煤田地质与勘探

作者：刘统, 焦白卓, 林柏泉, 桑树勋, 杨威, 刘世奇, 刘厅, 李贺, 杨明星,

关键词：甲烷扩散, Kr, 低孔低渗, 煤基质, 纳米孔隙, 原位CT, 4D可视化,

目的和方法甲烷(CH4)在煤层中的扩散性是影响煤层气地面开发和井下瓦斯抽采效果的重要因素，针对煤体内CH4扩散运移过程的可视化表征难题，系统论证Kr和CH4在煤中吸附及扩散行为的相似性，采用高X射线衰减气体Kr作为CH4的替代示踪剂，结合自主搭建的4D原位CT可视化实验系统，实现低孔低渗非均质煤体内气体动态运移过程的透明化观测。进一步基于FIB-SEM重构获得煤基质三维纳米孔隙结构，开展真实纳米孔隙内CH4扩散数值模拟，揭示纳米尺度孔喉结构对气体运移的关键控制作用。结果和结论(1) 低孔低渗煤体内存在广泛分布的低透基质区域，对CH4扩散具有显著阻滞作用。“微裂隙+微纳米孔群”是低透基质区孔裂隙赋存的主要模式，Kr由裂隙向低透基质的扩散运移速率极低，且扩散过程呈现非均匀、阶梯式特征。(2) 低透基质内纳米孔喉狭窄(直径主要<30 nm)、孔隙间的连通性差(配位数3~5)。狭窄孔喉导致CH4浓度曲线突降，且随孔径减小，克努森扩散效应增强，有效扩散系数显著降低，表面扩散贡献率显著提升，7 nm时表面扩散与体扩散系数比值已达0.24，微孔内表面扩散将逐渐成为主导运移机制。(3) 在低透基质复杂的微孔群结构内，气体分子运动受孔壁作用势的约束增强，扩散阻力进一步增大，导致CH4扩散呈现出逐级–缓滞的特性。(4) 未来研究可结合先进4D动态CT技术，开发吸附–解吸–渗流–驱替等多过程耦合的原位CT实验平台，透明刻画和精细表征不同工程扰动应力下煤层甲烷动态扩散规律，以深入揭示煤层气开发和瓦斯抽采过程中CH4的跨尺度运移机制。

来源：2025年第12期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

查看煤田地质与勘探杂志2025年第12期