1）研制了用600℃-THMC耦合CT实验装置，探明了热力耦合作用下三种有机类岩石渗透率随温度演化的阈值温度；
2）结合含应力显微CT技术为有机类岩石渗透率演化做了细观解释；
3）从热解产气、变形、岩石强度及裂隙结构演化方面阐明了热力耦合作用下有机类岩石渗透率演化机理。
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热力耦合作用下有机类岩石渗透率演化规律及机理
随着能源需求的不断增长，深部资源开采及地下工程项目逐渐增多，这为岩石力学的研究带来了新的挑战也提供了新的机遇。深部资源开采工程包括煤炭地下气化、煤炭及油页岩的原位热解开采、石油及天然气的储层及开采、地热资源的开发利用及页岩气开采等；此外还有高放核废料深部处置、CO2深地封存等地下工程项目。这些项目能否顺利实施都与岩石在高温高压环境下的渗透性能密切相关，例如，煤炭地下气化、煤炭及油页岩原位热解开采工程要考虑到产物在高温岩石中的运移问题；石油的开采，为了提高石油的采收率，用火燃烧岩石储层，提高渗透率；地热资源的开发利用，高温高压环境下岩石的渗透性能决定着换热效率；此外，高放核废料永久储存在岩石中，核衰变的热量会促进岩石温度的升高，为了避免核泄漏，需要研究高温环境下围岩的渗透性。因此，研究岩石在高温高压下的渗透性具有重要意义。
关于无机类岩石在高温高压下渗透率演化规律开展了很多研究。赵阳升等利用高温高压三轴试验机研究了大尺寸( Φ200 mm×400 mm)砂岩、花岗岩25～600 ℃内的声发射特征及渗透性，发现永城细砂岩与鲁灰花岗岩的热破裂门槛值分别为170 ℃和65 ℃，之后结合显微CT手段对不同温度下花岗岩试样的微观结构进行了详细表征，探明了热裂纹的演化机制；张宁等实时测试了花岗岩在25 MPa和75 MPa静水压力下渗透率随温度演化规律，研究发现热破裂过程中，花岗岩的渗透率随温度呈现正指数增大的规律；冯子军等研究发现当温度超过300 ℃，微裂纹的大量发育是花岗岩渗透率急剧增加的主要原因；阴伟涛等通过试验研究发现高温三轴应力下花岗岩母岩、热液充填体、A类裂隙后期充填花岗岩和B类裂隙后期充填花岗岩的渗透率随温度变化的阈值温度分别为300、200、300和250 ℃，阈值温度后4类花岗岩的渗透率提升了1～3个数量级；孟涛等研究了高温高压下石膏夹层的渗透率演化规律，在25～650 ℃内，石膏夹层的渗透率随温度呈现多阶段变化，与砂岩、花岗岩和褐煤相比，渗透率变化更为稳定；此外，该学者还开展了砂岩及横观各向同性钙质沉积物在高温高压下渗透率演化规律的研究，发现400 ℃以后，岩石的热破裂会导致渗透率的急剧增长；无机类岩石在高温高压下渗透率随温度演化规律及机制已经较为明晰。
不同于无机类岩石，有机类岩石的有机质在高温环境下会发生热解反应并以气态或液态的形式流失。此外，产物运移过程中孔隙压力的变化及化学作用都会对渗透率产生影响。牛世伟等通过试验证明了高温高压条件下，孔隙压力可能会导致褐煤中孔裂隙的闭合，从而导致渗透率下降。王国营等使用高温三轴渗透仪研究了油页岩在原岩应力条件下的各项异性渗透率随温度演化规律，发现油页岩垂直层理及平行层理方向渗透率演化存在阈值温度；之后，黄旭东等研究了单裂隙油页岩在水蒸汽热解条件下的渗透率演化规律，同样发现单裂隙油页岩渗透率演化存在阈值温度，并通过显微CT和热台显微成像手段观测到了裂隙的闭合/发育过程；笔者之前的研究工作探究了烟煤在高温高压条件下不同加热方式下(干馏/蒸汽加热)渗透率随温度演化规律，发现烟煤渗透率的演化同样存在阈值温度。因此，基于前人的研究结果，热力耦合作用下不同有机类岩石的渗透率随温度演化规律是否存在共性或者差异？渗透率演化机理如何？探明这些规律对于有机类岩石的原位流体化开采工程参数的选择具有重要的理论指导价值。
利用高温高压三轴试验机及含应力显微CT技术系统的研究了恒定应力作用下3种有机类岩石(油页岩、烟煤及页岩)渗透率、细观结构、热解产气及轴向变形随温度(≥300 ℃)的演化规律；同时针对不同有机类岩石渗透率演化规律的共性及差异进行了讨论。
图 1 试验系统
图 2 含应力显微CT处理流程
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图 3 有机类岩石不同孔隙压下渗透率随温度演化
图 4 不同温度下油页岩(O2)孔裂隙结构演化特征
图 5 不同温度下烟煤(C2)孔裂隙结构演化特征
图 6 不同温度下页岩(S2)孔裂隙结构演化特征
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图 7 有机类岩石热重曲线及产气量随温度的演化特征
图 8 有机类岩石轴向变形随温度演化
图 9 有机类岩石弹性模量、产气量、|α|及渗透率随温度演化特征
冯增朝，男1971年8月9日，陕西蒲城人，教授，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴，国家百千万人才工程国家级人选，国家有突出贡献中青年专家。国际岩石力学与工程学会中国国家小组成员，中国岩石力学与工程学会岩石动力学委员会委员，山西省岩石力学与工程学会秘书长。主要从事岩石力学与采矿工程，原位改性采矿理论与技术，煤原位低碳转化理论与技术，低渗透煤层瓦斯治理等方面的研究与教学工作。获国家技术发明二等奖2项，与赵阳升院士共同发起和组织岩石破坏短临预报竞赛。发表论文100余篇，由科学出版社出版专著两部，获国家技术发明专利28项。
研究方向
岩石力学、原位改性流体化采矿
主要成果
原位改性采矿理论与技术创始人之一，创立了孔隙裂隙双重介质的逾渗理论，提出水力割缝卸压增透技术，研制了水射流割缝强化瓦斯抽采的成套技术与装备，提出了原位注热开采煤层气的方法与技术，与赵阳升院士共同发起和组织岩石破坏短临预报竞赛。在煤层渗透性原位改性、煤层吸附性原位改性、油页岩开采原位改性、岩石破坏短临预报等方面提出新的理论与方法、研制了一系列高温高压岩石试验机和600℃高温渗透仪等特殊的试验设备，获得多项发明专利。
来源：
冯增朝，石建行. 热力耦合作用下有机类岩石渗透率演化规律及机理[J]. 煤炭学报，2024，49(9)：3798−3809.
FENG Zengchao，SHI Jianhang. Evolution law and mechanisms of permeability of organic rocks under the action of thermal-mechanical coupling[J]. Journal of China Coal Society，2024，49(9)：3798−3809.
责编丨钱小静
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