor pore connectivity and low permeability due to the uneven distribution of pores,fractures,minerals,and maceral caused by brittle-ductile and ductile deformation effect.

P618.11

A

0253-9993(2014)06-1127-06

李 伟,要惠芳,刘鸿福,等.基于显微CT的不同煤体结构煤三维孔隙精细表征[J].煤炭学报,2014,39(6):1127-1132.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0920

LiWei,Yao Huifang,Liu Hongfu,et al.Advanced characterization of three-dimensional pores in coalswith different coal-body structure by Micro-CT[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1127-1132.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0920

2013-07-01 责任编辑:韩晋平

国家科技重大专项资助项目(2009ZX05062-009,2011ZX05062-009);国家自然科学基金和煤炭联合基金资助项目(U1261102)

李 伟(1987—),男,山西平遥人,博士研究生。E-mail:pingyaoliwei@126.com。通讯作者:要惠芳(1959—),女,山西临汾人,副教授。E-mail:yhf5908@163.com