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超临界CO2-H2O对煤储层物性的影响机理

沁水盆地深部无烟煤储层CO₂地质存储与煤层气强化开发（CO₂-ECBM）应用前景广阔。在超临界CO₂和地层水的双重作用下，煤中有机组成和无机矿物赋存特征的改变可导致煤物理化学结构的变化，影响CO₂-ECBM的有效性。实验模拟超临界CO₂注入深部煤层过程中的矿物地球化学作用过程，结合X射线衍射、X射线荧光光谱、扫描电镜、场发射扫描电镜、电感耦合等离子体发射光谱仪、压汞、液氮吸附、CO₂吸附、核磁共振、电子计算机断层扫描等多种测试分析方法，研究煤中矿物地球化学反应机理和煤储层孔渗变化规律。实验结果表明超临界CO₂-H₂O作用可新增/扩大孔隙与裂隙，导致孔隙度、孔容、比表面积和渗透率均有提高，且随埋深的增加而增大。煤的孔径分布虽未改变，但反应后微孔孔容增量最大，而宏孔孔容增幅最大（可高达1057.86 %）。超临界CO₂-H₂O对煤粒样品整体连通性改造作用弱，局部连通性的改造作用强，且连通孔隙沿原微裂缝走向的垂直方向发展；而对于煤柱样品，由于宏观裂隙充填性减弱，连通性增强，渗透性显著提高（可高达114.1倍），且平行层理样品增大倍数大于垂直层理样品。碳酸盐矿物的溶蚀作用对孔容的贡献较为显著，且具有越级扩孔作用，而煤体膨胀作用对煤储层连通性的影响最为显著。煤中全部与部分溶解的碳酸盐矿物是宏孔孔容的主要贡献者；剩余碳酸盐颗粒表面的溶蚀晶锥/沟和其他矿物的溶蚀孔，以及粘土矿物膨胀—脱落增大的粒内孔，是宏孔与介孔变化的主要原因；超临界CO₂萃取小分子形成的分子间孔及粘土晶体水化膨胀的层间孔隙，主要影响微孔孔容。煤体膨胀作用可导致微裂缝与差异变形缝的增加-扩大，增大了宏孔体积与局部连通性；层理与割理的扩大与裂隙充填型方解石的溶蚀，是宏观渗透性改善的主要原因。