煤粒瓦斯解吸扩散规律实验

进行了不同粒径煤样、不同温度和不同吸附平衡压力条件下的等温吸附-解吸实验.通过对解吸实验前600s实验数据的甲烷解吸率和槡t线性拟合,并结合计算得到了煤粒甲烷的初始有效扩散系数和扩散动力学参数.结果表明:吸附平衡压力越大,初始有效扩散系数越大,瓦斯解吸率越大;温度越高,初始有效扩散系数和扩散动力学参数也越大;煤样的粒径愈大初始有效扩散系数愈大,而动力学扩散参数越小,相同解吸时间内的甲烷解吸率越小.通过Arrhenius方程得到了甲烷解吸扩散活化能的表达式,通过处理数据得到1#和3#煤样的解吸扩散活化能分别为14.38kJ/mol和9.99kJ/mol.     

煤屑瓦斯扩散系数时间响应规律研究

为探讨煤屑瓦斯扩散系数随时间变化的响应规律,选取典型煤样进行煤屑瓦斯解吸扩散实验,建立了扩散系数随时间变化的球形煤屑瓦斯扩散微分方程,通过变量代换方法将得到的微分方程转化为经典的扩散方程,并运用分离变量法得到了煤屑时变扩散系数的理论解;基于扩散规律理论解对煤屑瓦斯解吸实验实测解吸数据进行分析,利用Matlab软件编制程序进行解算,得出瓦斯扩散系数的时间响应规律。研究结果表明:煤屑瓦斯等效扩散系数随时间响应规律符合幂函数关系,采用瓦斯扩散系数时间响应模型比经典瓦斯扩散模型和煤屑瓦斯扩散实验吻合度更高;煤屑瓦斯扩散系数时间响应模型描述煤层的瓦斯运移过程更合理、更准确。     

瓦斯压力对瓦斯在煤中扩散影响的实验研究

为了研究瓦斯压力对瓦斯在不同变质程度煤中扩散的影响,采集了我国典型矿区的煤样,采用低温氮吸附法和压汞法对煤样进行了孔隙特征分析,开展了不同压力下煤粒瓦斯吸附-解吸扩散动力学实验,分别采用单孔扩散模型和双孔扩散模型对扩散实验结果进行拟合.结果表明,双孔扩散模型比单孔扩散模型能更准确地描述煤粒瓦斯吸附-解吸扩散全过程.基于双孔扩散模型反演计算大孔和微孔有效扩散系数D_(ae),D_(ie),分析认为:二次多项式函数能很好地描述D_(ae)与压力的关系,在吸附过程中,当瓦斯压力小于某一临界压力时,D_(ae)随着压力的增大而减小,当瓦斯压力大于某一临界压力时,D_(ae)随着压力的增大而增大;在解吸过程中,当瓦斯压力大于某一临界压力值时,D_(ae)随着压力的减小而减小,当瓦斯压力小于某一临界压力值时,D_(ae)随着压力的减小而增大;大孔有效扩散系数均值Symbol`A@D_(ae)越大,临界瓦斯压力值就越大.而微孔有效扩散系数D_(ie)与压力则较好地符合一元线性关系:在吸附过程中D_(ie)随着压力的增大而增大,在解吸过程中D_(ie)随着压力的减小而减小.各煤样在吸附-解吸过程中的扩散特征参数β基本保持不变.     

低频机械振动影响煤样吸附特性研究

利用自制的瓦斯吸附/解吸激振及测试系统,研究了不同振频对煤样吸附性能的影响.试验结果表明：不同振频对未吸附饱和煤样影响不同,10Hz促使瓦斯吸附,20,30Hz抑制吸附;趋于吸附饱和煤样受振动影响很小.进一步分析振频与扩散的关系,发现充入相同气压,振动对瓦斯孔隙吸附量影响不明显,参数B和瓦斯扩散系数均按30,20,0,10Hz逐步变大;并依据扩散特性定义了扩散度.趋于吸附饱和时,煤与瓦斯系统处于振动状态下的动态吸附平衡.采掘过程中,振频越大,受振动影响而内压改变的那部分煤体越可能瞬时突出;振频越小,突出延迟越可能出现.     

水分对煤体瓦斯解吸扩散的影响

采用水蒸气吸附法,分别制取了6种不同水分含量的2类煤样进行瓦斯解吸扩散实验.利用Langmuir方程经验公式拟合,计算得到了极限瓦斯解吸量;对解吸实验前10min的甲烷解吸率和槡t进行线性拟合,通过计算得到了极限瓦斯解吸量和初始扩散系数,并分析了水分对瓦斯解吸扩散的影响机理.实验结果表明:水分含量对煤体瓦斯解吸扩散过程有显著影响,0.45 MPa平衡压力下,对于1#煤样,水质量分数由0.46%升高到3.5%时,极限瓦斯解吸量Q∞从8.63mL/g减小到4.24mL/g,降低50.87%,初期解吸率从70.87%减小至34.54%,降低36.33%;对于2#煤样,水质量分数由0.73%升高到4.16%时,Q∞从4.68mL/g减小到2.32mL/g,降低50.42%,初期解吸率从58.14%减小至37.16%,降低了20.98%;水分作用下,煤体瓦斯解吸能力大幅度降低;极限瓦斯解吸量、初期解吸率、初始扩散系数均随水分含量的增加而减小.     

孔隙气体在煤层中扩散的机理

分析了孔隙气体在煤体中的扩散模式和微观机理,得出在煤体中存在菲克型扩散、诺森扩散、过渡型扩散、表面扩散和晶体扩散几种扩散模式,并分析了抽放时瓦斯气体在煤层中的运移过程及其在煤微孔隙中的扩散过程,根据分子运动论,从微观上讨论了压强和温度对甲烷分子平衡自由程的影响规律,并解释了升高压强和温度增强甲烷气体在煤层微孔隙中扩散能力的机理,分析了前人测定的不同压力下瓦期在煤体中的扩散系数与分子平均自由程之间的关系,表明孔隙气体在煤微孔隙中扩散的宏观参数从根本上来看是由于分子微观参数的改变引起的。     

煤储层孔、裂隙系统分形研究

对煤层、煤样进行了宏观裂隙及显微裂隙的连续系统观测、统计,计算了煤中各级别裂隙的面密度维数;根据压汞法测出的煤中不同孔径段的连续比孔容数据,计算了煤中孔隙体积的分形维数。分析了分形九与煤层的孔、裂隙发育程度和煤变质程度的关系。为评革层气的吸附与解吸、扩散与渗流、煤与瓦斯突出预测及煤层有效渗透率估算提供了一种更加精确的方法。     

柱状煤芯瓦斯扩散模型与扩散特征实验研究

采用Φ50mm×100mm的标准柱状原煤样开展了不同温压下的瓦斯扩散实验,同时开展了同种煤的颗粒煤瓦斯扩散对照实验.为描述大尺度柱状煤样的瓦斯扩散过程,建立了柱状煤芯瓦斯扩散方程,导出了其扩散率解析解.实验表明:相比颗粒煤样,柱状原煤瓦斯扩散缓慢,表现为同时间下瓦斯累计扩散量和扩散率远小于颗粒煤.柱状煤芯的扩散系数远大于颗粒煤的扩散系数,是后者的11.72倍,而柱状煤的有效扩散系数远小于颗粒煤的有效扩散系数,仅为后者的1.82%.原因是柱状原煤包含了更大的孔裂隙结构,使其扩散系数较大,但因扩散路径的加长和迂曲度的增大,使其有效扩散系数较小,最终导致其具有较小的瓦斯释放能力.     

本煤层顺层瓦斯抽采渗流耦合模型及应用

为揭示瓦斯在本煤层抽采时的渗流机理,开展了煤岩体变形与瓦斯渗流相互作用规律研究.根据煤层瓦斯渗流特性,考虑渗透率的动态变化过程,研究裂隙瓦斯渗流、微孔隙吸附瓦斯解吸扩散和煤岩体变形等过程,建立耦合渗流模型.针对特定矿井抽采煤层的瓦斯地质条件,进行了耦合模型的数值模拟研究.结果表明:抽采初期瓦斯压力下降较快,抽采稳定后下降趋缓,距抽采孔越远下降梯度越小,有效抽采半径约为3m.现场实验孔距6m顺层瓦斯抽采,抽采稳定时瓦斯纯量达5~7m3/min,抽采效果较理想.     

含水煤体钻屑瓦斯解吸指标K_1值的临界值研究

研究采取水力压裂措施后含水煤体钻屑瓦斯解吸指标K_1值随水分的变化规律,得出不同水分下K_1值的临界值。在实验室采用模拟测试的方法对新景矿3号煤层不同水分煤样的瓦斯解吸规律和K_1-p关系进行实验测试。试验结果表明,水能够抑制煤样瓦斯的解吸,钻屑瓦斯解吸指标K_1值随瓦斯压力增大呈幂函数关系增大,随煤样水分增大呈负指数函数关系减小。研究表明,采用实验模拟得出临界压力下K_1值与水分的关系函数,可对采取水力化措施后煤层钻屑瓦斯解吸指标K_1值的临界值进行修正。     

河南省下二叠统山西组二_1煤煤层气储层描述

从煤厚、煤岩组成、煤级、煤体结构、裂隙系统、渗透性、吸附／解吸特性等方面对河南省的主可采煤层二１煤的煤层气的储层特征进行了详细论述．指出镜质组含量较高、割理比较发育、外生裂隙发育适中的原生结构煤和碎裂煤渗透性最好,是最有利的储层;外生裂隙发育适中的无烟煤是有利储层;碎粒煤为不利储层;糜棱煤为不可开发储层．临界解吸压力较高、含气量较高的中煤级煤分布区是煤层气勘探开发的首选地区．     

煤层气有限导流压裂井的压力动态分析

针对煤层气产出过程中的降压,解吸,扩散,渗流等特点,应用非稳态解吸模型;研究了煤层气在基质和割理中的单相流动;建立了新有有限导流压裂井评价模型;讨论了裂缝壁面表皮系数,吸附系数,裂缝储容系数和窜流系数对压力动态的影响;分析了煤层气压裂井的压降典型曲线特征和参数估计方法,从而为煤层气藏开发提供了可靠的数据。     

用常规黑油模型模拟煤层气开采过程

流体在煤层中的传输机理由两部分组成,气体在煤内表面解吸,并通过基岩和微孔隙扩散进入裂缝网络中。若岩块表面甲烷气体的释放速度比气,水相在煤层割理中的流动速度快得多,那么在模拟煤层气开采过程时,解吸动能可以不考虑,根据这个假设可认为：在给定压力下煤层吸附的甲烷气体量类似于相应压力下溶解在原油中的气体量,煤层中的朗格缪尔等温曲线可视为常规黑油油藏中的溶解气油比曲线。若将煤层表面的吸附气作为不流动油中溶解气来处理,那么可用常规黑油模型描述煤层气,而不需要对模型源码做会何修改,基于上述思路,用黑油模型模拟煤层气开采过程,并与用煤层气模拟软件（COMETPC）的计算结果进行了比较,趋势非常接近。     

沁水盆地南部煤层气藏特征

以油气、煤田和煤层气勘探阶段积累的资料为基础,系统探讨了沁南煤层气藏的特征.通过对气藏静态特征(包括煤层空间几何形态、煤层气成分和含量、储层物性、吸附特征、储层压力及封闭条件)和动态过程(包括煤层气形成、运移和聚集)的分析,指出晚古生代的煤层在经历了印支期和燕山期两次煤化作用生成的煤层气,在喜马拉雅期遭受了严重的调整与改造后逐渐形成现今的沁南煤层气藏.直接控制该煤层气藏中煤层气富集程度的因素为顶底板与边界断层.目前的高产煤层气井基本上都位于地下水滞流区.     

刘家勘探区煤储层特征及煤层气开发条件研究

研究了刘家勘探区煤储层特征及煤层气开发条件，认为研究区煤储层的煤级，孔隙性和渗透性相对较低，但地质构造简单，煤层气资源丰度高，煤储层厚度，含气量，含气饱和度，甲烷浓度，临储压力比，临界解吸压力等都较高，压力梯度基本正常，可采性以及煤层气开发和利用前景条件较好。并已被煤层气井排采试验结果所初步证实，同时，中也就区内今后的煤层气开发工作提出了某些建议。     

煤层气流动物质平衡方程的建立及应用分析

介绍了煤层气的吸附解吸特性,以及考虑吸附解吸特性的单相煤层气的扩散方程,并在该扩散方程拟稳态解的基础上,详细推导了单相煤层气的流动物质平衡方程,所得到的煤层气流动物质平衡方程可以有效确定单相煤层气储层的地质储量,同时也可以用来计算煤储层的渗透率。     

注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的实验模拟

针对我国煤层气开发中存在的产气率低、回采周期长的问题，开展了注二氧化碳驱替煤层甲烷的实验模拟研究．根据实验数据，利用扩展Langmuir方程计算了驱替过程中CH4组分的产出特征，并与纯CH4的解吸过程进行了比较．结果表明，在CO2驱替实验中，CH4在单位压降下的解吸率，明显高于纯CH4解吸时单位压降下的解吸率．其中晋城煤层CH4单位压降下的解吸率提高了150%，潞安煤层CH4单位压降下的解吸率提高了270％．由此可见，采用二氧化碳注入技术，可以显著提高煤层甲烷的采收率．     

煤层气的成因及地球化学特征

煤层气有两种基本成因类型：生物成因和热成因．而生物成因气据其形成阶段又可分为早期生物成因气和晚期生物成因气．现今储存在煤层中的气体是由上述各类成因气体混合而成的,其成分及同位素特征一方面取决于煤级（埋深／温度）和煤岩成分等原生因素,另一方面受煤层后期抬升引起的气体解析—扩散及晚期生物成因气的形成等次生因素的影响．次生因素迭加在原生因素之上,导致了煤层气独特的地球化学特征．     

A rapid and accurate direct measurement method of underground coal seam gas content based on dynamic diffusion theory

Coal seam gas content is frequently measured in quantity during underground coal mining operation and coalbed methane (CBM) exploration as a significant basic parameter. Due to the calculation error of lost gas and residual gas in the direct method, the efficiency and accuracy of the current methods are not inadequate to the large area multi-point measurement of coal seam gas content. This paper firstly deduces a simplified theoretical dynamic model for calculating lost gas based on gas dynamic diffusion theory. Secondly, the effects of various factors on gas dynamic diffusion from coal particle are experimentally studied. And sampling procedure of representative coal particle is improved. Thirdly, a new estimation method of residual gas content based on excess adsorption and competitive adsorption theory is proposed. The results showed that the maximum error of calculating the losing gas content by using the new simplified model is only 4%. Considering the influence of particle size on gas diffusion law, the particle size of the collected coal sample is below 0.25 mm, which improves the measurement speed and reflects the safety representativeness of the sample. The determination time of gas content reduced from 36 to 3 h/piece. Moreover, the absolute error is 0.15–0.50 m³/t, and the relative error is within 5%. A new engineering method for determining the coal seam gas content is developed according to the above research.     

煤层气运移分馏机理初探

煤层气的分馏效应是指运移过程中气体组份和同位素值发生变化的现象.分馏机理的探讨对煤层气的运移聚集具有重要指导意义.本文以吸附势理论为指导,以等温吸附实验数据为依据,对甲烷碳同位素和多组分气体分馏机理进行了探讨.确定了4种分馏机理的存在:(1)解吸-扩散-运移不仅造成甲烷碳同位素分馏,而且造成多组分气体分馏.13CH4因其吸附势普遍高于12CH4而具有优先吸附、滞后解吸的特征,12CH4更容易发生运移分馏.二氧化碳与甲烷相比,具有优先吸附、滞后解吸的特征,特别是在高压下,甲烷具有强的分馏效应;(2)发生在地下水径流带的溶解作用使得13CH4被优先溶解并被运移至滞留区聚集,12CH4保留在原地;(3)浅部次生生物气的产生造成甲烷碳同位素变轻的假象;(4)高温裂解气的生成造成甲烷碳同位素变重的假象.4种分馏效应都引起浅部甲烷碳同位素变轻,深部变重,这已为众多的实例所证实.