μCT技术研究煤的孔隙结构和分形特征

μCT技术研究煤的孔隙结构和分形特征

阎纪伟;要惠芳;李伟;康志勤;冯增朝

【摘要】煤的孔隙结构是影响煤中气体吸附和渗流的一个重要因素。从实现精细化、无损化和定量化入手，应用μCT 225kVFCB型高精度CT试验分析系统，通过显微CT切片，提取研究了4个煤样孔隙分布特征，讨论了煤级、煤显微组分和灰分对煤孔隙结构的影响程度。采用公约数网格序列盒维数法定量表征了孔隙结构的复杂程度和不规则性，探讨了孔隙率、渗透率和分形维数的关系。研究表明，研究煤样的孔隙分布总体受煤显微组分含量控制，同时煤中矿物充填作用在一定程度上降低了煤的孔隙率、平均孔径和孔隙数量。煤孔隙分形维数D的变化与孔隙分布特征密切相关，有效地反映了孔隙结构的非均质性。孔隙率、渗透率与分形维数呈现显著的幂指数正相关关系。由此指示，基于显微CT 切片的煤孔隙分形维数可作为煤储层孔隙特征和渗透性评价的定量指标之一。%Pore structure is one of important factors affecting the gas adsorption and transportation of

coal .The advanced ,nondestructive ,and quantitative characterization of pore distribution for 4 coal samples was obtain ed through a micro‐CT system μCT225kVFCB .The influence of coal rank ,maceral composition and ash content on pore structure was also discussed .The sequence of divisors algorithm of box‐counting method was applied to quantify the complex and irregular pore structure and the relationship between

porosity ,permeability and fractal dimension was explored .The results show that the maceral composition contents control the pore distribution for the coal studied .The mineral‐matter filling also contributes to the reduction of porosity ,the mean pore diameter and pore numbers . The

variation of fractal dimension is closely related to the characteristics of pore distribution ,which effectively reflects the heterogeneity of pore structure .There is a strong positive correlation between

porosity ,permeability and the fractal dimension . Hence ,the fractal dimension of coals obtained by μCT segmentation method can be used as one of the quantitative indexes for evaluation of pore characteristics and permeability of coal reservoir .

【期刊名称】《中国矿业》

【年(卷),期】2015(000)006

【总页数】6页(P151-156)

【关键词】孔隙结构;显微CT;分形维数;盒维数法

【作者】阎纪伟;要惠芳;李伟;康志勤;冯增朝

【作者单位】太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024;太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024;太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024;太原理工大学采矿工艺研究所，山西太原030024;太原理工大学采矿工艺研究所，山西太原030024

【正文语种】中文

【中图分类】P618.11

煤作为一种复杂的地质材料[1]，内部存在大量不规则的、不同尺度的孔隙。这些孔隙影响了煤的物理特性和化学结构，认识和定量刻画煤中的孔隙结构特征对解决煤层气勘探开发和煤与瓦斯突出等实际问题具有十分重要的意义。煤孔隙表征的常

规方法中，压汞法[2-4]和低温氮吸附法[5-6]能间接得出煤的孔体积、比表面积、孔径分布等参数，光学显微镜或扫描电镜[7]可直观地观测煤中孔隙类型、大小等

特征。鉴于煤中孔隙结构的复杂性，为了给出煤中孔隙结构的精确描述，一些先进的分析测试手段如原子力显微镜(AFM)[8]、激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)[9-10]、计算机断层扫描技术(CT)[11]等被逐渐引入。其中CT技术具有动态、定量和无损

伤等测试优点，且对样品无特殊要求。该技术可定量分析煤岩内部孔隙结构的非均质程度，为煤孔隙研究提供了很好的实验平台[12-15]。

自Mandelbrot[16]于1967年提出分形概念以来，其定量表达直观性强、实用化程度高等优点逐步在科学研究和工程应用中显现出来。分形几何学为描述和探索不规则事物变化的复杂性提供了强有力的工具。煤孔隙结构的非均质性较强，很难用传统的欧氏几何理论描述其复杂性和不规则性。前人研究表明多孔介质的分布满足自相似性，符合分形规律[17-19]。分形维数是分形几何的特征参数，能够直观地

表示多孔固体孔隙结构与其物理特性和化学结构的相互关系。然而，目前基于显微CT灰度图像对煤孔隙结构分形特征的研究报道较少。

笔者应用微焦点显微CT图像切片法，结合孔隙分形表征技术，分析了煤中对渗透率影响较大的孔隙(d>1μm)特征，并研究了分形维数与孔隙率和渗透率的关系。

样品均采自渭北煤田韩城矿区石炭-二叠系煤层。按照GB/T 6948-2008使用Leica DM4500P 偏光显微镜测定煤的镜质组最大反射率及显微组分。结果表明，样品煤级和煤岩显微组分范围变化较大(表1)。样品镜质组反射率为1.51%～

1.85%，属焦煤-瘦煤。工业分析和渗透率测定分别遵循GB/T 212-2008与SY/T 5336-2006测定方法，测试结果见表1。煤样渗透率采用ULTRA-PERMTM 200

型仪器进行测定。

CT试验分析系统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型高精度扫描仪，主要部件包括微焦点X光机、数字平板探