基于三维重构技术的富油煤热解孔隙结构与渗流特性定量分析及模拟研究

针对富油煤原位热解过程中孔隙结构与渗流特性演化机制不明的问题，研究人员通过CT三维重建技术结合孔隙网络模型(PNM)和渗流模拟，首次引入基于形状因子的非均质性系数，定量揭示了300–600?°C热解温度下孔隙形态重构规律，发现400?°C时非均质性峰值与渗透率阶段性增长（400–500?°C增幅达127%），为优化工业热解参数及提高油气回收效率提供了理论依据。

　　

在全球能源结构转型背景下，煤炭作为高碳资源如何实现绿色低碳利用成为关键科学问题。富油煤（tar-rich coal）因其热解可生成煤焦油和气体资源而备受关注，中国陕北神府矿区的侏罗纪富油煤储量丰富，但传统开采方式面临环境污染与能效低下等挑战。原位热解技术通过地下加热直接转化煤炭资源，可减少地表破坏与碳排放，然而高温热解过程中孔隙结构与流体迁移行为的动态演变机制尚不明确，直接影响热传递效率与产物回收率。现有研究多聚焦整体孔隙率变化，对微观孔隙形态异质性、连通性如何调控渗流特性的认知存在空白。

为解决上述问题，陕西“两链”融合重点项目的科研团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表研究，采用X射线计算机断层扫描(CT)技术对300–600?°C热解后的富油煤样本进行三维重构，创新性提出基于孔隙形状因子（shape factor）的非均质性评价指标，结合分形维数（fractal dimension）与孔隙网络模型(PNM)定量表征孔隙演化规律，并通过渗流模拟揭示流体迁移机制。关键技术包括：1) 高分辨率CT扫描与三维数字岩心重建；2) 基于形状因子的非均质性系数计算；3) 盒计数法分形分析；4) PNM提取与渗透率模拟。

研究结果
热解实验
煤样在300?°C以下仅发生脱水脱气反应，400?°C后焦油产率显著上升，600?°C达峰值8.85%，伴随裂缝网络形成。二维CT图像显示300?°C前孔隙变化微小，400?°C后出现圆柱形孔隙融合。

孔隙非均质性
基于形状因子的新指标显示400?°C时非均质性最高（系数0.38），高温促使孔隙形态均一化。分形维数与孔隙率呈正相关（R2>0.9），表明热解增强孔隙复杂度。

渗流特性
PNM分析表明500?°C时孔隙连通性较室温提升3倍，渗透率在400–500?°C区间增长127%。连通孔隙率与渗透率呈线性关系（R2=0.99），证实高温重构流体通道的有效性。

结论与意义
该研究首次建立形状因子-非均质性-渗流效率的定量关联模型，阐明400?°C为孔隙重构关键节点，高温（>500?°C）通过促进孔隙融合显著提升连通性。成果为富油煤原位热解工艺参数优化（如梯度升温设计）提供理论支撑，对提高煤焦油采收率及降低碳排放具有重要应用价值。