中高阶煤储层分形特征对瓦斯吸附的影响研究

为研究中高阶煤(Vdaf25%)的分形特征对煤层瓦斯吸附规律的影响,针对不同矿区6种中高阶煤样,采用高压容量法测试了煤样的瓦斯吸附能力,利用Langmuir方程拟合得到了表征煤样吸附能力的参数Langmuir体积(VL)和Langmuir压力(PL)。同时,根据电镜扫描(SEM)实验,对煤体表面孔隙特征进行了分析,并利用基于Kolomogrov容量维的分形理论计算得到了煤样孔隙分布的分形维数。在此基础上,研究了分形维数对中高阶煤瓦斯吸附的影响。研究结果表明:不同煤样孔隙结构差异显著,煤体表面孔隙分布具有明显的非均质性和分形特征;煤体变质程度对分形维数具有重要影响,煤化作用使得孔隙结构更加复杂;煤体表面分形对VL和PL的影响不同,VL随着分形维数的增加呈线性增加,而PL与分形维数的关系符合二次曲线,说明煤体表面越复杂,煤体越易于吸附瓦斯。     

气煤的孔隙分形特征对瓦斯吸附的影响

为了研究气煤的孔隙的分形特征对瓦斯吸附的影响,通过低温液氮吸附法对阜康气煤的孔隙结构进行测试,采用FHH模型对实验煤样进行分形维数计算,运用高压容量法测定煤样的吸附特性,分析了气煤的分形维数与瓦斯吸附性能的关系。实验结果表明:表面分形维数D_1与Langmuir体积V_L呈正相关,与Langmuir压力p_L呈负相关;但结构分形维数D_2与煤样的Langmuir体积V_L和Langmuir压力p_L之间的相关性不明显;通过分析可知,气煤中孔隙结构的分布和孔隙类型同时影响着瓦斯气体在煤体孔隙中的运移。     

沁水盆地煤储层孔隙分形特征及其对瓦斯吸附的影响

为研究煤孔隙分形特征及其对瓦斯吸附特性的影响,针对沁水盆地8个煤样开展了低温液氮吸附试验,采用FHH分形理论探讨了煤表面孔隙分形特征,测试了各煤样的瓦斯吸附常数a、b值,并分析了孔隙分形维数对煤体瓦斯吸附的影响。研究结果表明,煤表面孔隙在不同压力段具有不同的分形特征,D1和D2分别代表煤表面微孔、中孔及大孔的分形特征。随变质程度的升高,D1与R0呈现出良好的线性正相关关系,而D2随R0的增加则呈现出先快后慢的抛物线变化。煤体瓦斯吸附特性与煤表面孔隙分形特征密切相关,分形维数D1、D2数值越大,a值越大,煤体瓦斯吸附能力也就越强;分形特征对吸附常数b值的影响较小。     

黔西突出煤的微观孔隙分形特征及其对渗透率的影响

煤层气的运移、赋存与煤体内部孔隙结构密切相关。为研究贵州突出煤体的微观孔隙对其吸附性能及渗透能力的影响,以黔西青龙煤矿和兴隆煤矿的构造煤与原生煤煤样为研究对象,利用全自动氮吸附仪测得煤样的低温液氮吸附曲线,根据分形理论、毛细管平均迂曲度分形模型、渗透率模型计算得到了煤样的孔隙分形维数D_f、毛细管平均迂曲度分形维数D_T、渗透率K,并从分形的角度研究了黔西突出煤的微观孔隙分形特征与其吸附性能及渗透率的关系。研究结果表明:黔西突出煤孔隙度较低,迂曲度τ较大。随着毛细管平均迂曲度分形维数D_T、迂曲度的增大,瓦斯的最大吸附量V_L增加,Langmuir压力P_L降低,瓦斯吸附速度增大。渗透率K与D_T有较好的负相关关系。煤的渗透率低、瓦斯吸附能力强是贵州省矿区频发煤与瓦斯突出的主要原因。     

煤体表面分形对瓦斯吸附影响

以8种不同变质程度煤样为研究对象,采用高压容量法和低压氮气吸附等实验手段,对煤样表面分形特征及吸附性能进行了分析,并利用FHH方程计算得到了煤样表面分形维数。研究结果表明:不同煤样瓦斯吸附能力差异显著,煤体表面分形对气体吸附具有重要影响;随着煤化程度的增加,分形维数呈现先减小后增大的U型曲线。     

含瓦斯煤吸附特性影响因素研究

为研究含瓦斯煤物质组成成分和孔隙结构参数对煤吸附能力的影响,采用压汞试验测试了5种煤样的孔隙结构,并研究了含瓦斯煤比表面积、平均孔径、孔隙度和分形维数等4种孔隙结构参数,分析了含瓦斯煤物质组成成分和孔隙结构参数对瓦斯吸附能力的影响。研究表明:水分、挥发分、比表面积与瓦斯极限吸附量(V_L)呈二次函数关系,灰分和V_L呈负相关,平均孔径和孔隙度与V_L呈正相关。Langmuir压力(P_L)随着灰分和挥发分的增大而增大,随平均孔径和孔隙度的增大而减小,且与比表面积呈二次函数关系。煤样在不同压力阶段具有不同分形特征,因此具有不同的分形维数D_1(r10nm)和D_2(r10nm)。D_1和D_2均大于2.9,分形特征明显。V_L随着D_1的增大而增大,随着D_2的增大而减小。分形维数与P_L的关系不明显。     

不同变质程度煤孔隙结构分形特征对瓦斯吸附性影响

为研究不同变质程度煤孔隙结构分形特征及其对瓦斯吸附特性的影响,通过压汞试验测试了9组不同变质程度煤样孔隙结构,利用Menger海绵模型分析了不同变质程度煤孔隙结构分形特征,结合煤样吸附常数,研究了孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特性的影响。研究结果表明,煤孔隙在不同孔径段具有不同的分形特征,渗流孔分形维数D_1和吸附孔分形维数D_2均随变质程度的增加呈线性增大。煤孔隙分形特征对瓦斯吸附特性具有一定的影响,渗流孔分形维数D_1与吸附常数b呈良好的线性关系,与极限吸附瓦斯量a的关联性不大,表明渗流孔分形维数D_1对吸附瓦斯速率影响较大,对吸附能力影响较小;吸附孔分形维数D_2与极限吸附量a呈正相关关系,与吸附常数b关联关系不明显,说明吸附孔分形维数D_2对瓦斯吸附能力影响较大,对吸附瓦斯速率影响不明显。     

王庄煤矿不同破坏类型煤体结构差异性及其对瓦斯吸附性能的研究

为研究不同破坏类型煤体结构差异性及其对瓦斯吸附的影响,以山西沁水煤田王庄煤矿3号煤层为工程背景,测试了4种不同破坏类型煤样的瓦斯吸附性能;采用低温液氮吸附法分析了不同破坏类型煤样的孔隙结构特征,通过FHH公式计算了煤体孔隙分形维数,并针对不同变形破坏程度煤的结构差异性进行了对比分析。结果表明:不同破坏类型煤样的瓦斯吸附能力差异显著,煤样的Langmuir体积VL从24.34cm~3/g增加到36.16cm~3/g,煤体破坏程度的增加有利于瓦斯吸附;不同破坏类型煤样的孔隙结构差异显著,煤样中值孔径变化范围为13.54~28.37nm,总比表面积在0.389~0.965m~2/g之间变化,分形维数值在2.389~2.682之间变化;总体来看,随煤体破坏程度的增加,煤孔径减小,孔比表面积增加,孔隙结构趋于复杂化,煤体拥有更强的吸附能力。     

不同粒径下煤样瓦斯吸附热力学特性影响实验研究

为揭示不同粒径下煤样的瓦斯吸附热力学特性,选择典型矿井煤样进行不同粒径、温度条件下的瓦斯等温吸附实验,利用Clausius-Clapeyron方程计算出各煤样等量吸附热;根据Langmuir方程建立了含标准平衡压力常数的瓦斯吸附自由能方程,得到其吸附自由能;通过Gibb-Helmholtz方程获得各煤样的吸附熵。研究结果表明:不同粒径、温度影响因素下的煤体瓦斯吸附过程依旧可用Langmuir方程表征;不同粒径煤样瓦斯等量吸附热、吸附自由能和吸附熵均小于0,变化范围分别为-14.19~-22.27 k J/mol、-4.83~-6.72 k J/mol和-28.20~-51.32 J/(mol·K);随着粒径增大,煤样瓦斯等量吸附热、吸附自由能、吸附熵均增大;随着温度升高,煤样瓦斯吸附自由能、吸附熵逐渐降低。实验结果表明,煤体瓦斯吸附过程是一种放热、自发、熵减小的物理吸附过程。     

基于低温液氮浸溶处理的淮南矿区松软中阶煤孔隙特征

为了研究低温液氮浸溶处理对淮南矿区中阶煤孔隙结构及其分形特征影响,采用不同液氮浸溶时间处理煤样,通过压汞法和液氮吸附法对煤体的孔隙结构加以测定,结合分形理论从多角度分析不同浸溶时间下煤体孔隙的发育规律及其尺度特征。结果表明：随着液氮浸溶时间的增加,煤体总孔容由198.089×10-3 cm3/g上升至371.553×10-3 cm3/g,总比表面积则由4.984m2/g下降至4.496 m2/g,效果显著;煤体吸附孔减小,渗流孔增加,吸附孔的孔隙连通性增加形成更大级别的孔隙,逐渐向渗流孔转变;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数与液氮浸溶时间呈现负线性相关,液氮浸溶对于渗流孔分形维数比对吸附孔分形维数的影响程度更为显著;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数随着液氮浸溶时间的增大逐渐降低,表明了煤体内部孔隙随着液氮浸溶时间的增大结构复杂程度降低,孔隙之间的贯通性增强,煤体孔隙度和渗透性的增加;综合分形维数随着煤体平均孔径和总孔体积的增加而减小,随着总比表面积的增加而增加,随着液氮浸溶时间的增加,煤体综合分形维数下降,煤体的吸附能力有所减弱,渗流能力有所增强,有助于提升淮南矿区低渗煤层煤层气抽采效果。     

鄂尔多斯盆地煤储层低温氮吸附孔隙分形特征研究

在利用低温氮吸附法测试鄂尔多斯盆地煤储层孔隙分布的基础上 ,计算了煤样的孔容及比表面分维数 ,并分析了煤储层对甲烷的吸附能力与孔隙分维之间的关系。研究表明随着比表面分维数的增加 ,煤储层兰氏体积减小 ,而兰氏压力增加 ,随着孔容分维数的增加兰氏体积减小。     

温度对煤吸附性能的影响

为了研究温度对煤体吸附甲烷性能的影响,采用WY-98B型吸附常数测定仪,选取了含气量较高矿井的3种煤样,进行了不同温度下吸附甲烷的等温线测试,并据此拟合出了温度与Langmuir吸附常数a的曲线方程.利用计算煤表面能的方法,推导出了温度与Langmuir吸附常数b的关系.实验及计算结果表明：随着吸附温度的升高,煤体吸附甲烷量变小,压力越大这种变化趋势越大;Langmuir常数a随温度的增大而减小,吸附量越大的煤样,其吸附常数a随温度变化的剧烈程度越大;Langmuir常数b与温度的关系依赖于吸附温度T、吸附平衡时的压强p_t以及煤自身物理性能所决定的常数k;在一定温度范围内,温度对吸附常数的影响可以用具体的函数关系式表示.     

中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征

采集华蓥山煤田中梁山南矿9个有代表性的煤层样品进行低温氮吸附实验,分析构造煤吸附孔分形特征及分形维数与气体吸附能力的关系。低温氮吸附、解吸曲线表明不同变形序列构造煤在相对压力0.5~1.0范围内吸附特征各异。在此基础上,运用分形FHH方法得到构造煤分形维数D。研究表明：分形维数D可以表征构造煤吸附孔孔径结构和孔表面的变化关系;分形维数越高,微孔含量越多,孔表面越不规则,孔隙结构非均质性愈强;分形维数大小可反映煤的吸附能力,分形维数增高,吸附能力增强。因此,由构造变形增强引起的高分形维数和复杂的孔隙结构显示出更高的吸附能力。     

考虑多因素的页岩气吸附模型——以川东南五峰组—龙马溪组页岩为例

甲烷在页岩中的吸附同时受页岩本体物理性质和外部储存条件的综合影响,为了建立考虑多种因素影响的页岩气吸附模型,以川东南五峰组—龙马溪组页岩为例,开展了不同总有机碳含量(TOC含量)的页岩在多个不同温度、不同含水率下对甲烷的吸附实验,采用Langmuir吸附模型对吸附数据进行了拟合,分析了饱和吸附量及Langmuir压力分别与温度、TOC含量及含水率的定量关系,最终建立了考虑温度、压力、TOC含量及含水率综合影响的多因素页岩气吸附模型,并通过与实测吸附数据对比验证了该模型的准确性。结果表明:Langmuir模型能很好的拟合五峰组—龙马溪组页岩在不同特定条件下的吸附数据,拟合精度较高,决定系数R²介于0.9728~0.9982。饱和吸附量与TOC含量呈正线性相关,与温度及含水率呈线性负相关。Langmuir压力与TOC含量呈线性负相关,与温度及含水率呈线性正相关。30℃下TOC含量为4.17%的页岩干样吸附量比TOC含量为2.95%的页岩干样吸附量高约39%。当温度由30℃增至80℃时,TOC含量为4.17%的页岩干样其饱和吸附量降低约30.6%。对于TOC含量为3.66%的含水页岩,当含水率由0增至4.2%时,30℃和60℃下页岩气的饱和吸附量分别降低了23.1%和11.4%。基于Langmuir模型建立的考虑多因素的吸附模型能准确的计算不同TOC含量、不同温度及不同含水情况下的页岩气吸附量。经与2组实测吸附数据对比验证,整个实验压力范围内的相对误差均小于6%,平均误差分别为3.67%和2.48%。经采用其他文献中不同物性的页岩吸附数据验证,表明多因素吸附模型对不同页岩有很好的适用性。     

四川新场气田须家河组陆相页岩孔隙分形维数及其甲烷吸附效应

四川盆地陆相页岩的孔隙结构、分形维数和甲烷吸附能力认识不清,制约了陆相页岩气选区和评价。针对川西新场须五段陆相页岩,开展了超低压氮气吸附、高压甲烷吸附测试,基于低压氮气吸附Frenkel-Halsey-Hill（FHH）模型计算得到分形维数D₁和D₂（相对压力在0～0.5和0.5～1.0条件下）,分析了须五段陆相页岩的分形维数与基质组分（TOC和矿物组分）、孔隙结构（平均孔径,比表面积,总孔体积）的相关关系,揭示了页岩分形维数对甲烷吸附能力的控制。结果表明,须五段陆相页岩分形维数D₁为2.495 0~2.574 4,分形维数D₂为2.657 8~2.841 2,D₁代表页岩孔隙表面分形维数,而D₂表示孔隙体积的分形特征。须五段页岩的基质组分对分形维数D₁和D₂产生不同的影响。分形维数D₁和D₂与甲烷吸附量呈正相关。研究表明分形维数可以作为评价页岩气储层的关键参数。     

不同矿化度水对煤储层吸附性能的影响

为了探究水分及其矿化度对煤样吸附甲烷能力的影响,以准噶尔盆地南缘玛纳斯矿区侏罗系西山窑组块状煤样为例,采用矿化度水配制—样品制备—样品大气压下水浸—高压下注水—等温吸附实验的实验步骤,开展煤样干燥、饱水及含不同矿化度水条件下煤的等温吸附实验,探讨不同矿化度水对煤储层吸附性能的影响。研究结果表明:干燥煤样的兰氏体积显著大于注蒸馏水煤样的兰氏体积,注蒸馏水煤样的兰氏体积大于注10 000 mg/L矿化度水煤样的兰氏体积,但后者与注20 000 mg/L矿化度水煤样的兰氏体积相差不大。其主要原因为注蒸馏水煤样中水分子比甲烷分子更容易占据煤基质内表面或微孔内表面的吸附位,从而使得兰氏体积降低,而含矿化度水使得煤基质表面的吸附位进一步减少,从而造成了煤样对甲烷的吸附能力降低,但这也存在着一个极限值,大于20 000 mg/L矿化度水已不能明显降低煤样的兰氏体积。因此可推断,在地下水径流区或弱径流区,煤层水的矿化度不断增大至10 000 mg/L时,煤层中处于动态平衡的游离气含量会增加,而吸附气含量会减少,当煤层水矿化度超过10 000 mg/L,煤层中吸附气与游离气的含量比例趋于稳定。实验从研究创新的角度出发,以低煤阶煤样为例,对比分析了含不同矿化度水条件下煤样对甲烷的吸附能力的差异,并且进行了相关的理论分析和机制解释,认为地下水矿化度影响煤储层对甲烷的吸附能力。     

朗格缪尔方程改直方式对瓦斯吸附常数计算结果的影响

对朗格缪尔方程进行改直，是利用等温吸附平衡试验数据计算吸附平衡常数的常见做法。选取6组不同矿区的煤样瓦斯等温测试数据，分析了朗格缪尔方程不同改直方式对吸附常数回归计算结果的影响。研究表明:对于同一组瓦斯吸附平衡数据（p_i，x_i），采用不同方式对朗格缪尔方程改直，回归得到的吸附常数往往不一致，有时甚至差异很大，这种差异产生的主要原因是测试数据本身的误差所致；无论采用何种方式对朗格缪尔方程进行改直，回归过程均会产生计算误差，从回归运算次数分析、数据点分布和相对误差来看，改直表达式（2）计算准确度优于表达式（3），利用LINGO软件编写程序直接对朗格缪尔方程进行求解，吸附常数的计算准确度最高；利用表达式（2）、表达式（3）得到的吸附常数计算煤层瓦斯吸附量也会存在误差，其相对误差具有随瓦斯压力升高而减小的趋势，由表达式（2）产生误差小于表达式（3）。     

固定碳对煤的孔结构和甲烷吸附量的影响

以4种不同固定碳质量分数的煤样作为研究对象,采用SEM表征其形貌,采用77 K时的N2吸脱附实验测定其比表面积、孔容和孔径分布,容量法测定其吸附甲烷的性能,并讨论煤的固定碳质量分数对其比表面积、孔容和吸附甲烷能力的影响。结果表明：当固定碳质量分数从70.17%增大到88.34%时,固定碳质量分数对煤的表面形貌、比表面积、孔容以及孔径分布的影响不显著;当固定碳质量分数从88.34%增大到94.45%时,煤的比表面积、微孔孔容分别增大1.84倍和5.06倍,孔径分布向微孔方向移动;Langmuir体积V L与固定碳质量分数（70.17%～94.45%）呈U型的二次多项式关系。     

煤对CH4/CO2二元气体等温吸附特性及其预测

研究了晋城煤和潞安煤对CO₂和CH₄及其二元混合气体的等温吸附特性，利用扩展Langmuir和理想吸附溶液理论结合纯气体等温吸附模型Langmuir，DA，DR，BET对吸附实验数据进行预测，并检验了实验数据的预测准确度.研究结果表明，煤对混合气体的吸附量介于CH₄和CO₂吸附量之间；煤对混合气体中CH₄的吸附量并不是随压力的增加而增加；理想吸附溶液理论结合纯气体吸附等温线对CO₂/CH₄二元混合气体实验数据预测的准确度要高于扩展Langmuir，理想吸附溶液理论对混合气体吸附预测的准确度取决于所用的纯气体的等温吸附方程和所预测的煤样煤质指标.     

煤表面非均匀势阱吸附甲烷特性数值模拟

利用蒙特卡洛方法建立了煤与甲烷吸附动力学的数值模型,并对两种非均匀势阱煤样模型的吸附甲烷过程进行计算,分析其在不同温度与吸附压力下吸附甲烷特性以及吸附热的变化规律。研究表明:非均匀势阱煤样模型等温吸附过程与理想朗格缪尔曲线有明显不同,等压吸附过程可利用负指数规律精确描述。煤样模型势阱深度分布的非均匀特征对煤与甲烷吸附热,以及吸附量对于温度和压力的敏感性均有一定影响。通过对不同吸附压力下吸附速率参数b的拟合计算,推导出非均匀势阱等温吸附方程,物理实验验证表明该方程对真实煤样吸附解吸甲烷过程的描述比理想朗格缪尔方程更加精确。