基于压汞、低温N_2吸附和CO_2吸附的构造煤孔隙结构表征

我国煤层受多期次构造运动影响构造煤普遍发育,构造煤孔隙大小分布尺度较广(毫米～纳米级),孔隙结构较为复杂。不同尺度的孔隙结构控制着煤层气的吸附-解吸(孔隙表面)、扩散(纳米级孔隙)与渗流(微米～毫米级孔隙)等过程,是影响煤层气储存与运移的重要因素。为研究构造煤不同尺度孔隙结构的分布特征与演化规律,在潞安矿区采集4种破坏类型煤样,利用压汞法、低温N_2吸附法及CO_2吸附法分别测试了煤样的孔隙分布特征,对比分析了各测试方法的优势孔径段,提出利用CO_2吸附法表征构造煤微孔(2 nm)、低温N_2吸附法表征介孔(2～50 nm)、压汞法表征大孔结构(50 nm)的孔隙结构多尺度联合表征方法。实验结果表明所采煤样的孔容和孔比表面积均主要分布在微孔阶段,在0. 6 nm左右时的孔隙孔容量和孔比表面积达到最大,其中微孔容占总孔容的70%以上,微孔孔比表面积占总孔比表面积的99%以上,煤中孔容和孔比表面积分布存在微孔大孔介孔的规律。分析构造煤孔隙特征与煤体破坏类型的关系,随煤破坏程度增加,孔容和孔比表面积逐渐增高,大孔孔容比及介孔孔容比逐渐增大,微孔孔容比逐渐减小;孔容增幅主要体现在大孔阶段,比表面积增幅则主要体现在微孔阶段。其中大孔演化主要受控于角砾孔、碎粒孔及摩擦孔等外生孔,介孔演化受控于煤的大分子堆叠结构及分子间距,微孔演化主要受控于煤中芳香层片大小及排列方式。     

煤的粒径对肥煤和气煤孔隙结构的影响

煤的粒径大小对煤的孔隙结构会产生一定的影响,从而导致煤的瓦斯吸附性能有所变化。基于气煤和肥煤的低温氮吸附实验的基础上,通过分析粒径大小对孔体积、孔比表面积与孔径分布的影响,根据孔体积与孔径分布关系图,找出一定的规律,然后再进一步考察煤的粒径大小对孔隙结构的影响规律,考察结果表明:煤的粒径影响的下限是在0.074～0.2 mm之间的粒径,而影响上限可能是大于3 mm的粒径,并认为粒径较大时会影响孔隙结构真实值的反映。     

构造煤孔隙结构多尺度分形表征及影响因素研究

构造煤的孔隙结构具有非均质性、自相似性及标度不变性等分形特征,难以用传统的欧式几何方法对其孔隙特征进行定量描述。为了研究构造煤不同尺度孔隙结构的分形特征及表征方法,采用低温CO_2吸附法、低温N_2吸附法和压汞法等分别测试了4种试验煤样(原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤)的微孔、介孔及大孔孔隙结构,分析了构造煤中不同尺度孔隙的分形特征,探讨了构造煤孔隙结构多尺度分形特征综合表征方法,运用灰色关联方法研究了构造煤孔隙分形维数的影响因素。研究结果表明:基于CO_2吸附数据的微孔填充模型、基于N_2吸附数据的FHH模型和基于压汞数据的热力学模型分别能够对构造煤微孔、介孔和大孔孔隙的分形特征进行有效表征,不同尺度孔隙的分形维数随构造煤类型变化的规律不同,其中微孔分形维数及介孔中2～6 nm孔径段的分形维数随构造煤的破坏程度增大而增高,其余尺度孔隙的分形维数变化则没有明显规律。以阶段孔容比例为权重,对构造煤不同尺度的孔隙分形维数进行加权计算,即得构造煤多尺度综合分形维数,其能够反映不同尺度孔隙的分形特征,表现为多尺度综合分形维数随构造煤变形程度的增强而增大。根据灰色关联度排序,中值孔径、微孔孔容、总比表面积、微孔比表面积等因素对分形维数的影响最大,最可几孔径、总孔容、介孔比表面积、微孔比表面积比例等因素次之,灰分、挥发分、介孔孔容、介孔比表面积比例等因素对分形维数的影响相对较小。     

不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征

煤的吸附能力是决定煤层含气量的重要参数。采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤4个不同煤体结构的高煤阶煤样,通过等温吸附试验分析了不同煤体结构煤样在不同温度和压力下的吸附性能;同时对不同煤体结构煤样进行了低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构特征,从煤体孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附控制机理。结果表明：煤样升压吸附符合Langmuir等温吸附方程,饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高,随着温度的增高而降低。随着煤体破坏程度的增高,孔容和比表面积也相应增大,孔容主要由中孔贡献,比表面积主要由微孔贡献,糜棱煤的孔容和比表面积在不同孔径阶段均最大,其次为碎粒煤、碎裂煤和原生结构煤;低温液氮吸附实验结果与等温吸附试验反映一致规律,这些说明,在同一地质条件下,煤体结构破坏越严重的地区煤层含气量越高。     

煤、页岩和砂岩孔隙结构差异性及对甲烷吸附的影响研究

查明煤、页岩和砂岩孔隙结构差异性,对煤层气、页岩气和致密砂岩气的开发具有重要意义。采集煤、页岩和砂岩样品,利用压汞法、低温氮气吸附法、低温二氧化碳吸附法测试样品的孔隙结构,根据各测试方法的特点,提出了利用低温二氧化碳吸附法、低温氮气吸附法、和压汞法分别测试表征微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和大孔(>50 nm)的全孔径段表征方法,并进行了不同样品的甲烷等温吸附试验,分析孔隙结构对甲烷吸附的影响。试验结果表明：(1)所测样品中,煤中主要发育狭缝形孔隙,页岩和砂岩中主要发育墨水瓶形孔。(2)煤、页岩和砂岩孔隙结构具有较大的差异性,煤微孔发育程度远远大于页岩和砂岩。煤中微孔为煤提供了大部分的孔容和比表面积,其中微孔孔容占总孔容的60%以上,微孔比表面积占总比表面积的95%以上;页岩和砂岩的孔容主要有介孔提供,介孔孔容占到总孔容的65%以上,比表面积由微孔提供,微孔比表面积占到总比表面积的61%以上。(3)不同样品对甲烷吸附能力顺序依次为煤>页岩>砂岩,对甲烷的吸附主要受控于孔比表面积,微孔为煤对甲烷的吸附提供了更多的空间和吸附点位,所以煤对甲烷吸附能力远远...     

甲烷吸附前后高阶煤煤岩孔隙结构变化特征研究

为了查清甲烷吸附作用对煤岩孔隙结构的影响,对采集自西南多煤层地区的高阶煤开展了30℃、最大测试压力12 MPa的甲烷高压等温吸附测试,并对甲烷吸附作用前后煤岩的孔隙结构分别使用氮气探针和二氧化碳探针进行了测试。实验结果表明:高阶煤甲烷等温吸附在低压条件下表现出快速吸附的特征,过剩吸附量在达到最大值后下降;甲烷吸附作用后,煤岩低温液氮吸附滞后环减小,低温二氧化碳吸附量也减小,煤岩孔隙结构发生变化,煤岩中微孔、介孔和大孔的孔容和孔比表面积均下降,微孔孔容和孔比表面积下降明显,且不同孔径孔容、孔比表面积的减少具有分段效应,主要为孔径小于1 nm的微孔和孔径小于8 nm的介孔;高阶煤煤岩孔隙结构的改变与甲烷吸附作用中较高的测试压力有关。     

贵州矿区煤孔隙结构及其等温吸附特性研究

为完善贵州矿区煤孔隙结构及瓦斯吸附特性,促进煤层气的抽采和防治煤与瓦斯突出,以贵州矿区4个不同矿井煤样为研究对象,利用扫描电镜、压汞和等温吸附等手段进行测试。结果表明:贵州煤大量发育裂隙和次生孔隙,这些裂隙和孔隙是煤层瓦斯的吸附场所和流通通道;贵州煤的孔容在0.146 8~0.228 9 m L/g之间,孔比表面积在15.434~18.260 m~2/g之间,平均孔径在33.4~51.4 nm之间,煤中大孔及裂缝是孔体积的主要贡献者,5~10 nm之间的孔隙是煤比表面积的主要贡献者,煤中开放孔较少,孔隙连通性一般;瓦斯的吸附能力与孔体积、孔比表面积具有良好的正相关性,Langmuir单分子层吸附方程适合煤对甲烷的吸附。     

不同破坏程度煤的孔隙特征差异对比研究

为了查明中煤阶不同破坏程度煤的孔隙特征差异,运用低温液氮法对平顶山四矿不同破坏程度的煤样进行测试,对比分析得出了其孔隙结构及分布、分形特征和吸附性能的差异。结果表明:碎裂煤和碎粒煤的吸附平衡等温线为III型,内部大孔发育;糜棱煤为IV型,介孔含量较多;煤的破坏程度越强,总孔体积和比表面积越大,煤内部孔隙结构越复杂,氮气吸附量越大;2～4 nm孔隙的氮气吸附量主要受控于该尺度孔隙的比表面积;孔径4 nm的则主要受控于该尺度孔隙的孔体积。     

长平井田3号煤孔隙特征

煤孔隙对煤层气赋存及运移具有关键控制作用,为了探究长平井田3号煤孔隙特征,为煤层气开发提供理论支撑,采用低温液氮吸附法对煤孔隙特征进行了研究。结果表明:受煤自身属性,煤岩组分、煤中矿物质含量、构造应力、煤变质、煤体破坏程度等地质要素的影响,煤孔隙形态复杂多样,样品间的孔径、孔比表面积及孔容存在显著分异。在众多影响要素中,煤变质作用对煤孔隙特征参数比表面积和孔容影响更为显著,煤体结构影响次之,煤变质程度升高,煤的孔比表面积随之增大,孔容减少。煤的孔比表面积和孔容总体随煤体破坏强度增加而呈增大趋势;煤变质煤中孔隙主要为墨水瓶孔、两端开口的狭缝、一端开口圆筒形孔及平板形孔圆筒孔;孔隙基本为介孔,微孔和大孔不甚发育,煤中开放型孔(有效孔)发育一般,煤孔比表面积和孔容相对偏低,不利于煤层气储集和高效渗流产出。     

基于低温液氮吸附实验的成庄井田3号煤孔隙特征研究

煤的孔隙特征控制着煤的吸附、扩散和渗流特性,采用低温液氮吸附实验对成庄井田3号煤孔隙特征进行了研究。结果表明:煤中孔径小于4 nm的孔隙多为一端开口孔,孔径大于4 nm的孔隙多为两端开口的孔、墨水瓶孔和少量一端开口的孔;煤中孔隙主要为过渡孔和微孔,大孔、中孔不甚发育,使得煤孔比表面积相对较大、孔容相对较小,有利于煤层气的吸附、凝聚储集和扩散运移。