煤变质作用的构造物理化学机理实验研究进展

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2024.091

摘要/Abstract

摘要：

煤作为对温度、压力等地质环境条件极敏感的有机岩,地质历史演化过程中各种构造-热事件必然导致煤发生一系列物理、化学、结构和构造变化,物理模拟实验则是揭示煤变质作用机理的重要手段。本文基于煤变质热模拟实验、高温高压模拟实验方面的研究成果,着重对煤变质作用机理、演化进程及煤变质作用模拟实验的应用和发展趋势进行阐述。煤变质作用包含煤化作用和石墨化作用两个阶段,体现为多尺度、多阶段的物理化学结构演化,基本特征趋向于分子结构有序化和化学成分单一化。温度是煤变质的主导因素,而力的作用方式同样约束着煤变质作用。热模拟实验基于“时间-温度补偿原理”,采用开放、半开放和封闭等不同实验体系,模拟不同温压条件和构造-热环境下的热解过程。高温高压模拟实验基于相似性原理,在热模拟基础上加入压力变量,模拟不同温压条件和应力-应变环境,以全面模拟煤在各种构造物理化学条件下所发生的物理化学变化,探究不同温压耦合条件下煤变质作用机理、影响因素与演化途径。煤变质的热模拟及高温高压模拟实验在油气生成、煤储层评价、煤成石墨化及煤中战略性金属元素迁移等多个领域得到广泛应用,今后将朝多学科交叉融合和多场耦合模拟实验方向发展,以期更精确地模拟地层构造作用下的复杂地质条件,为深入探究煤变质作用的构造物理化学机理提供更有效的技术手段。

关键词: 煤变质作用, 构造物理化学机理, 热模拟实验, 高温高压模拟实验

Abstract:

Coal is an organic rock that is highly sensitive to geological conditions such as temperature and pressure.Various tectono-thermal events during geological evolution inevitably result in a series of changes in the physics, chemistry, texture, and structure of coal.Physical simulation experiments are essential to reveal the mechanisms of coal metamorphism.Based on previous thermal simulation experiments and high-temperature, high-pressure simulation studies of coal metamorphism, this paper reviews the previous research on the metamorphism processes, evolutionary stages, applications, and simulation experiments of coal.Coal metamorphism includes coalification and graphitization, which manifest as multi-scale and multi-stage physical and chemical structural evolution.Its basic characteristics involve a progressive simplification of chemical constituents and structural ordering.Temperature is the dominant factor in coal metamorphism, while the mode of force also influences coal metamorphism.The thermal simulation experiment is based on the “time-temperature compensation principle” and utilizes various experimental systems, such as open, semi-open, and closed, to simulate the pyrolysis process under different temperature and pressure conditions, and tectono-thermal environments.According to the principle of similarity, high-temperature and high-pressure experiments include pressure as a variable in addition to thermal simulation.These experiments were conducted under varying temperature and pressure conditions, and stress-strain conditions to comprehensively simulate the physical and chemical changes of coal across different physicochemical environments.The mechanism, influencing factors, and evolutionary pathway of coal metamorphism under different coupling conditions of temperature and pressure have been investigated.Thermal simulation and high-temperature, high-pressure experiments of coal metamorphism have been widely used in various fields such as oil and gas generation, coal reservoir evaluation, coal-forming graphitization, and strategic migration of metal elements in coal.In the future, these experiments will evolve towards multidisciplinary cross-integration and multi-field coupling simulation, aiming to more accurately simulate the complex geological conditions influenced by stratigraphic structure.It provides a more effective technical means for the in-depth exploration of the tectonic-physicochemical mechanisms of coal metamorphism.

Key words: coal metamorphism, tectonic-physicochemical mechanism, thermal simulation experiment, high-temperature and high-pressure simulation experiment

中图分类号:

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图/表 11

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[113]	王敏欣, 师印光, 刘长波, 等. 机器学习模型预测煤热解产物分布研究[J/OL]. 煤炭转化, 2024:1-14[2024-06-14].
[114]	袁瑞甫, 李怀珍. 含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备的研制与应用[J]. 煤炭学报, 2013, 38(增): 117-123.

实验组别	温度(℃)	时间(min)	R_o值
第1组	100	300000	0.25
第2组	150	1500	0.25
第3组	200	60	0.25

实验组别	温度(℃)	时间(min)	R_o值
第1组	100	300000	0.25
第2组	150	1500	0.25
第3组	200	60	0.25

实验者		实验年份		实验样品	实验性质		模拟设备		实验条件				实验成果		资料来源
实验者		实验年份		实验样品	实验性质		模拟设备		温度(℃)		压力		实验成果		资料来源
Solomon等		1978		褐煤、烟煤	热解实验		带加热格栅的自动脱挥发分装置		300~1000		—		煤热解过程中氮的演化机制研究		文献[54]
Burnham等		1987		油页岩	热解实验		Rock-Eval 热解仪		300~600		—		温度对生烃速率的影响及建立有机质演化动力学模型		文献[55]
Nelson等		1991		烟煤、次烟煤	热解实验		流化床反应器		500~1000		—		温度对煤热解中燃料氮向氮氧化物前驱体转化的影响		文献[56]
Zajusz- Zubek等		2003		焦煤	热解实验		马弗炉		400~1000		—		煤热解过程中微量元素的释放动力学机制研究		文献[57]
Behar等		2003		褐煤	热解实验		Rock-Eval 热解仪		200~600		—		比较有水和无水条件下热解实验对褐煤产物组成和产率的影响		文献[58]
侯读杰等		1990		油页岩	热模拟实验		有机岩热解仪		200~550		模拟高压环境		热演化程度对轻烃分布模式的影响		文献[43]
赵炜等		2002		褐煤、烟煤	热解实验		石英玻璃反应器		600~900		—		温度对不同煤级煤热解生成氮化物的影响		文献[59]
王锦平等		2002		烟煤	热解实验		马弗炉		400~1150		—		温度对煤中氯释放与析出的影响		文献[60]
王云鹤等		2002		动力煤	热解实验		管式炉		600~800		—		热解条件对煤中重金属元素分布迁移规律的影响		文献[61]
段钰锋等		2010		烟煤	热解实验		管式炉		200~800		—		温度对煤热解过程中汞析出-吸附特性影响		文献[62]
马中良等		2012		灰色泥岩	生排烃热模拟实验		地层孔隙热压模拟仪		275~500		模拟静岩压力、地层流体压力		对比有限空间和常规高压釜模拟实验对生排烃的影响		文献[63]
魏晓飞等		2012		高砷、锑煤	热解实验		箱式电阻炉		300~1200		—		温度、赋存状态等对煤热解过程中微量元素挥发性影响		文献[49]
杨建业		2013		—	流化床热解实验		—		500~900		—		煤微量元素在不同温度下热解的迁移规律		文献[64]
实验者	实验年份		实验样品			实验性质		模拟设备		实验条件				实验成果		资料来源
实验者	实验年份		实验样品			实验性质		模拟设备		温度(℃)		压力		实验成果		资料来源
魏琴	2018		褐煤			生排烃热模拟实验		DK-II型地层孔隙热压模拟仪		250~375	模拟地层压力、静岩压力			煤岩热演化产物在不同温压下变化规律和地球化学特征		文献[65]
刘宁宁	2022		烟煤			热模拟实验		HXTPWR-II 型成岩成烃温压模拟实验仪		200~500	—			温度对煤中微量元素的赋存特征和含量变化的影响		文献[66]
陈磊等	2022		泥灰岩			生烃热模拟实验		地层孔隙热压模拟仪/高压釜		250~550	模拟地层压力、静岩压力			不同热模拟方式对烃气碳同位素演变特征的影响		文献[67]
Zhao等	2022		中阶烟煤镜惰分离样品			热模拟实验		原位FTIR 光谱/原位XRD		30~500 30~1100	—			基于原位FTIR和XRD研究镜质组和惰质组热解过程中分子结构演化差异		文献[47]
Qin等	2022		低阶褐煤镜惰分离样品			热模拟实验		开放体系实验装置		320~600	大气压环境			煤镜质组与惰质组分子结构演化差异的热模拟实验研究		文献[68]
Chen等	2022		贫煤			高温热模拟实验		NTG-SML-60W 一体化石墨化炉		2100~3000	—			添加二氧化硅矿物的高温热模拟实验对煤结构演化的影响		文献[69]
张旭等	2023		腐殖煤			生烃热模拟实验		高压釜		350~600	模拟地层压力、静岩压力			不同阶段有机质生烃对热解煤有机孔隙发育的影响		文献[70]
Liu等	2023		中-高阶烟煤镜惰分离样品			高温热模拟实验		NTG-SML-60W 一体化石墨化炉		1800~3000	—			镜质组和惰质组石墨化演化特征及差异的高温热模拟实验研究		文献[71]

实验者		实验年份		实验样品	实验性质		模拟设备		实验条件				实验成果		资料来源
实验者		实验年份		实验样品	实验性质		模拟设备		温度(℃)		压力		实验成果		资料来源
Solomon等		1978		褐煤、烟煤	热解实验		带加热格栅的自动脱挥发分装置		300~1000		—		煤热解过程中氮的演化机制研究		文献[54]
Burnham等		1987		油页岩	热解实验		Rock-Eval 热解仪		300~600		—		温度对生烃速率的影响及建立有机质演化动力学模型		文献[55]
Nelson等		1991		烟煤、次烟煤	热解实验		流化床反应器		500~1000		—		温度对煤热解中燃料氮向氮氧化物前驱体转化的影响		文献[56]
Zajusz- Zubek等		2003		焦煤	热解实验		马弗炉		400~1000		—		煤热解过程中微量元素的释放动力学机制研究		文献[57]
Behar等		2003		褐煤	热解实验		Rock-Eval 热解仪		200~600		—		比较有水和无水条件下热解实验对褐煤产物组成和产率的影响		文献[58]
侯读杰等		1990		油页岩	热模拟实验		有机岩热解仪		200~550		模拟高压环境		热演化程度对轻烃分布模式的影响		文献[43]
赵炜等		2002		褐煤、烟煤	热解实验		石英玻璃反应器		600~900		—		温度对不同煤级煤热解生成氮化物的影响		文献[59]
王锦平等		2002		烟煤	热解实验		马弗炉		400~1150		—		温度对煤中氯释放与析出的影响		文献[60]
王云鹤等		2002		动力煤	热解实验		管式炉		600~800		—		热解条件对煤中重金属元素分布迁移规律的影响		文献[61]
段钰锋等		2010		烟煤	热解实验		管式炉		200~800		—		温度对煤热解过程中汞析出-吸附特性影响		文献[62]
马中良等		2012		灰色泥岩	生排烃热模拟实验		地层孔隙热压模拟仪		275~500		模拟静岩压力、地层流体压力		对比有限空间和常规高压釜模拟实验对生排烃的影响		文献[63]
魏晓飞等		2012		高砷、锑煤	热解实验		箱式电阻炉		300~1200		—		温度、赋存状态等对煤热解过程中微量元素挥发性影响		文献[49]
杨建业		2013		—	流化床热解实验		—		500~900		—		煤微量元素在不同温度下热解的迁移规律		文献[64]
实验者	实验年份		实验样品			实验性质		模拟设备		实验条件				实验成果		资料来源
实验者	实验年份		实验样品			实验性质		模拟设备		温度(℃)		压力		实验成果		资料来源
魏琴	2018		褐煤			生排烃热模拟实验		DK-II型地层孔隙热压模拟仪		250~375	模拟地层压力、静岩压力			煤岩热演化产物在不同温压下变化规律和地球化学特征		文献[65]
刘宁宁	2022		烟煤			热模拟实验		HXTPWR-II 型成岩成烃温压模拟实验仪		200~500	—			温度对煤中微量元素的赋存特征和含量变化的影响		文献[66]
陈磊等	2022		泥灰岩			生烃热模拟实验		地层孔隙热压模拟仪/高压釜		250~550	模拟地层压力、静岩压力			不同热模拟方式对烃气碳同位素演变特征的影响		文献[67]
Zhao等	2022		中阶烟煤镜惰分离样品			热模拟实验		原位FTIR 光谱/原位XRD		30~500 30~1100	—			基于原位FTIR和XRD研究镜质组和惰质组热解过程中分子结构演化差异		文献[47]
Qin等	2022		低阶褐煤镜惰分离样品			热模拟实验		开放体系实验装置		320~600	大气压环境			煤镜质组与惰质组分子结构演化差异的热模拟实验研究		文献[68]
Chen等	2022		贫煤			高温热模拟实验		NTG-SML-60W 一体化石墨化炉		2100~3000	—			添加二氧化硅矿物的高温热模拟实验对煤结构演化的影响		文献[69]
张旭等	2023		腐殖煤			生烃热模拟实验		高压釜		350~600	模拟地层压力、静岩压力			不同阶段有机质生烃对热解煤有机孔隙发育的影响		文献[70]
Liu等	2023		中-高阶烟煤镜惰分离样品			高温热模拟实验		NTG-SML-60W 一体化石墨化炉		1800~3000	—			镜质组和惰质组石墨化演化特征及差异的高温热模拟实验研究		文献[71]

实验者	实验年份	实验样品	实验性质		实验条件								实验成果		资料来源
实验者	实验年份	实验样品	实验性质		温度 (℃)		围压 (MPa)		应变量 (%)		应变速率 (s^-1)		实验成果		资料来源
Bustin等	1986	无烟煤	高温高压变形实验		350~500		500~800		5~33		10^-5		高温高压差异应力对R_o的影响		文献[76]
Bustin等	1995	高级无烟煤	高温高压变形实验		400~900		800~1000		5~50		10^-5~10^-6		高温下共轴应力、剪应力对煤石墨化影响		文献[29]
Ross等	1990	高级无烟煤	高温高压变形实验		300~600		500		5~33		10^-4~10^-6		应变能在石墨化进程中的作用		文献[77]
Mastalerz等	1993	低级烟煤、高级无烟煤	静水压力共轴变形实验		400~800 250~600		200~500		0~50		10^-4~10^-6		静水压力对产气影响;共轴变形条件对R_o影响		文献[78]
Wilks等	1993	高级无烟煤	高温高压简单剪切变形实验		600~900		600~1000		0~49		10^-5~10^-6		高温下剪切应力在石墨化中的作用及对R_o的影响		文献[79]
Torre等	1997	褐煤	高压实验		200~350		50~2000		—		—		压力对R_o的影响		文献[80]
周建勋等	1994	中级烟煤、中高级无烟煤	变形实验		50~200		30~75		9		0.5×10^-5~ 4×10^-6		变形等对R_o等的影响		文献[81]
姜波等	1998	中级烟煤- 高级无烟煤	变形实验		200~700		250~650		5~33		10^-4~10^-6		变形对R_o、微观结构和化学结构的影响		文献[82]
金法礼等	1999	中级烟煤、无烟煤	变形实验		200~700		250~650		5~33		10^-5~10^-6		不同温压条件对不同煤级煤变形行为的影响		文献[83]
刘俊来等	2005	中级烟煤、低级无烟煤	变形实验		200~500		200~500		10		5×10^-6		不同温压条件下煤的强度变化		文献[84]
刘高峰等	2011	褐煤-无烟煤	高温高压吸附实验		30~50		0~18		—		—		高温高压三相介质条件对煤吸附瓦斯的影响		文献[85]
侯泉林等	2014	中-高煤级无烟煤	次高温变形实验		70~100		0~30		—		—		煤变形对化学结构、产生甲烷的影响		文献[86]
于立业等	2015	无烟煤	变温变压流变实验		300~400		70~90		—		10^-4~10^-7		温压条件和应变速率对无烟煤流变特征与机制的影响		文献[87]
实验者	实验年份	实验样品		实验性质		实验条件								实验成果		资料来源
实验者	实验年份	实验样品		实验性质		温度 (℃)		围压 (MPa)		应变量 (%)		应变速率 (s^-1)		实验成果		资料来源
肖藏岩	2016	褐煤、气煤		应力-应变实验		50~250		30		—		—		不同温压对煤分子结构演化特征及产气情况的影响		文献[88]
刘杰刚	2018	烟煤		高温高压变形实验		30~400		8~90		15~50		10^-3~10^-6		不同温压对煤的微观变形特征、演化机理和地质控制作用的影响		文献[89]
刘和武	2020	烟煤		高温高压变形实验		100~300		50~100		5~25		10^-4~10^-7		不同温压条件对构造煤脆-韧性变形机理及分子结构演化的影响		文献[90]
刘志飞	2021	中-高阶烟煤、无烟煤镜惰分离样品		高温高压模拟实验		600~1200		1000~2000		—		—		高温高压对不同煤岩组分在石墨化阶段结构演化的影响作用		文献[91]
Liu等	2023	高阶烟煤富惰质组分离样品		高温高压模拟实验		600~1200		1000~2000		—		—		温压协同配合及力对惰质组单一组分石墨化进程的影响作用		文献[92]
陈高健等	2024	中级烟煤		高温高压模拟实验		600~1200		1500~2000		—		—		对比高温条件与高温高压条件下二氧化硅矿物对煤结构演化的影响		文献[93]