基于气体吸附与多重分形理论的低中高煤阶纳米孔隙非均质性表征及其对煤层气开发与CO2 封存的意义

　　为解决煤层气（CBM）开采效率低和CO2 地质封存机制不清的问题，研究人员通过LP-CO2 /LP-N2 吸附实验与密度泛函理论（DFT），系统分析了0.5～100 nm纳米孔隙的多重分形特征。研究发现，孔隙体积和比表面积的75%与98%分别由<50 nm孔隙贡献，且不同煤阶孔隙的非均质性（Δα=0.5013～1.0351）受煤化程度显著影响。该研究为优化CBM开发与CO2 封存提供了理论依据。

　　

论文解读

研究背景

煤层气（CBM）作为清洁能源，其高效开采与CO₂
地质封存是实现“双碳”目标的关键。然而，深部煤层的低渗透性与复杂纳米孔隙结构严重制约了CBM的抽采效率。纳米孔隙（0.5～100 nm）作为气体存储与传输的核心载体，其非均质性（结构多样性、空间分布不均）直接影响CH₄
吸附与CO₂
扩散行为。传统单重分形理论难以全面刻画孔隙的跨尺度复杂性，亟需引入多重分形理论揭示其演化规律。

研究机构与方法

中国矿业大学（北京）的Chao Xu团队联合多位学者，通过低气压CO₂
（LP-CO₂
）和N₂
（LP-N₂
）吸附实验，结合密度泛函理论（DFT），将纳米孔隙划分为两个互补域：超微孔域（0.5～1.1 nm，pore-CO₂
）和微-中-大孔域（1.0～100 nm，pore-N₂
）。采用多重分形理论分析不同煤阶（低、中、高）样品的孔隙非均质性，并关联煤质组分与孔隙参数。

研究结果

1. 孔隙结构贡献

• <50 nm孔隙占总孔体积的75%以上，比表面积贡献高达98%，凸显其对气体吸附的主导作用。

2. 多重分形特征

• 所有煤阶的pore-CO₂
  和pore-N₂
  均表现出显著多重分形性（Δα=0.5013～1.0351），且发育区域与煤阶无关。
• 煤化程度主要影响孔隙非均质性：低煤阶pore-CO₂
  的H（均匀性指数）较高，Δα较低；中煤阶pore-N₂
  的H较高，Δα较低。

3. 孔隙连通性

• 煤阶对连通性影响较小，同一煤样中pore-CO₂
  连通性优于pore-N₂
  。

4. 控制因素

• pore-CO₂
  的多重分形参数受煤质组分（如镜质组反射率R_0,max
  ）主导，而pore-N₂
  受组分与孔隙结构参数双重调控。

结论与意义

该研究首次通过多重分形理论量化了煤纳米孔隙的非均质性演化规律，揭示了煤阶对孔隙分布概率与空间异质性的差异化影响。成果为跨尺度孔隙网络建模提供了新思路，并为CBM高效开采（如水平井多级压裂优化）与CO₂
封存协同设计奠定了理论基础，助力能源行业“双碳”战略实施。论文发表于能源领域顶级期刊《Fuel》。