【摘 要】
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我国的能源结构主要是以多煤少气为主。山西省晋城无烟煤储量丰富但其渗透性较差,严重制约了煤层气的开发利用。渗透率的好坏主要取决于煤岩的孔裂隙结构。由于煤岩在开采过程中,受地质特征、埋深、多场耦合等因素影响,煤层结构发生了变化,致使煤岩内部微细观孔裂隙结构改变;其中微孔隙主要用于煤层气的储藏,而大孔隙、微裂隙、裂隙是煤层气运移通道。研究煤层结构的空间发育、连通性及分布特性,提高渗透性是煤层气高效开采的
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我国的能源结构主要是以多煤少气为主。山西省晋城无烟煤储量丰富但其渗透性较差,严重制约了煤层气的开发利用。渗透率的好坏主要取决于煤岩的孔裂隙结构。由于煤岩在开采过程中,受地质特征、埋深、多场耦合等因素影响,煤层结构发生了变化,致使煤岩内部微细观孔裂隙结构改变;其中微孔隙主要用于煤层气的储藏,而大孔隙、微裂隙、裂隙是煤层气运移通道。研究煤层结构的空间发育、连通性及分布特性,提高渗透性是煤层气高效开采的关键点。因为煤岩具有多样性和不均匀性,传统煤岩微细观结构的研究方法,如液氮法、压汞法、电镜等在对孔裂隙结构定量研究中存在不足。现利用高精度μCT225k VFCB扫描系统无损检测,基于图像处理术与三维可视化重构技术相结合,弥补了传统研究方法的缺陷。通过开展热解实验,增加煤样内部温度,受温度场作用无烟煤内部微细观结构改变了煤层渗透性。因此,晋城无烟煤在热解作用下煤层孔裂隙结构随温度演化规律研究,对该地区煤层气的开发有重要的意义。本文以晋城无烟煤为研究对象,基于热解和CT扫描试验,利用图像处理技术针对晋城无烟煤CT图像进行了自主编程。在传统图像处理分割算法的基础上,对煤岩CT图像分割算法进行了优化改进。将CV与LBF模型算法优势有效结合,缩短了计算时间,得到了高质量的微细观结构图。运用三维可视化技术对热解无烟煤三维裂隙网络进行了重构,并通过主裂隙面张量建立,研究了三维单裂隙面的空间分布和发育规律。主要试验内容和结论如下:（1）热解无烟煤试验和CT扫描试验采用自发研制的高温气氛炉与高精度CT显微系统相结合,通过循环卡盘固定-高温气氛炉加热-扫描实验过程,以10°C/min升温速率进行加热,设定关键参数值I=75μA,对不同温度下无烟煤试样进行实时扫描,得到七个温度下煤样CT切片图,发现CT图像中含有灰度值较大的矿物,并通过对比七个温度状态下不同位置的切片图像,发现煤样在层理面裂隙扩展较为剧烈;同时在常温和100℃时,CT图像中物质分界灰度值明显。随着温度的升高内部的孔裂隙结构发生变化,物质灰度值发生变化。其中每个试样切片总数为1506张,每张切片图像矩阵大小为2040×2040,存储大小15.8 Mb,格式为“.bin”,灰度值为0-255。（2）煤岩图像分割算法优化基于图像处理,针对热解无烟煤CT图像,自主编程完成了不同温度下无烟煤单层孔裂隙结构识别。利用小波函数对CT图像进行初始化去杂,将CT图像中存在的高阈值物质进行去除。通过graythresh函数求取孔裂隙与煤基质的分割点,并将阈值写入存档表中,同时将阈值进行[0,1]与[0,255]换算;将去杂后的CT图像进行归一化处理。经LGIF模型图像分割算法对热解无烟煤内部孔裂隙结构进行方程式演化。通过改进PDE图像分割算法将CV模型与LBF模型相结合,发现优化后的LGIF模型图像分割算法,改善了原始CV模型演化迭代数,提高了处理效率。不仅能够解决灰度差异性,还解决了LBF对初始位置敏感问题。同时对热解无烟煤图像进行了二次分割,提高了无烟煤内部孔、裂隙的分割精度。实现了热解无烟煤微细观结构的精准分割,清晰地反映了无烟煤细观结构空间分布。（3）热解无烟煤裂隙二维形态参数分析利用图像分析技术,针对热解无烟煤细观结构二维图像,对不同走向角典型裂隙在层理面演化发育规律进行研究分析。发现无烟煤层理初始裂隙形态变化主要为三个阶:第一阶段常温-200℃为裂隙产生段,常温与100°C层理中以孔隙为主;200°C时开始产生不同走向的裂隙;第二阶段200-300℃为裂隙形态发育平缓段;第三阶段300-600℃为形态剧烈发育段,400-600°C裂隙层理方向发育剧烈。在400°C时裂隙几何形态发生转折,是高温段裂隙发育的一个关键温度点。（4）热解无烟煤细观结构三维重构与定量表征煤岩内含有大量不同尺度的裂隙,利用三维可视化软件中等效球体模型对煤样内原有裂隙定量分析结果显示:等效直径Deq<100μm的裂隙数目多,体积小;而等效直径Deq>1000μm的裂隙数目少,但体积都较大;整体连通性较好,建立了孔隙网络模型从而更清楚的观察到孔隙、裂隙的分布情况。
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