低温高压热作用下亮煤与半暗煤的孔隙结构及化学成分差异演化规律研究

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Study on the evolution rules of pore and chemical structure differences of bright and semi-dull coal under low-temperature and high-pressure thermal action

　　

Hewei Zhang|Jian Shen|Caifang Wu|Xiaojie Fang|Geng Li|Jiuqing Li|Jincheng Zhao

中国矿业大学，教育部煤层气资源与储层形成过程重点实验室，江苏省徐州市，221008，中国

摘要

为阐明低温高压热处理下不同煤岩类型中孔隙化学结构的差异性演化规律，本研究对鄂尔多斯盆地王家岭矿的亮煤和半暗煤进行了程序控温实验（60~180℃，4?MPa N₂）。通过结合LF-NMR、TG/DTG、FTIR和拉曼光谱技术，系统揭示了孔隙结构与化学结构的协同演化机制。研究结果表明，热处理显著改变了孔隙结构，T₂谱图从双峰型转变为多峰型。孔隙演化呈现明显的两个阶段特征：30~90℃阶段为孔隙自我调整期，总孔隙度保持稳定；而120~180℃阶段则为强制剧烈响应期，总孔隙度显著增加，其中亮煤的孔隙度增加了50.6%，远高于半暗煤的28.3%。TG和动力学分析进一步表明，亮煤的热稳定性较差，在高温下的累计重量损失（22%）低于半暗煤（13.5%）。化学分析显示，温度超过120℃后脂肪族结构急剧减少，长链脂肪族烃类及含氧官能团的分支度也显著下降。拉曼光谱表明大分子结构缺陷增加，交联度降低。基于这些发现，本研究提出了热作用下煤孔隙化学结构演化的两阶段动态耦合机制：低温阶段（30~90℃）以弱相互作用解耦和孔隙自我调整为主导；而高温阶段（120~180℃）则是由脂肪族骨架的深度热解驱动孔隙扩张。

引言

煤层气是一种存在于复杂多孔有机岩石——煤中的气体，其储存与运移动力学既受孔隙结构影响，也受化学成分制约[1]。近年来，以热场激发为核心的储层刺激技术（如电加热、热蒸汽/氮气注入等）展现出良好的应用前景[2]，[3]，[4]。热强化方法的关键在于利用热量诱导煤的物理化学变化，这些变化有助于形成和扩大裂隙通道，从而提升煤层的渗透率[4]，[5]。

学者们已经对热处理对煤的物理性质影响进行了大量研究。就宏观物理性质而言，研究表明热处理可显著改变煤的孔隙度、渗透率和力学性能[6]，[7]。例如，高温处理可引发热应力裂隙和矿物分解，形成新的裂隙并连接原有的孔隙系统[8]，[9]。在化学层面，热处理通过一系列关键反应推动煤的转化：脂肪族侧链断裂[10]、脱氧（官能团丢失）以及芳香族缩合[11]，[12]，同时还会释放出挥发分[13]。

研究显示，热处理过程中的温度和压力对孔隙化学结构的演化具有显著的协同作用[14]，[15]。随着温度的升高，孔隙度呈现非单调变化趋势：在200~300℃之前孔隙度略有下降，之后迅速上升，在400~700℃时达到峰值，再在更高温度下再次下降[16]，[17]。煤的热解过程中孔隙度的变化本质上是气泡膨胀与收缩坍塌之间的竞争结果：在中等温度范围（400~700℃）内，脱挥发分作用占主导，气泡生成有助于孔隙扩展；而在更高温度下，挥发分几乎耗尽，此时收缩机制起主导作用[16]，[18]。压力在这一过程中起着关键的调节作用：高压可抑制焦油的生成与释放，使其分子量向较轻组分偏移，同时促进增加轻气产量的副反应，进而降低整体挥发分产量[19]。不过，高压下炭的膨胀率很高（>3?MPa），这意味着加压热解可能会使孔隙度上升[20]，[21]，这有利于改善储层的孔隙结构。这些研究表明，在相同温度条件下提高流体压力有助于在煤中形成更多孔隙和裂隙。

综合上述研究结果及投资回报角度，采用相对较低的熱处理温度（<200℃）与高压相结合的技术方案具有可行性且成本较低。然而，不同煤岩类型（如富含镜质组的亮煤和富含惰质组的半暗煤）在化学成分、反应性、热稳定性和物理结构方面存在显著差异[12]，[22]，[23]，[24]，因此在热刺激作用下可能表现出截然不同的响应。此外，煤的孔隙结构与其化学结构密切相关[25]，[26]，因此需要同时对这两方面展开研究。

目前，关于低温高压条件下煤储层热刺激的研究仍然有限，对于不同煤岩类型中孔隙化学结构演化规律的认识也不够清晰，这限制了高效低成本热刺激技术的精准应用[6]，[27]。基于此，本研究选取鄂尔多斯盆地王家岭矿的亮煤和半暗煤作为研究对象，通过程序控温热处理（高压）实验，并结合低场核磁共振、傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱等多尺度表征技术，旨在阐明低温高压热处理下不同煤岩类型中孔隙化学结构的差异性演化机制，为热刺激增透技术中的煤岩类型匹配和参数优化提供理论依据。

章节节选

样品及其特性

研究所选取的样品来自鄂尔多斯盆地保德区的王家岭矿。为研究热处理后煤的孔隙化学结构的差异性演化规律，本研究选择了该地区常见的亮煤和半暗煤作为研究对象。

根据实验需求，选择了宏观煤岩类型带状分布明显且裂隙较少的块煤作为研究样本

T₂曲线特征

低场核磁共振技术能够定量分析地质样品中的孔隙网络特征和流体分布情况[28]，[29]。通过理论推导，这种分析方法建立了横向弛豫时间（T₂）与有效孔喉尺寸之间的关联关系：$r={\rho }_2{F}_S{T}_2$

在该公式中，F_S是与孔隙形状相关的常数， slit形孔隙为1，圆柱形孔隙为2，球形孔隙为3；ρ₂则表示

结论

• (1)
  低温高压热处理对煤的孔隙化学结构具有明显的阶段性调控作用：
  在30~90℃的自我调整阶段，不同类型的孔隙会相互转化，但总孔隙度保持稳定。而在90~180℃的强制响应阶段，总孔隙度持续显著增加。平均孔径则呈现“先收缩后膨胀”的趋势，亮煤的转折点出现得更早

作者贡献说明

Jincheng Zhao：软件使用、资金获取。 Jiuqing Li：软件使用、资金获取。 Geng Li：初稿撰写、方法设计。 Xiaojie Fang：软件使用、数据整理。 Caifang Wu：可视化处理、方法设计、资金获取。 Jian Shen：可视化处理、资源协调、资金获取、概念构建。 Hewei Zhang：审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、正式分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（U24B2042、42272198、42372182、42302206、42302195）、中央高校基本科研业务费专项基金（2025QN1083）以及教育部煤层气资源与储层形成过程重点实验室（中国矿业大学）（编号2024-013、2025-015）的资助。