焦作矿区煤层气运移分馏特征

通过对焦作矿区二1煤层自上而下连续取样,做含气量、气体成分、甲烷碳同位素、显微煤岩组分和等温吸附等一系列实验,引用吸附势理论计算煤层气含量演化史,并结合煤层的埋藏史和热史进行分析,认为该区存在煤层气的运移和再聚集。揭示出该区存在3种煤层气分馏机理:热解分馏、解吸/吸附—扩散分馏和水溶解分馏。三者共同作用造成煤层底部的构造煤分层δ13C值高于其上部的原生结构煤分层,形成甲烷碳同位素的分馏。解吸/吸附—扩散分馏和水溶解分馏分别造成煤层底部的构造煤分层N2和CO2组分值低于其上部的原生结构煤分层,形成煤层气组分分馏。煤层气的运移、再聚集和多种分馏机理造成该区煤层气较为富集,成为煤层气开发的有利区。     

晋城地区煤层甲烷碳同位素特征及成因探讨

对取自沁水盆地南部晋城地区的煤芯样中的解吸气进行了甲烷碳同位素测定.结果表明，随着解吸过程的进行，δ¹³C₁值逐渐变重，δ¹³C₁值和解吸时间呈对数关系，δ¹³C₁值变重趋势具有先快后慢的阶段性特点.取样条件和取样时间对煤层甲烷碳同位素值有较大影响，在某一个时间点所取气样的同位素值不一定代表该井原地气体的同位素值.在采样进行同位素测定时，煤样全部解吸气体的碳同位素的平均值才能代表该井煤层气的原地气同位素值.在实际操作中，可以用罐装煤样气体解吸半量时间点所取气样的同位素值来代表全部解吸气体的同位素平均值.与煤岩热模拟实验所得到的经验公式计算结果比较，晋城地区实测的煤层甲烷碳同位素值偏轻.晋城地区煤层甲烷碳同位素的组成特点受解吸-扩散-运移过程中发生的分馏效应以及其他多种因素的共同制约.     

顺层钻孔抽采煤层瓦斯固气耦合模型的建立与应用

将煤体看作双重孔隙单渗透率的特殊多孔介质,考虑煤层变形引起的孔隙率及渗透率变化,瓦斯的渗流扩散及吸附瓦斯解吸过程,建立了煤层瓦斯抽采固气耦合数学物理模型。利用COMSOL软件,模拟研究了钻孔抽采过程中煤层瓦斯的运移规律。研究结果表明:煤层中某一位置的渗流速度变化曲线会随着其与钻孔距离的变化而变化,距离钻孔越远渗流速度达到最大值所用的时间越长,渗流速度最大值也越小。研究结果对治理煤层瓦斯具有重要意义。     

煤层甲烷碳同位素与含气性关系

煤层气甲烷碳同位素值是反映煤层气成因及赋存条件的有效参数。通过对沁水盆地沁南东区块煤层甲烷碳同位素和煤储层含气性测试资料分析,剖析了3号煤层甲烷碳同位素分布特征,建立了煤层甲烷碳同位素与镜质组反射率、煤层埋藏深度和煤储层含气性之间的相关关系和模型,揭示了煤层甲烷碳同位素分布的控制机理。研究结果表明:本区3号煤层自然解吸气甲烷碳同位素为-28.89‰~-53.27‰,平均-36.48‰。与全国其他地区同等演化程度的煤层气相比总体偏重,表现出煤层具有较好的保存条件;3号煤层甲烷碳同位素与镜质组反射率和煤层埋藏深度之间呈对数函数关系,且随着镜质组反射率和煤层埋藏深度增加而变重,与全国煤层甲烷碳同位素统计规律一致,主要受控于煤层气形成的热动力学机制之下的同位素分异效应和煤层气解吸—扩散—运移过程中甲烷碳同位素的分馏效应;煤层甲烷碳同位素与煤储层含气性之间存在相关性,且随着煤层气含量、煤储层压力和含气饱和度增加,3号煤层甲烷碳同位素也相应变重,且呈对数函数关系,反映控制煤储层含气性的因素与控制煤层甲烷碳同位素的因素存在一致性。     

煤层吸附气的全解吸过程及组分与碳同位素变化:基于热模拟实验结果

解吸法是测试煤层含气量、评价煤层气地球化学特征的常用方法,但由于存在一定数量的损失气,使得对煤层气的全解吸过程了解甚少,也难以评估损失气拟合计算的可靠性。利用自主研发的煤层气/页岩气生成与解吸实验装置,对一块煤岩样品(Ro=0. 84%)进行了模拟(模拟后样品Ro=1. 80%),精确测定了在设定条件下的损失气、解吸气与残留气的数量、成分与甲烷碳同位素,对比研究了USBM直线法和多项式回归法对损失气拟合计算的制约条件与可靠性,探讨了煤层气解吸过程中成分与甲烷碳同位素分馏的机理。结果表明:损失时间是影响损失气量估算结果可靠性的关键,当损失时间较短(0. 25 h),USBM直线法与多项式法估算的均损失气量较接近真实值;相比之下,多项式法的结果更为可靠。样品气体解吸过程存在成分与甲烷碳同位素分馏,表现为:气体干燥系数(C_1/C_(1-3))总体降低,甲烷碳同位素(δ~(13)C_1)逐渐变重。样品广泛发育纳米孔隙结构,在气体解吸过程中存在的解吸-扩散-运移分馏是导致气体组分和甲烷碳同位素分馏的重要原因。     

基于流-固-热耦合的煤层瓦斯抽采数值模拟研究

为了提高煤层瓦斯抽采效果预测的准确性,揭示瓦斯抽采过程中煤层各参数的变化规律,基于煤岩结构和瓦斯煤层内运移特征,结合岩体力学、渗流力学、传热学相关理论,建立了煤层瓦斯抽采的流-固-热耦合模型,进行了单裸竖直钻井瓦斯抽采数值模拟,结果表明:所建模型解算结果与工程实际相吻合,能够满足工程需要;在瓦斯抽采过程中煤层温度、瓦斯压力和产气速率均随着抽采时间的增加而减小,瓦斯抽采活动对煤层温度的变化有着很大影响;由于瓦斯吸附量减少和温度降低引起的煤基质应变降低值大于煤层压力降低引起应变增高值,瓦斯抽采影响范围内煤体渗透率不断增高,但受煤层瓦斯运移、解吸速度的影响,煤体渗透率增高速率不断减缓。     

瓦斯脱附扩散迟滞压力及双重孔隙煤体窜流函数

煤中瓦斯运移要经过脱附-扩散-渗流等贯序环节才能进入钻孔或巷道。大量有关残存瓦斯含量、煤的瓦斯吸附解吸残余变形及吸附解吸迟滞的研究显示,煤中瓦斯脱附扩散过程较吸附扩散过程存在不可忽略的附加阻力,其大小由扩散路径长度及复杂度所控制。脱附扩散附加阻力影响基质系统与裂隙系统间的质量交换,但当前被广泛使用的双重孔隙煤体瓦斯运移模型并未考虑其影响,用于瓦斯抽采流场特性的理论分析时将使瓦斯含量被低估。基质系统与裂隙系统间的质量交换也被称为窜流,窜流函数是计算基质系统与裂隙系统间质量交换量/速率的关键函数。为了修正煤层瓦斯运移模型,开展了以煤粒（煤柱）吸附解吸等温测试模拟裂隙压力恒定的窜流试验,提出了瓦斯脱附扩散迟滞压力用于定量评价附加阻力,修正了双重孔隙煤体窜流函数,并同试验结果进行了对比验证。获得如下成果：明确了瓦斯脱附扩散迟滞压力的概念与物理意义;当最大吸附平衡压力相同时,降压过程中瓦斯脱附扩散迟滞压力随粒径增大而增大,对于同一样品,瓦斯脱附扩散迟滞压力随压降值的增大而减小;使用修正模型模拟煤柱瓦斯解吸过程与试验获得的等温解吸数据匹配度较好,R²可达98.2%。随着开采深...     

沁水盆地北部太原组煤层气碳同位素特征及成因探讨

为了研究沁水盆地北部寺家庄太原组煤层甲烷 (CH 4)及二氧化碳(CO 2)的成因,对11口煤层气井排采气进行了化学组分和同位素测试,探讨了煤层CH 4及CO 2的成因及联系。结果表明：沁水盆地北部煤层CH 4平均体积分数为98.6%,CO 2为0.25%,N 2为1.07%;煤层CH 4碳同位素值介于-33.2‰~-40.8‰,平均值为-37.1‰,以煤热裂解成因为主,含有微生物CO 2还原成因CH 4,属于混合成因煤层气。沁北煤层CH 4碳同位素分馏起主导作用的是解吸-扩散-运移作用,储层浅部压力小,含轻碳同位素的CH 4优先解吸,经扩散运移至上部地层进而逸散到大气中。煤层CO 2的δ13C值为-15.9‰~+0.05‰,平均值为-8.6‰,为煤热演化初期或最近一次煤层抬升再沉降后煤中有机质热裂解产生,碳同位素较重的地方受地下水或微生物CO 2还原作用影响。煤层CO 2碳同位素随煤层埋藏变浅而变重,浅部煤层微生物CO 2还原作用强,使CO 2碳同位素变重。     

基于流固耦合模型的穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究

为研究钻孔瓦斯抽采渗流规律,为钻孔合理布置提供依据,提出了考虑气-水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在多孔介质的有效应力原理基础上,考虑瓦斯吸附/解吸产生的应力,推导出煤体应力-应变本构关系;分析水和瓦斯运移的气-水两相流过程,以相对渗透率为桥梁,给出水渗流方程和考虑Klinkenberg效应的瓦斯渗流方程;构建作为耦合项的煤层孔隙率和渗透率动态演化方程,结合成庄矿4321工作面进行数值模拟。结果表明:成庄矿4321底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采预抽期定为90 d是合理的,抽采过程中瓦斯渗流速度具有阶段性,增大抽采负压对抽采效果影响不明显;穿层钻孔布置方式为终孔间距9 m,钻场间距9 m。工程实践表明,测得的煤层瓦斯压力变化情况与数值模拟结果基本吻合,抽采后煤层瓦斯含量为6.46~7.67 m~3/t,43212巷瓦斯浓度降低了37%,抽采效果良好。     

考虑煤渗透性变化的抽采渗流耦合模型研究及应用

为揭示煤岩变形对煤层瓦斯抽采渗流特性的影响,开展了煤层瓦斯抽采气固耦合问题研究。首先,考虑煤吸附解吸变形、孔隙压力及渗透性变化对瓦斯抽采的影响|然后,根据达西定律,建立以有效应力及吸附应变为耦合媒介的煤层瓦斯渗流和煤岩变形气固耦合方程|最后,以沙曲矿24208工作面为工程背景进行抽采煤层位移、吸附应变和瓦斯渗流数值模拟,并对比分析煤层瓦斯压力、煤层渗透率和瓦斯抽采量的耦合效应。结果表明：抽采后钻孔周围煤体位移呈增大趋势,煤体因瓦斯解吸收缩变形,距抽采孔越近应变量越大|抽采初期煤层瓦斯压降梯度大|煤层渗透率随抽采时间呈增大趋势,距孔越近增幅越大|初期钻孔瓦斯抽采量较大但降幅较快,后趋于稳定,对比发现模型抽采量计算结果与实际抽采数据较为一致。     

基于煤中甲烷赋存和运移特性的新孔隙分类方法

煤中复杂的多尺度孔隙结构是瓦斯赋存的空间和运移的通道，厘清甲烷在不同孔隙中的赋存和运移特性对煤层瓦斯的抽采利用以及灾害防治具有重要意义。在过去的几十年中，学者们对煤中复杂孔隙结构进行了大量的研究与分类。随着孔隙测试技术的发展，以及对煤中甲烷赋存和运移特性的进一步认识，发现现有的煤孔隙分类方法存在不足。因此，对以往的孔隙分类方法进行全面回顾，并基于最新的煤中甲烷赋存和运移特性的研究成果，提出了一种新的针对煤和甲烷系统的孔隙分类方法。将煤中孔隙结构划分为不可达孔(<0.38 nm)、填充孔(0.38～1.50 nm,吸附相扩散)、扩散孔(1.50～100 nm,游离相扩散)和渗流孔(>100 nm)4类，且煤中不同孔隙(填充孔、扩散孔和渗流孔)形成顺序串联，相同孔隙形成相互并联为主的连接模式。煤中甲烷主要以微孔填充形式吸附于填充孔中，填充孔中的吸附态甲烷作为煤层瓦斯运移的源头，以吸附相扩散的形式为扩散孔中的游离相扩散提供源源不断的甲烷分子，而扩散孔中运移的甲烷也汇总至渗流孔并不断渗流到抽采钻孔或煤壁表面。新的煤孔隙分类方法总结了甲烷分子在不同尺寸孔隙结构中的赋存形式(微孔填充吸...     

考虑基质多尺度扩散的双孔隙介质模型

基于煤层瓦斯运移的多尺度扩散效应,根据变直径毛细管物理模型,通过压汞实验、低温液氮和二氧化碳吸附实验对贵州某矿7~#煤层煤样的孔径分布进行测定,通过Knudsen方程得出不同扩散方式的临界直径,从而得出不同扩散方式所占比例,提出考虑多种扩散方式的有效扩散系数.建立了考虑多尺度扩散、Klinkenberg效应、基质收缩和有效应力的双孔隙介质耦合模型,利用多物理场耦合软件对煤层瓦斯钻孔抽采情况进行了数值模拟研究,分析了新模型条件下钻孔抽采煤基质和煤裂隙中的瓦斯压力分布以及瓦斯扩散速度和瓦斯渗流速度的差异,得出煤层瓦斯钻孔抽采情况下的运移规律.通过在井下打穿层钻孔进行瓦斯抽采,测量每天的瓦斯流速和流量,将现场测得的瓦斯流速和流量与数值模拟结果做对比,得出所建立的双孔隙介质模型符合工程实际的要求,为深煤层开采瓦斯防治提供参考.     

贵州西部地区煤层气井产出气地球化学特征

基于贵州西部17口煤层气井不同排采时间的产出气,通过对气体组分、甲烷碳氢同位素测试以及产能数据的收集,结合研究区水动力条件以及地质特征,研究了该区域煤层气地球化学特征、地质控制因素及与煤层气产能的关系。结果显示:研究区煤层气组分以甲烷为主,属于干气~特别干的气体,甲烷组分体积分数介于91.504%~99.508%,其次为N2和CO2,不同地方煤层气井重烃含量变化大。甲烷稳定碳同位素δ13C1值介于-44.1‰^-27.8‰,δD值介于-196.5‰^-120.8‰,属于热成因气,松河GP井组和大河边Z-1井接近于原生煤层气的特征,研究区东北部织金ZJ井组及其余各井明显受到运移-扩散次生作用的影响。贵州西部煤层气井产出气的甲烷碳氢同位素值呈现东北高西南低的分布趋势,煤变质程度对产出气的地球化学特征具有主要的控制作用,其中甲烷氢同位素值的分布亦受到沉积环境的变化控制。在同一煤层气井组内部,甲烷的碳氢同位素值大小受井组内水动力条件的变化以及开发煤层埋深的影响较大。甲烷碳氢同位素值与日产气量呈现负相关关系,其本质在于甲烷的碳氢同位素受控于埋深及埋深主导的水动力条件的变化,而埋深的差异性很好的控制了产气能力。煤层气井产出气随着排采时间的变化,煤层气气体组分和甲烷碳氢同位素值呈现一定规律的变化,其中碳氢同位素值随着排采时间变化总体有波动性增大变重趋势,这与组分分馏和同位素分馏有关。     

关于煤层甲烷稳定碳同位素研究的回顾与展望

稳定同位素研究在常规天然气研究中具有重要的作用，本文对甲烷碳同位素的控制与影响因素、煤层气同位素地球化学与成因类型以及煤层甲烷δ^13C值偏轻的原因等方面的研究现状进行了分析，认为在今后工作中应针对煤储层的特点，加强煤层的吸附／解吸特性对甲烷碳同位素分馏作用影响的研究。     

多煤层条件下高位钻孔瓦斯抽采层位优选研究

为解决多煤层条件下多来源卸压瓦斯高位钻孔抽采层位不清的问题,引入同位素识别技术,并通过现场实测煤层解吸瓦斯及不同层位高位钻孔抽采瓦斯气体组分及碳氢同位素值,计算得出山西腾晖煤矿607工作面高位钻孔瓦斯抽采来源及比例,确定了其高位钻孔瓦斯抽采的最佳层位。结果表明:随着高位钻孔层位的增大,本煤层采空区遗煤瓦斯及下邻近层卸压瓦斯来源占比逐渐增加,上邻近层卸压瓦斯来源占比减小;确定了有效控制本煤层及下邻近层瓦斯的最佳高位钻孔低层位,即距开采煤层顶板7.9～14.2 m,以及有效控制本煤层及上邻近层瓦斯的最佳高位钻孔高层位,即距开采煤层顶板42.1～45.4 m。     

五阳煤矿低透气性松软煤层瓦斯抽采参数优化数值模拟

煤层透气性低,煤质松软,抽采难度大,抽采率低是目前五阳煤矿瓦斯抽采存在的主要问题,根据煤与瓦斯的耦合作用机理及煤层瓦斯的运移规律,深入分析五阳煤矿现有瓦斯抽采系统,利用RFPA2D-Flow建立本煤层瓦斯预抽钻孔数值模型,对比分析回采巷道先抽后采过程中平行钻孔预抽时间、钻孔间距和抽采负压对瓦斯抽采效果的影响,最终确定其合理的抽采参数,提高瓦斯抽采率。     

基于含瓦斯煤固气耦合模型的数值模拟和应用研究

综合考虑动态孔隙率、渗透率和渗流-扩散及瓦斯吸附/解吸引起变形,建立固气耦合动力学模型,利用模型就司马煤矿1206工作面建立单一顺层钻孔抽采煤层瓦斯模型,模拟钻孔有效抽采半径,以数值分析结果为依据对工作面瓦斯抽采钻孔进行设计,最终表明:抽采效果较好,数值分析对开展现场工作具有一定指导意义。     

钻孔周围瓦斯压力分布及抽放参数研究

为了分析钻孔抽采瓦斯运移规律,理论分析了煤岩体瓦斯运移规律计算方程,依据此建立了钻孔抽采瓦斯模型,然后数值模拟了不同抽采时间下瓦斯压力分布、不同理论下钻孔瓦斯有效抽采半径以及不同抽放时间下煤层渗透率变化规律。研究为矿井瓦斯抽放提供了借鉴。     

采动影响下煤层瓦斯运移规律研究

煤层中的瓦斯流动是一个瓦斯气体运移与煤层固体变形之间相互耦合的复杂过程。以鹤煤三矿3号煤层4101工作面为研究对象,建立了双重孔隙特性瓦斯运移数学模型,借助有限元方法量化分析了气体运移、钻孔破坏之间的气固耦合现象,分析了塑性破坏对渗透率的影响,并利用Comosol研究了注入空气对瓦斯压力、流量的作用过程。现场试验表明,数值模拟所得结果较好地匹配了现场瓦斯压力结果,数据间的差异可能来自于对煤层赋存环境的理想简化,所建立抽采模型可以用于矿井抽采钻孔参数设计与抽采效果评价。     

瓦斯抽采半径确定的数值模拟研究

为了研究钻孔抽采过程中煤层瓦斯的运移规律以及确定合理的抽采半径,基于煤体孔隙-裂隙双重介质的结构模型,建立了考虑吸附解吸的受载含瓦斯煤体瓦斯流动耦合方程。并实测鹤壁三矿二1煤层数值计算所需相关参数,采用COMSOL-Multiphysics数值模拟软件对钻孔周围的煤层瓦斯流动进行数值计算模拟,得到不同抽采时间内的有效半径,并根据模拟结果探讨了抽采负压对抽采效果的影响。最后通过模拟流量数据与现场实测流量数据的比较,两者结果基本一致,从而验证了数值模拟结果的正确性。