煤和乾酪根納米結構特徵、演化機制及油氣地質意義

《煤和乾酪根納米結構特徵、演化機制及油氣地質意義》是依託南京大學，由姚素平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：煤和乾酪根納米結構特徵、演化機制及油氣地質意義
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：姚素平
• 依託單位：南京大學

項目摘要

本項目將以煤和乾酪根結構特徵及成岩演化過程為主線，從納米層次上研究煤層氣和頁岩氣形成和演化的微觀機制。通過納米科技、地球化學、煤地質學和石油地質學等多學科的交叉融合，精細研究煤和乾酪根顯微組分的納米結構特徵，重點解剖有機質聚集態大分子的結構和納米級孔隙結構，揭示不同顯微組分聚集態分子和納米級孔隙的形態、大小、結構及相互間的空間排列特徵，建立不同演化階段煤和乾酪根顯微組分的三維結構模型。闡明煤和乾酪根顯微組分聚集態分子結構的演變機理以及聚集態分子結構演化和油氣形成的關係，揭示油氣形成的內在機制和納米孔隙的成因及成岩演化過程，深入分析納米級分子結構的演化與納米級孔隙結構形成的關係，揭示納米級孔隙中氣體的賦存形式、演化過程中的變化特點及吸附與解吸機理，探討納米孔隙結構對煤層氣和頁岩氣儲層物性的影響機制，為煤和乾酪根結構基礎研究工作拓展新途徑，也為非常規油氣的勘探開發和煤炭的二次轉化提供科學依據。

結題摘要

本項目主要通過原子力顯微鏡、聚離子束－場發射掃描電鏡、高解析度透射電鏡、X－衍射、小角X散射等納米技術手段，對煤和乾酪根顯微組分的納米結構特徵進行了詳細研究，揭示了煤和乾酪根聚集態分子和納米級孔隙的形態、大小、結構及相互間的空間排列特徵，建立了煤和乾酪根的納米結構模型。項目取得的重要成果如下：（1）通過對不同煤級煤的X射線衍射和高解析度透射電鏡分析，揭示了煤大分子堆垛結構特徵。隨著煤的成熟度的增高，芳環數量增多、體積增大，脂環和官能團支鏈減少。面網間距d002由4.2950Å減少為3.4797Å，分子結構有序度增加。堆垛結構在中煤化煙煤階段開始出現。隨著煤的演化，芳香層片長度增加，每個堆垛中芳香層的數量也逐漸增加。芳香層排列從雜亂無章到相互平行發展，最終形成同心狀排列，且出現洋蔥狀結構。（2）利用原子力顯微鏡揭示了顯微組分樹皮體和鏡質體聚集態大分子結構特徵，鏡質體大分子團具有網狀結構的特徵，而類脂組樹皮體大分子團具有纖維狀－顆粒狀和網路狀排列結構。（3）通過AFM和FIB–FESEM技術，揭示了煤、泥頁岩和微體化石中納米孔隙的結構特徵，提出了孔隙類型的成因分類方案。（4）集成了納米技術和計算機技術定量表征煤和泥頁岩納米孔隙特徵，提出了AFM–Gwyddion技術表征煤納米孔隙和SEM–PCAS技術表征泥頁岩納米孔隙的方法，並首次引入了機率熵、形狀係數和分形維數等二維孔隙特徵參數評價煤和泥頁岩的孔隙發育情況。（5）利用AFM–Gwyddion表征技術，揭示了煤納米孔隙的演化機制。煤納米孔隙的演化與煤化作用關係十分密切。第一次和第二次煤化躍變，主要是物理壓縮作用為主，孔隙含量減少，主要發育大孔。第二次和第三次煤化躍變，主要是化學生烴作用產生氣孔，孔隙含量快速增加，主要發育介孔，第四次煤化作用，主要是煤大分子重排，孔隙含量減小，主要發育微孔。（6）通過煤小角X射線散射研究，揭示了不同煤級煤納米孔隙結構分布特徵及其演化規律。煤中納米級孔隙主要集中在2.5~125nm範圍內。隨煤化程度的加深，在煤的低成熟到成熟階段，細介孔增加，中介孔快速增加，粗介孔和大孔快速減少；在高成熟到過成熟階段，細介孔仍然呈相同速率增加，中介孔增速減緩，粗介孔和大孔的減速也減緩。（7）根據煤納米孔隙和堆垛結構的研究，探討了煤的納米結構演化模式。