基于顯微CT的不同煤體結構煤三維孔隙精細表征

李 偉,要惠芳,劉鴻福,康志勤,宋曉夏,馮增朝

(1.太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西 太原 030024;2.太原理工大學采礦工藝研究所,山西太原 030024)

基于顯微CT的不同煤體結構煤三維孔隙精細表征

李 偉1,要惠芳1,劉鴻福1,康志勤2,宋曉夏1,馮增朝2

(1.太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西 太原 030024;2.太原理工大學采礦工藝研究所,山西太原 030024)

為了定量研究不同煤體結構煤的孔隙連通性和滲透能力的差異性,以渭北煤田韓城礦區(qū)為研究區(qū),通過顯微CT三維空間分析技術,采用多孔介質(zhì)三維逾滲理論,開展了不同結構煤的孔隙三維建模分析,實現(xiàn)了對不同煤體結構煤中孔隙分布三維可視化的精細表征。結果表明:構造變形對煤的孔隙結構有深刻的影響;不同變形機制對煤的孔隙度、孔隙團數(shù)和最大孔隙團規(guī)模有著不同的影響,導致逾滲概率發(fā)生明顯的變化;三維逾滲概率表明煤孔隙連通性和滲透率隨變形程度增加呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢。碎裂煤孔隙團連通性最好,滲透性最強;糜棱煤孔隙團連通性最差,滲透性最弱。研究認為脆性破壞可促進外生孔和微裂隙的發(fā)育程度,加強孔裂隙間的連通性,提升煤巖滲透性;在脆韌性-韌性變形作用下,孔隙、微裂隙、礦物以及煤巖分布的非均質(zhì)性明顯增強,造成孔隙連通性變差,滲透率降低。

孔隙;煤體結構;顯微CT;煤層氣;逾滲;孔隙團

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

煤是對應力和應變非常敏感的一種有機巖石,在構造應力作用下,原生結構煤的物理結構、化學成分等將發(fā)生顯著的變化,從而形成具有不同結構特征的、不同類型的構造煤[1-4]。研究表明,構造應力改變了原生結構煤的顯微構造和孔隙系統(tǒng),在不同變形機制作用下,構造煤孔隙系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的差異性[5-7]。

目前,應用于構造煤孔隙表征的常規(guī)方法可分為兩類:一類是采用壓汞法[8-10]和低溫氮吸附法[11-12]間接推斷出煤的孔隙結構。然而,這兩種方法只能測試到開放的、連通的孔隙,可供信息存在一定的局限性。此外,壓汞法必須考慮高壓對煤的彈性壓縮效應[13-14],實驗過程中很有可能會破壞煤的原生孔隙系統(tǒng);另一類是將煤樣制成煤磚或光片,采用光學顯微鏡或掃描電鏡[15]對孔隙進行觀測。但這種方法的缺陷在于僅能提供樣品某個剖面或表面的孔隙信息,無法認識其空間分布規(guī)律。以無損化、定量化、精細化為特點的CT掃描技術可彌補這些不足[16-17]。該技術可再現(xiàn)物體內(nèi)部的立體結構,靈活直觀地進行形態(tài)學研究,定量了解煤巖內(nèi)部孔隙結構的非均質(zhì)變化程度,為煤巖的微觀研究提供了很好的實驗平臺。

煤體中孔隙數(shù)量的多少、分布及連通程度從結構上決定了流體在孔隙中的滲透能力,而逾滲概率(單位體積的多孔介質(zhì)中最大孔隙團體積所占的比率)反映了多孔介質(zhì)中流體的運動與擴散現(xiàn)象[18-19],表示了孔隙的連通狀態(tài),成為衡量多孔介質(zhì)滲透率的重要指標[20]。Stauffer和Aharony[21]對單一多孔介質(zhì)的逾滲機理進行了研究,得出多孔介質(zhì)滲透性隨孤立孔隙團數(shù)量的增大而降低;呂兆興[22]通過對煤體中孔裂隙的三維逾滲概率與滲透性的分析,提出了基于三維逾滲概率的煤細觀結構連通性分類方案。

筆者采用CT技術與三維逾滲理論,建立了不同煤體結構煤的孔隙立體模型,定量評價了不同類型構造煤內(nèi)部大孔級(d＞1μm)孔隙連通性和滲透率的變化特征。

1 實驗方法與試樣

為揭示原生結構煤和構造煤孔隙結構的差異性,對渭北煤田韓城礦區(qū)的3對礦井進行了井下觀測和樣品系統(tǒng)采集。筆者對4塊代表性煤樣進行了CT掃描試驗。所用掃描儀為太原理工大學和中國工程物理研究院應用電子學研究所共同研制的μCT225kVFCB型高精度顯微CT試驗系統(tǒng),主要包括微焦點X光機、探測器、機座和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),掃描單元分辨率為0.194 mm/放大倍數(shù)。本次實驗觀測放大比為187倍,即最小孔徑分辨率為1μm。CT掃描技術原理見文獻[23-24]。按照琚宜文等[25]提出的分類方案,實驗樣品可分為原生結構煤、碎裂煤、鱗片煤和糜棱煤4類。樣品煤巖特征和宏觀變形特征見表1。

表1 實驗煤樣特征Table 1 Features of the experimental samples

選擇樣品新鮮斷面上的鏡煤或亮煤條帶,構造煤變形強烈時,則選取光澤較亮部分,形態(tài)以近圓柱體,大小以高度為6～10 mm、直徑約2 mm的顆粒為宜。將手選過的原生結構煤和構造煤在掃描電鏡下進行觀測,以盡量保證在微觀尺度上代表該類煤體結構的特征,其顯微結構如圖1所示。將代表性試件放置于CT機工作轉臺的中心位置,并矯正到掃描區(qū)域中心位置。顯微CT機工作電壓為70 kV,電流70μA,試件放大倍數(shù)187倍。隨后對樣品進行掃描,掃描速率為0.9℃/幅(共400幅)。將掃描后的圖像進行重建得到二維CT切片。

圖1 不同煤體結構煤顯微構造Fig.1 Microstructure of coals with different coal-body structure

2 煤樣CT三維重構

為獲取不同煤體結構煤孔隙的三維空間分布狀態(tài),需對煤樣進行三維重構,可分為3個步驟:三維數(shù)字模型建立;圖像二值化及孔隙提取;孔隙團的三維重繪。煤樣三維重構的原理是,將CT重建所得的不同切面圖按空間坐標位置依序放置在一起。鑒于構造煤結構的非均質(zhì)性,筆者利用不同煤體結構煤的二維CT重建圖像,對每個煤樣均選取4個區(qū)域進行重構(圖2中的A,B,C,D)。每個區(qū)域建立好的數(shù)字模型大小為350×350×350個像素,真實大小0.35 mm× 0.35 mm×0.35 mm的立方體。不同煤體結構煤的三維結構模型如圖3所示,屬灰度圖像。在灰度圖像上,每個像素點的灰度與物體密度相對應,其顏色由黑到白分別表示了不同的密度。煤由空隙(孔隙、裂隙)、礦物和有機組分三元介質(zhì)組成,其中礦物密度最大,表現(xiàn)為白色;孔隙和裂隙的密度最小,表現(xiàn)為黑色;煤基質(zhì)密度介于兩者之間,表現(xiàn)為灰色。為了獲得煤樣孔隙分布信息,需對灰度圖像進行二值化處理。

圖2 煤樣三維CT數(shù)字模型的提取位置Fig.2 The position sketchmap of 3D data of coal samples

對三維模型做二值化處理,得到只由孔隙和固體骨架構成的數(shù)字模型。之后用邊長為1個像素大小的小立方體單元代表該像素點所對應的孔隙,統(tǒng)計相互連通的孔隙像素就結合為一個孔隙團,比較這些團的大小并統(tǒng)計其像素數(shù)量。為了便于獲取不同煤樣的逾滲概率,僅對煤樣三維CT模型中的最大孔隙團進行了重繪。圖4為不同煤體結構煤的最大孔隙團在三維空間中的分布形狀。

3 不同煤體結構煤逾滲結果分析

表2列出了不同煤體結構煤三維數(shù)字CT模型逾滲概率的計算結果。圖4顯示出最大孔隙團在不同煤體結構煤中的分布是不同的。原生結構煤逾滲概率變化幅度較大,逾滲概率最小為0.84%,最大值達7.24%。最大孔隙團規(guī)模較小,所包含的孔隙像素平均約150萬個,雖有時可連通模型兩個相對的面,但孔隙團內(nèi)部呈鏤空狀,分布比較局限,逾滲概率低,導致孔隙連通性差,滲透性能低。此外,團中孔隙平行分布,顯示出煤層面割理方向滲透性優(yōu)于端割理方位[26];碎裂煤孔隙率增加較快(平均18.26%),孔隙團數(shù)急劇下降,造成最大孔隙團規(guī)模急劇增大。相比原生煤,最大孔隙團所包含的孔隙像素迅速提升至549～752萬個,而且最大孔隙團占據(jù)了較大的空間,基本充滿了模型的整個區(qū)域,均貫通了模型的滲流通道,流體可以從其中的一個面滲透到另一個面,逾滲概率明顯升高,造成煤孔隙連通性增大,滲透性升高。鱗片煤孔隙率相比碎裂煤降低,孔隙團數(shù)上升,說明封閉孔數(shù)量增加。最大孔隙團所含孔隙像素相比碎裂煤平均下降了235萬個,規(guī)模下降,團內(nèi)鏤空范圍加大,樣品逾滲概率下降到9.61%,滲透性下降,但孔隙連通性整體較好。此外,孔隙分布似呈現(xiàn)出相互平行的現(xiàn)象,時斷時續(xù);糜棱煤孔隙度最低,孔隙團數(shù)明顯增多,最大孔隙團所含孔隙像素最少,規(guī)模最小,在煤樣空間中只占有非常小的一塊區(qū)域,逾滲概率顯著下降。據(jù)逾滲理論[21],孤立孔隙團數(shù)的上升將導致滲透率大幅度降低,孔隙團連通性很差,造成流體難以滲透。

圖3 不同煤體結構煤三維結構模型Fig.3 Three-dimensional structure of coalswith different coal-body structure

三維CT重建結果表明構造應力深刻影響了煤的孔隙結構。原生結構煤結構致密,內(nèi)部孔隙彼此孤立而不相連通,而孔隙與裂隙相連部位可形成較大的孔隙團,逾滲概率也明顯提高;在構造應力作用下,煤可發(fā)生脆性碎裂作用,形成不規(guī)則狀的微米級角礫。角礫間相互交疊支撐形成不規(guī)則的微裂隙和孔隙。這些微裂隙和孔隙彼此相互連通,造成最大孔隙團規(guī)模加大,逾滲概率升高,由此提高了煤儲層滲透率。

隨著構造作用的增強,煤可發(fā)生脆-韌性變形形成鱗片煤。該類構造煤具有一組密集的、平行排列的、薄片狀的剪切裂隙。這些顯微裂面可將煤中的孔隙與其他構造裂隙相連,造成孔隙分布呈現(xiàn)出相互平行的現(xiàn)象。然而,煤基質(zhì)在強烈剪切變形作用下可形成磨圓狀的細小碎粒。這些碎?？沙涮羁紫?、裂隙,使最大孔隙團規(guī)模下降,孔隙連通空間減少,滲透性下降;糜棱煤由于塑性變形,煤巖混雜,碎粒物質(zhì)進一步研磨形成泥狀、粉末狀的糜棱質(zhì),常常堵塞孔裂隙。此外,在韌性剪切作用下,裂隙趨于閉合、斷續(xù)而不連通。在這種變形機制下,孔隙緊密壓實、體積縮小、孤立分布,造成孔隙團數(shù)的迅速增大,逾滲概率驟降,使氣體處于封閉狀態(tài),加大了煤與瓦斯突出的可能性。

4 結 論

(1)構造變形作用可以引起煤孔隙結構的變化,不同類型構造煤的孔隙度、孔隙團數(shù)、最大孔隙團規(guī)模呈現(xiàn)出明顯的差異性,導致逾滲概率發(fā)生顯著變化。脆性變形碎裂煤孔隙度最大,孔隙團數(shù)最少,最大孔隙團貫通了模型的滲流通道,逾滲概率最大;韌性變形糜棱煤孔隙度最小,孔隙團數(shù)最多,最大孔隙團規(guī)模很小,呈雪花片狀局限在一個很小的區(qū)域內(nèi),逾滲概率最小。

(2)三維逾滲理論研究表明脆性變形作用可加大孔裂隙間的連通性,提高煤儲層滲透率;韌性變形作用造成煤巖物質(zhì)重新排列,使孔隙體積縮小,裂隙閉合,連通性弱,導致煤儲層滲透能力大大減弱。

圖4 煤樣最大孔隙團空間分布形狀Fig.4 The distribution ofmax pore cluster of coalswith different coal-body structure

表2 不同煤體結構煤三維CT數(shù)字模型逾滲概率的計算結果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 偉,要惠芳,劉鴻福,等.基于顯微CT的不同煤體結構煤三維孔隙精細表征[J].煤炭學報,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 責任編輯:韓晉平

國家科技重大專項資助項目(2009ZX05062-009,2011ZX05062-009);國家自然科學基金和煤炭聯(lián)合基金資助項目(U1261102)

李 偉(1987—),男,山西平遙人,博士研究生。E-mail:pingyaoliwei@126.com。通訊作者:要惠芳(1959—),女,山西臨汾人,副教授。E-mail:yhf5908@163.com