乌鲁木齐河东矿区煤储层渗流孔孔隙分形特征研究

为准确描述乌鲁木齐河东矿区煤储层渗流孔孔隙特性,结合压汞试验及煤质分析试验,采取分段分形方法定量探讨了煤储层渗流孔孔隙结构特征及其影响因素,将渗流孔孔隙度与孔隙结构参数进行耦合,并进行了煤岩渗透率预测。研究结果表明:乌鲁木齐河东矿区43号和45号主力煤层孔隙结构较为复杂,但连通性较好,43号煤层样品压汞曲线表现进汞饱和度相似,退汞效率较高,煤样微小孔及大孔较为发育。45号煤层样品进汞饱和度为45%～85%,且退汞效率较低,煤样微小孔隙占有绝对优势,故43号煤层孔渗性优于45号煤层;煤岩渗流孔隙分形维数分布在2～3,中、大型孔隙均存在明显的分形特征,煤样的中孔分形维数D_2高于大孔分形维数D_1,故研究区煤储层中孔较大孔复杂;大孔分形维数随着镜质组含量的增加而减小,随着惰质组含量的增加而增加,随着煤中水分的增加而呈现倒"U"型的相关关系,随着灰分的增加呈现下降的趋势等;煤岩渗透率高低是渗流孔孔隙度和孔隙结构耦合而决定的,在95%置信带内大孔孔隙度P_1与渗透率呈现强相关关系,中孔孔隙度P_2与渗透率呈现中等程度相关,分形维数D_1、D_2则呈现弱相关关系。基于支持向量机方法将渗流孔孔隙度和分形维数作为煤岩渗透率的自变量进行训练,经检验得出的渗透率与实际测试渗透率拟合程度很好,渗流孔孔隙度与孔隙结构耦合可有效反映煤岩渗透率。     

瓦斯压力对两种煤样渗流特性影响的试验研究

针对不同瓦斯压力作用下煤岩渗透率的差异性,利用自行研制改造的含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流实验装置,对构造煤及硬煤两种煤样进行了不同轴压围压条件下瓦斯压力对渗流特性的试验研究。结果表明,煤样渗透率随瓦斯压力变化出现明显的Klinkenberg效应,软煤样与硬煤样的渗透率变化均符合二次多项式函数。不同围压下,两种煤样渗透率随瓦斯压力变化差异性较大,且Klinkenberg效应拐点也不一致,其主要受煤样吸附常数影响。煤样渗透率出现先减小后增大趋势的主要原因为:Klinkenberg效应与围压及轴压作用下瓦斯吸附致使煤基质膨胀从而使煤样渗透率减小,后来孔隙压力增大导致渗透率增加。研究结果为提高煤层气抽采率提供理论参考依据。     

煤层气藏核磁共振技术实验研究

本文利用低磁场核磁共振仪测试了四个区块不同渗透率煤样的核磁共振T2弛豫时间谱，给出了渗透率、孔隙度和可动流体百分数等测试参数，并分析了泥浆滤液对煤样的伤害程度。研究表明：核磁共振所测试的孔隙度和渗透率与实验室常规所测试的孔隙度和渗透率基本一致，两者的相关性很好。测出的典型煤样的T2弛豫时间谱大都以双峰型为主，两谱峰间连续性差，前峰表征的流体处于束缚状态，主要反映煤层的微孔隙特征；后峰表征的流体处于可动状态，主要反映煤层的裂缝（割理）特征。     

机械振动作用下含瓦斯煤岩渗透率演化规律研究

为研究机械振动对含瓦斯煤岩渗透率演化规律的影响,从应力平衡角度出发,考虑煤岩体受机械振动应力衰减的特殊性,建立振动作用下含瓦斯煤岩渗透率变化方程,求出不同振动时间、孔隙压力和振动频率下含瓦斯煤岩的渗透率。试验发现:机械振动产生的应力波能够加快煤岩体内部裂隙的发育;煤岩渗透率随孔隙压力的变化规律符合Klinkenberg效应。应用渗透率变化方程计算得出的理论值能够较好地反映试验所获得的渗透率演化规律。     

低渗透煤的孔隙结构特征及其瓦斯吸附特性

采用压汞实验和高压等温吸附实验分析不同变质程度煤的孔隙结构特征及瓦斯吸附能力,并结合煤样工业分析数据,进一步探讨孔隙结构特征对煤层瓦斯渗透性影响。研究表明:2种煤样的压汞孔隙率随煤级的升高呈现出从高到低的变化趋势;松河3号煤样的孔径分布呈现出微小孔径的单峰特点,而林华9号煤样的孔径分布呈现出小孔径和中、大孔径的双峰特点;高压等温吸附实验测的松河3号煤的瓦斯吸附能力要强于林华9号煤。结论认为:煤的孔隙特征、孔隙率和瓦斯吸附能力均受煤变质程度的影响,且在低变质煤特征突出。     

微观孔隙结构和煤的成分对煤样电阻率的影响

研究孔隙结构和煤的成分对电阻率的影响,可为电法勘探在煤矿井下实际工程中的应用提供一定的理论基础。为此,本文选取了6组煤样,进行低温液氮(LT-LN2A)、FE-SEM扫描电镜和电阻率测量实验,结合煤岩导电机理研究煤岩微观孔隙结构和煤的成分对电阻率的影响。结果表明:煤岩孔隙结构对电阻率的影响为多变量因素制约,即呈多元函数关系。煤样的挥发分大小与孔隙率、比表面积分别呈U型变化规律,中等变质煤的孔隙率和比表面积最低,煤质程度对孔隙率的影响大于比表面积。煤样的电阻率随其挥发分的增加而增大,随变质程度的升高而减小,其与孔隙率也呈U型变化关系;微小孔对电阻率的影响大于大中孔,且微、小孔占比高的煤,电阻率较低;大、中孔占比高的煤,由于裂纹和裂隙的出现,电阻率较高;再者,煤样矿物元素种类及含量与其离子导电作用呈正相关,而与电阻率大小呈负相关。     

卸围压作用下煤岩破断及渗透特性

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行了不同气体压力作用下煤岩卸围压作用的瓦斯渗流实验。实验结果显示,渗透率变化呈现阶段性特点,全过程可以分为3个阶段：阶段I,渗流减小阶段;阶段II,稳定渗流阶段;阶段III,加速渗流阶段。采用Kozeny-Carman方程描述渗透性与孔隙度的关系,研究煤岩变形与瓦斯渗流的关系,建立了卸围压煤岩变形与渗透率的相关性模型。理论分析表明：在阶段I,外部压力和孔隙压力的变化是引起煤样渗透率发生变化的主要原因,在阶段II和阶段III,外部压力成为主导;在破坏后阶段,渗透率增长1个数量级,变化十分明显。由于理论计算结果与实验曲线较为接近,模型反映了不同瓦斯压力下加载煤岩变形与渗透率变化的基本特征。     

煤岩力热耦合渗流特性实验装置开发与应用

为深入研究多因素综合作用时煤岩瓦斯渗流规律,自主研制了煤岩力热耦合渗流特性实验装置。实验装置优势明显:可在模拟煤储层原位地质条件下,开展温度、含水率、地应力及注气压力多因素耦合作用下的煤岩瓦斯渗流特性实验,且回压控制系统的设计保证了煤岩渗流特性实验与煤矿现场实际情况相符。同时,利用实验装置进行了多因素综合作用下的瓦斯渗流特性实验研究。结果表明:恒定温度、注气压力条件下,随加载应力的增大,煤样渗透率大幅下降,但加载应力增幅相同时,渗透率下降幅度明显变小;煤样渗透率随含水率的增加逐渐减小,但减小趋势逐渐减缓,且两者符合负相关关系变化规律。     

基于核磁共振和低温氮吸附的煤层酸化增透效果定量表征

针对某些煤储层中的孔隙和裂隙被方解石、白云石等矿物或杂质堵塞致使煤层渗透率降低的问题,提出一种煤层酸化增透方法。利用核磁共振(NMR)和低温氮吸附实验表征了煤样酸化前后的比表面积、孔隙体积、孔隙度、渗透率、孔径分布及核磁成像等特性参数,分析了酸化作用下煤的细观结构变化规律。测试结果表明,煤样经酸化处理后,饱和水状态的NMR信号量增加,残余水状态的NMR信号量降低,T_2谱的中大孔峰(T_220 ms)的变化较大,NMR所表征的总孔隙度、有效孔隙度、渗透率均增加,残余孔隙度、T_2截止值降低;低温氮吸附所表征的比表面积和总孔隙体积均增加,且主要集中增加在10 nm左右的孔隙,但高煤阶煤增加不明显。NMR图像直观地反映了煤样酸化前后内部孔隙结构的变化特征,为揭示酸化增透的微观演变过程提供了新的手段。煤样初始孔隙越发育或孔隙裂隙中可溶性矿物质越多,所表征的特征参数变化越大,酸化增透效果越好。     

贵州盘县某矿区孔裂隙发育及煤变质程度对煤储层渗透性影响初探

基于煤储层渗透性是煤层气资源开发成败的关键因素,结合贵州盘县某矿区的煤层裂隙发育程度,从研究区的部分煤层孔隙率、多组煤样的液氮吸附和压汞实验、煤样矩形网状裂隙发育形态、孔隙发育状况及煤岩裂隙形态等方面剖析了孔裂隙发育程度对研究区煤储层渗透性的影响。煤变质程度对贵州矿区煤储层渗透性影响研究表明:渗透率和孔隙度总体趋势随着镜质组最大反射率逐渐升高,有先减小后增大的明显趋势;煤阶较低煤层的煤岩孔隙度大,渗透率较高;随着埋深的逐渐增加,煤变质程度逐渐加大,其渗透率随之降低;但镜质组最大反射率大于2.5%时,煤层孔隙度和渗透率也随之变大。     

围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础,声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法,已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究,揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明,基于煤样全应力-应变-渗透性-声发射特征,将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段,荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密,煤样渗透率下降,进入弹性变形阶段,煤样渗透率较低,声发射活动不明显。在塑性变形阶段,随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展,煤样渗透率增大,声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段,煤的轴向应力随应变的增加而降低,煤样渗透率开始下降,声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。     

平衡水分条件下煤对甲烷的等温吸附特性研究

通过对近几年来采自不同地区,各种煤级１４０个煤样的平衡水分,等温吸附特性,煤岩组成和煤质的综合研究,揭示他煤在平衡水分条件下等温吸附特性的变化规律,探讨了其影响因素。结果表明,煤的等温吸附特性主要受煤级影响,随着煤级增高,表征煤最大吸附能力的兰米尔体积逐渐增大,这一变化规律与以前对于煤样的研究结果明显不同;     

黔西滇东地区不同煤阶煤储层物性特征分析

为了分析煤阶对黔西滇东地区煤储层孔隙性和渗透性的控制作用,对不同煤阶煤样的孔-裂隙结构、吸附能力和孔渗特征进行了探讨。结果表明:镜质组反射率小于2.5%时,随着煤阶升高,煤岩压实程度不断增强,煤中吸附孔含量逐渐增多,BET比表面积和BJH总孔体积逐渐增大,致使煤岩吸附能力逐渐增强,而渗流孔含量相对减少,渗流孔隙结构变差,渗透率随煤阶升高而减小;镜质组反射率大于2.5%时,随着煤阶升高,煤中吸附孔含量减少,BET比表面积和BJH总孔体积呈下降趋势,吸附能力减弱,而煤岩后期演化过程中产生了再生孔隙,致使煤岩渗流孔含量增加、渗流孔隙结构变好,总孔隙度升高,渗流能力增强。     

基于压汞法的赵庄矿不同煤体结构煤的孔隙特征研究

选取赵庄矿3号煤层4种不同煤体结构煤的煤样,采用压汞法研究分析其煤体孔隙特征。实验表明,随着煤体破坏程度的增大,大孔孔容占比呈下降趋势,中孔、小孔孔容占比呈上升趋势,煤岩渗透性随之减小。原生结构煤、碎裂煤存在相当数量的封闭孔或孔径在纳米级以下,孔隙连通性差;碎粒结构煤孔隙连通性稍好,退汞效率在4种煤体结构中最高。     

煤岩渗流特征及应力敏感性实验研究北大核心

以山西潞安矿区大平煤矿3号煤层为研究对象,利用HB-2型煤岩样孔渗吸附测量装置,系统探讨了煤渗透率对孔隙压力以及围压的响应规律,定量分析了受载煤样渗透率与孔隙压力及围压之间的关系。结果表明:在低气压条件下煤样渗透率随孔隙压力的增加符合幂函数降低趋势,孔隙压力在临界值1.5 MPa以下时,煤样渗透率更敏感;孔隙压力恒定条件下,煤样渗透率随围压的升高呈幂函数降低趋势,渗透率降幅明显,多高于85%;煤储层应力的变化会对煤渗透率产生50%以上的不可逆损伤,煤体加卸载过程中的渗透率衰减率随着围压升高整体趋势是向下的衰减规律,其局部变化为不仅1个极值的波动特征。     

基于分形理论的不同变质程度硬煤孔隙结构试验研究

煤储层中孔隙的发育特征控制着煤中瓦斯的吸附解吸与扩散性能,为了研究不同变质程度硬煤的孔隙结构特征差异,采用压汞法和液氮吸附法相结合的手段,对园子沟矿3煤、窑街三矿2煤和卧龙湖矿8煤三种,煤样进行了全孔径孔隙结构分布测定,利用分形理论对比分析了不同变质程度硬煤孔隙结构特征。研究结果表明:园子沟、窑街和卧龙湖三种不同变质程度硬煤均含有丰富的开放孔隙特征,随着变质程度增大,煤的孔隙度呈现高-低-高的变化规律;园子沟和卧龙湖煤样孔形多以墨水瓶、锥形孔等孔形为主,窑街煤样孔形多以圆筒形孔为主;而对比孔隙结构分形维数可知,园子沟煤样孔隙分形维数最大,卧龙湖煤样次之,窑街煤样孔隙结构相对简单,也呈现出高-低-高的变化规律。     

低透气性煤孔隙结构连通率对煤层渗透性的影响规律研究

为研究低透气性煤的孔隙结构特征及孔隙连通程度,对原煤煤样进行试验,分析饱和水和残余水状态下煤样的T2曲线,得到煤样的自由流体值、束缚流体值、有效孔隙率、孔径分布及渗透率等参数,建立了孔隙连通率定量计算模型。结果表明:煤样孔隙率为6.30%～11.02%,孔径分布呈3段式,孔隙主要集中分布在0～100 nm段,微小孔发育、中大孔及裂隙不发育;吸附孔与孔隙率成反比,渗流孔与孔隙率成正比;煤样孔隙连通率为31.50%～62.05%,孔隙连通率受孔隙尺度的影响,煤样孔径在100 nm以下的孔隙连通率最高为58.45%,孔径为100 nm以上的孔隙连通率在94%以上;孔隙连通率与孔隙率、有效孔隙度、渗透率表现出了较好的正相关关系。     

μCT技术研究煤的孔隙结构和分形特征

煤的孔隙结构是影响煤中气体吸附和渗流的一个重要因素。从实现精细化、无损化和定量化入手,应用μCT 225kVFCB型高精度CT试验分析系统,通过显微CT切片,提取研究了4个煤样孔隙分布特征,讨论了煤级、煤显微组分和灰分对煤孔隙结构的影响程度。采用公约数网格序列盒维数法定量表征了孔隙结构的复杂程度和不规则性,探讨了孔隙率、渗透率和分形维数的关系。研究表明,研究煤样的孔隙分布总体受煤显微组分含量控制,同时煤中矿物充填作用在一定程度上降低了煤的孔隙率、平均孔径和孔隙数量。煤孔隙分形维数D的变化与孔隙分布特征密切相关,有效地反映了孔隙结构的非均质性。孔隙率、渗透率与分形维数呈现显著的幂指数正相关关系。由此指示,基于显微CT切片的煤孔隙分形维数可作为煤储层孔隙特征和渗透性评价的定量指标之一。     

铁法大兴矿低煤阶烟煤应力及滑脱效应对渗透率的影响

以铁法大兴矿低煤阶烟煤煤样为实验对象,通过实验测定了不同应力组合下的煤样渗透率变化规律,分析了滑脱效应对渗透率的影响。     

考虑水分影响的煤岩渗透率模型及演化规律

在开采环境的不断变化过程中,煤岩通常处于气-水共存的状态。为了探究水分与煤岩渗透率之间的反应机制,利用等温吸附装置和含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,分别进行不同含水条件下的等温吸附试验和孔隙压力升高的渗流试验。基于水膜与孔裂隙表面的相互作用及水膜之间分离压的影响,并且考虑压缩变形及滑脱效应对煤岩渗流的贡献率,构建考虑水分影响的渗透率模型,进而分析不同含水条件下煤岩吸附与渗流变化规律。研究结果表明:① 在不同含水条件下,煤岩瓦斯吸附量随孔隙压力增大而增大,而随含水率增大,瓦斯吸附量呈减小趋势。同时,吸附变形随着煤岩的吸附作用而变化。② 煤岩中的水分易在孔裂隙表面形成吸附性水膜占据气体渗流的通道,并且气态和液态水分子会制约瓦斯流动,因而瓦斯流量随含水率增大而减小。当煤岩含水率恒定时,渗透率随孔隙压增大先减小后趋于平缓;恒定孔隙压力条件下,渗透率随含水率增大显著减小。③ 考虑压缩变形、吸附变形、水分和孔裂隙间水膜对裂隙宽度的影响,构建了考虑瓦斯和水分耦合作用的渗透率模型,而且煤岩渗透率计算值与实测数据基本保持一致,可以较好的表征含水煤岩的渗透率变化规律。