液氮溶浸时间对烟煤渗流特性的影响及传热过程模拟

低透气性一直限制着我国煤层气的高效抽采,近年来,液氮致裂技术因其绿色环保、增透效果显著等优势成为研究热点.低温液氮在冷冲击致裂煤层的同时,热量也在发生迁移,液氮对煤层的致裂效果是随时间逐渐发生衰减的.为了保证液氮致裂全程的高效性、节约工艺时间,有必要对液氮致裂过程进行细化研究,精确评价其时间效益.为此,选择安徽省淮北煤矿中阶烟煤分别进行了1,5,10,30 min的液氮溶浸处理实验,并对传热过程进行数值模拟.结果表明:1)液氮溶浸处理可显著提升煤体的渗透率,处理后的煤样较初始状态渗透率增幅可达208.82％～432.50％.2)液氮溶浸处理后,拟合参数"a"值明显增大,即煤体渗透率对孔隙压力的敏感性增大;随着围压的上升,拟合参数"a"值呈减小趋势,即煤体渗透率对孔隙压力的敏感性逐渐减小.3)实验结果表明随着溶浸时间的增长,液氮的致裂增透效果是在逐渐衰减的;根据数值模拟结果,将液氮溶浸致裂煤体分为3个阶段:0～158 s为高效致裂阶段,158～450 s为正常致裂阶段,450 s后为低效致裂阶段.     

低透气性松软煤层增透技术研究现状及高能气体压裂新技术

为解决低透气性松软煤层难抽采的问题,我国煤炭行业科技工作者做了大量的工作。采用文献综述的方法,对我国目前采用的水力增透技术、深孔爆破增透技术、CO₂预裂增透技术、大孔径及密集交叉钻孔卸压、液氮半溶浸煤致裂增透技术等物理增透技术和ClO₂溶蚀煤增透法、Feton试剂增透法、多组分酸溶浸煤增透法、微生物等生化法对煤的改性作用进行了评述,指出了上述方法的特点,并提出将高能气体压裂技术应用于我国煤矿。借助LS-DYNA数值分析软件,揭示了高能气体压裂技术压裂煤层的应力变化及裂隙扩展方向。     

活化过硫酸铵溶液对煤样氧化增透的实验研究

为提高过硫酸铵(APS)水溶液氧化增透煤样的效果,采用自制的非均相钴基活化剂(Co-NCP)活化过硫酸铵对长焰煤、焦煤、无烟煤3种不同变质程度的煤样进行氧化改性,系统研究了Co-NCP/APS体系改性对煤样表面接触角θ(润湿性)、孔隙结构、气体吸附常数、瓦斯放散初速度及渗透率的影响规律。实验结果表明:经过Co-NCP/APS体系处理可显著降低煤表面接触角θ与吸附甲烷能力,改性后长焰煤、焦煤、无烟煤的吸附常数a值降幅分别为16.15%,10.21%,6.03%,b值降幅分别为44.97%,41.10%,28.32%,瓦斯放散初速度降幅分别为49.19%,33.33%,12.55%。同时,经Co-NCP/APS体系处理能改变煤样的孔隙结构,改性后煤样的孔隙度增大,其中大、中孔的孔容占比增加,小、微孔孔容占比减少,对于长焰煤、焦煤、无烟煤的孔隙度增幅分别为43.50%,35.50%,12.54%,孔容增幅分别为56.02%,45.54%,20.08%。活化的过硫酸铵体系可原位生成大量具有强氧化能力的硫酸根自由基(SO_4~(·-)),能对不同变质程度的煤样表面实现氧化溶蚀,使煤孔隙中有机小分子相被部分氧化溶出,疏通了被小分子物质占据或封堵的孔道,使煤样孔隙连通性变好;同时,产生大量新的裂隙与孔洞,表明煤样经Co-NCP/APS体系处理能起到"增孔"、"扩孔"、"疏孔"的作用,且对变质程度越低的煤样氧化增透效果越明显,处理后长焰煤、焦煤、无烟煤的渗透率平均增幅分别为620.15%,541.02%,334.42%。可见,非均相钴基活化剂活化过硫酸铵溶液能氧化改性不同变质程度的煤样,显著降低煤样的亲甲烷能力,改善煤体内孔隙连通性与瓦斯在煤体中的流动性,使得煤体赋存瓦斯能力显著降低,为过硫酸铵水溶液对煤层增透方面的应用提供理论依据和实验支撑。     

液氮冷浸前后煤体的微观结构精细化表征方法研究

随着煤层增透技术的发展，液氮冷浸致裂煤体促进瓦斯抽采的研究取得了广泛关注。为研究液氮冷浸对不同煤质煤体微观结构的改造效果，分别采用电镜扫描仪、压汞仪和低温氮吸附仪对液氮冷浸前后不同煤质煤样（贫煤、肥煤和无烟煤）的微观结构进行了联合表征，对比分析了液氮冷浸对不同煤质煤样孔体积、比表面积分布情况的影响。结果表明：液氮冷浸煤体产生的热应力大于煤的抗拉强度，导致煤的微结构破坏，出现微裂隙萌生或颗粒脱落等现象，显著增加煤的透气性；液氮冷浸后不同煤质煤样的总孔体积和比表面积均增大，肥煤总孔体积增长率最小，其次是无烟煤，贫煤总孔体积增长率最大；液氮冷浸促使煤样内部微孔、小孔、中孔及宏孔/裂隙的孔体积均增大，促使煤样内部大孔贯通形成宏孔/裂隙，导致大孔的孔体积减少；液氮冷浸后各煤样的孔比表面积均集中分布在10～100 nm，并有明显的峰值特征；液氮冷浸促使贫煤、肥煤和无烟煤煤样的吸附量增大，且处于中高压区(0.4

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焦煤和无烟煤的液氮冷冻致裂效果对比试验

为了分析煤阶对液氮冷冻致裂效果的影响,对高阶无烟煤和中阶焦煤开展了液氮冷冻试验,利用超声波测试仪测试液氮冷冻致裂前后的波速变化,分析了煤阶、饱水对液氮冷冻效果的影响。结果表明:无烟煤饱水后波速下降,焦煤饱水后波速增长;对于干燥煤样,液氮作用后无烟煤的损伤程度要比焦煤的损伤程度严重;饱水煤样液氮冷冻致裂效果更好;饱水无烟煤液氮作用后,波速平均下降19.8%;饱水焦煤液氮冷冻致裂作用后,波速平均下降27.6%;在饱和状态下,液氮作用后焦煤的损伤程度比无烟煤更显著。     

饱水度和再溶浸对液氮冷冻煤致裂的影响

为解饱水度和液氮再溶浸对液氮冷冻煤致裂效果的影响,取王营子矿的干燥、天然含水和饱水3组原煤煤样在室内实验室开展了液氮溶浸实验,测试液氮溶浸前后煤样波速变化,观察煤样表面裂隙发展。定义了煤样波速变化率和代表性裂隙面积变化率2个指标,分析了饱水程度、液氮再溶浸对煤内原生裂隙结构扩展和新裂隙萌生的影响,结果表明:1在液氮作用下,原煤内主要发生原生裂隙扩展及新裂隙萌生。2煤的饱水程度对液氮溶浸煤致裂效果影响很大。随着饱水度增加,煤样的波速变化率和代表性裂隙面积变化率都增加。饱水煤样的波速变化率和代表性裂隙面积变化率分别为干燥煤样的21.2倍和11.7倍。3液氮再溶浸作用将加剧煤样内缺陷结构发育,提高液氮作用效果。天然含水煤样的液氮再溶浸作用效果更好。     

液氮半溶浸煤裂隙扩展试验研究

为分析液氮半溶浸作用下不同饱水度煤裂隙扩展特征,取山西无烟煤原煤煤样,利用自制的液氮半溶浸试验装置对不同饱水度煤样开展了半溶浸试验研究,测试了液氮作用前后煤样波速变化和表面微裂隙宽度扩展情况,结果表明:煤样的饱水度对液氮冷冻煤作用效果影响很大,饱和煤样波速改变率和裂隙宽度扩展率最大,半饱和煤样次之,干燥煤样最小;越靠近液氮作用面,煤样温度变化越大,液氮作用效果越显著,液氮溶浸煤样的波速变化率和裂隙宽度扩展率都最大;饱和、半饱和煤样微裂隙扩展的主要原因是水相变为冰引起的冻胀力,干燥煤样微裂隙扩展的主要原因是温度梯度引起的温度应力。     

液氮致裂烟煤渗透率及其应力敏感性研究

为了研究液氮致裂条件下烟煤渗透率及其应力敏感性演变规律,取许疃煤矿自然含水率烟煤进行了多次液氮致裂实验,分析了液氮致裂前后不同应力条件下渗透率变化特征,探究了液氮致裂作用对煤应力敏感性影响规律。结果表明:恒定围压下渗透率随着有效应力减小,呈现出先减小后增大的趋势,符合二次函数分布;多次液氮致裂能有效提高煤体渗透率,渗透率随致裂次数的增加而增加,但增长速率逐渐变缓;定义了渗透率离散度来表征改变气体压力所引起渗透率值改变的波动范围,渗透率离散度经过第一次液氮致裂后有明显增加,而其余几次液氮致裂波动范围很小;在同一气体压力下,围压敏感性系数随着围压增大而减小,渗透率损害率随着致裂次数和气体压力增大而增大;第一次液氮处理对煤体渗透率和应力敏感性影响最为显著,后几次液氮处理影响较小。     

液氮溶浸对饱水煤裂隙扩展的影响研究

为研究煤体注氮增透对液氮溶浸下饱水煤裂隙的扩展规律,从王营子矿取立方体原煤煤样,真空饱和后开展液氮溶浸试验,测试了液氮溶浸前后煤样的声速、代表性裂隙面积变化率和煤样表面微观结构的变化,推导了液氮作用下饱水裂隙内水相变为冰的冻胀压力,建立了液氮溶浸下饱水煤裂隙煤扩展的力学判据。结果表明:1液氮溶浸下煤内裂隙水相变为冰,体积膨胀,引起煤内裂隙扩展,代表性裂隙面积增长,超声波速降低,裂隙密度增加。煤的微观结构也发生了很大变化。2建立的力学判据准确预测了煤样的裂隙扩展。3随着裂隙长短轴长度比值的减小,冻胀压力增加,随着水流出系数增加,冻胀力线性减小。     

液氮作用下煤体孔隙演变对吸附解吸特性的影响

为研究液氮作用下煤体孔隙演变规律和液氮处理次数对甲烷吸附解吸特性的影响,以山西阳泉无烟煤为例,进行了液氮作用下孔隙演变的压汞试验和一系列吸附解吸试验。结果表明:(1)煤样经4次液氮处理后,不同尺度的孔隙数量均有不同程度的增加,其中液氮处理对大孔数量增加的贡献最大,液氮致裂增透归因于3个原因:孔隙连通,孔裂隙扩展,孔裂隙增生;(2)随着液氮处理次数的增加,液氮处理对甲烷最终吸附量的影响不断减弱,低吸附压力下Freundlich公式能够较好地描述甲烷的等温吸附;(3)改进的Lagergren吸附动力学公式能够更加准确的描述吸附量随时间的变化,煤吸附气体的时间效应几乎不受液氮处理次数的影响,液氮冻融损伤煤体能够促进煤中甲烷的解吸扩散渗流,煤样在液氮处理4次后解吸收益达到最佳。研究结论对原位煤层液氮致裂改性,增产煤层气工艺提供了理论依据。     

CO_2致裂器在煤层致裂中的应用研究

在安能煤矿10918工作面进行煤层顺层CO_2致裂增透,提高煤层透气性的试验中,为了得出CO_2致裂器在煤层致裂中应用效果,进行致裂孔增透前后相关参数的对比试验,结果表明,进行强化增透的煤层,内部瓦斯含量最大减幅达到59%,瓦斯纯量增幅达到了原来的3.6倍,效果显著。     

基于煤中不同矿物含量的增透多组分酸配方实验优选

查明对不同煤阶煤增透效果最好的多组分酸配方,能够为多组分酸在煤储层酸化中的应用提供一定的理论依据。采集了不同煤阶煤样(河南义马千秋矿、山西长平矿和山西屯兰矿),进行了多组分酸液对不同煤阶煤溶蚀实验,根据不同多组分酸对不同煤阶煤的溶蚀特征,优选出了不同煤阶煤酸液最优配方。通过酸化前后煤样渗透率测试实验,得出酸化后千秋矿、屯兰矿和长平矿煤样的渗透率分别增加25.76~128.08倍、0.32~1.20倍和0.73~17.22倍,具有良好的酸化增透效果。     

液氮致裂时间对煤样力学性能、渗透性与致裂机理的影响

为研究液氮致裂时间对煤样的力学性能和渗透率的影响，利用自主研发的WYS-800三轴瓦斯渗流试验装置及声发射检测系统，对4组不同液氮致裂时间处理的煤样分别进行三轴力学渗流试验并采集声发射信号，对三轴力学渗流试验中各组煤样的力学性能、渗透率的变化进行了分析，描述了声发射信号的特征；根据沸腾换热理论、一维圆柱导热理论、热应力理论分析了致裂机理，计算了不同致裂时间下产生的热应力，通过数据拟合揭示了平均温度降、平均热应力、初始渗透率与致裂时间的关系。研究结果表明：(1)液氮致裂时间对煤样的力学性能产生不同影响，抗压强度和弹性模量随致裂时间的增加呈现先减小后增大的趋势，泊松比则呈现先增大后减小的趋势，煤样三轴加载时轴向应力-轴向应变曲线的阶段性演化具有明显差异，与力学参数的改变相关。(2)不同液氮致裂时间煤样在三轴加载过程中的渗透率均呈U型变化，煤样的初始渗透率、最小渗透率、试验测得最大渗透率随致裂时间的增加而增大，致裂30 min时增幅分别为119.05%、437.5%、146.49%；声发射信号在压密和弹性阶段不活跃，主要产生于屈服阶段和破坏阶段，致裂后煤样的声发射振铃计数峰值产生于破坏点附近...     

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。     

水分对煤炭低温氧化温升特性影响的研究

通过实验研究了褐煤、烟煤、无烟煤3种煤的低温氧化温升特性,并分析了水分对煤炭低温氧化温升特性的影响,实验结果表明:褐煤低温氧化温升速率最大,烟煤次之,无烟煤最小。同一煤样含水量越少,低温氧化温升速率越大,煤样水分含量与煤样温升速率呈幂函数关系。煤炭在存储过程中,为防止煤炭自燃氧化,煤炭的含水量要保持在较高的程度。     

基于核磁共振的Fenton改性煤样孔隙特征实验研究

为了研究Fenton试剂改性后煤样孔隙特征的变化规律以及对煤岩渗透性的影响,基于低场核磁共振实验得到了不同煤级煤样经Fenton试剂改性前后煤样的T2弛豫时间谱,根据T2弛豫时间谱分析了Fenton改性煤岩孔隙特征的变化规律,结合实验煤样的渗透率测定实验,分析了Fenton试剂改性作用对煤样的扩孔和增透作用机理。研究结果表明:不同煤级的煤样经Fenton试剂处理后,煤样的微小孔隙发育扩展,微小孔隙与中大孔隙之间相互贯通形成大尺寸孔隙,甚至形成宏观小裂纹,增加了煤样的透气性,并使改性后煤样的渗透率明显增大。     

高煤阶煤样水力压裂前后应力-渗透率试验研究

煤储层水力压裂是提高煤层气井产量的关键技术,水力压裂前后煤储层渗透率的变化反映了煤储层压裂改造效果。采用山西晋城矿区寺河煤矿二叠系山西组3号煤层高煤阶试样,通过柱型煤样水力压裂前后渗透率试验对比分析,测试了4个高煤阶煤样水力压裂前后渗透率分布特征,揭示了水力压裂前后煤样渗透率随应力的变化规律和控制机理。结果表明,在围压和轴压恒定条件下,煤样孔隙压力随注入压力增大逐渐增高;当注入压力大于破裂压力时,煤样发生破裂,煤样的破裂压力随围压的增加呈线性增大的规律。在注入压力相同的情况下,随着围压和轴压的增大,有效应力增高,水力压裂前后煤样渗透率随有效应力的增大呈指数函数关系减小,且压裂后的渗透率要明显大于压裂前的渗透率。采用煤储层渗透率改善率来评价围压下煤样水力压裂增渗效果,4个试验煤样渗透率改善率随有效应力的增高呈指数函数关系增大,但随围压的增大,渗透率改善率提升幅度逐渐降低。煤储层的渗透性主要取决于煤中裂隙发育程度和裂隙开度的大小,裂缝储层的渗透率的大小与裂缝张开度的3次方成正比例关系。水力压裂后裂缝平均长度、裂缝孔隙度和裂缝开度增幅分别为70.81%～253.25%、171.88%～383...     

不同煤阶煤自燃特性的实验研究

为了研究不同煤阶煤的自燃特性,以HM褐煤、ZX长焰煤、DHS气煤、DL瘦煤、ZLS无烟煤为研究对象,利用程序升温仪和热重分析仪,对5种煤样进行气态产物、热效应和动力学特征进行分析。实验结果表明:低温氧化阶段,CO、CO_2生成量和初始产生温度随着变质程度的降低而显著增强;低温阶段放热强度的顺序依次为HM褐煤ZX长焰煤金塔气煤ZLS无烟煤DL瘦煤,活化能的顺序为HM褐煤ZX长焰煤金塔气煤ZLS无烟煤DL瘦煤,活化能随着煤变质程度的增大而显著增加,这主要是ZLS无烟煤由于含硫铁矿较高(3%),其低温阶段放热强度和活化能高于DL瘦煤。     

酸液改性煤样吸附性能及分形特征研究北大核心

为了探讨酸化技术在煤层增透方面的应用,开展了酸化改性煤样瓦斯吸附性能及微观机理的研究。利用不同p H值的盐酸溶液制备了褐煤和焦煤的改性煤样共10组,分别开展了改性煤样及原煤煤样的工业分析、瓦斯吸附试验和低温氮吸附试验。瓦斯吸附试验结果表明:酸液改性能改变煤样的吸附性能,当p H值等于3时,改性煤样的吸附性能降低,其它改性煤样的吸附性能较原煤有所增加。分析低温氮吸附试验结果发现:酸液对不同煤阶的煤样作用的孔段不同,褐煤以10~100 nm的小孔为主,焦煤则以2~10 nm的微孔为主,pH值等于3的改性煤样比表面积减小、大于100 nm孔容增大;利用分形理论计算得到各组煤样的分形维数,焦煤微孔与褐煤小孔和中孔分形维数与瓦斯吸附常数a呈正相关;采用合适的酸液对煤进行改性,能改变煤的吸附性能同时增加煤的透气性。     

低透煤层化学改性增透技术研究现状及展望

我国煤储层的赋存特征概括为微孔隙、强吸附、低渗透,这些赋存特征严重抑制了煤层气的开采,在此基础上,储层改造技术被广泛提出。针对低透气性煤层,国内外学者提出水力压裂、水力割缝、预裂爆破等储层增透技术,这些技术均存在增透范围小、裂隙闭合快、水锁效应等问题。有学者提出采用化学方法改造煤层,利用化学试剂改变煤层理化性质继而达到促进煤层气解吸、渗流的目的。化学储层改造方法主要包括煤层酸化、氧化、萃取、电化学处理,酸化增透即通过酸液溶蚀煤中矿物质,从而疏通孔裂隙、增大渗透率;氧化增透则是利用氧化剂腐蚀煤层割理表面或溶解部分煤基质来增加煤层割理孔径;萃取增透则使用有机溶剂提取煤体中的有机小分子,疏通孔隙;电化学处理就是通过电化学反应使得煤结构发生变化、产生气体和煤体温度升高,瓦斯运移通道增大。回顾国内外低透气性煤层化学改性增透技术的研究进展,从酸化、氧化、萃取、电化学处理4个层面深入分析了煤层化学改性的增透机理,阐释了目前化学储层改造技术所面临问题与未来的发展趋势。