含瓦斯煤的渗透率演化模型及其影响因素研究

为了研究瓦斯抽采过程中煤体渗透率的变化规律,推导建立了考虑吸附膨胀应力的含瓦斯煤的孔隙率模型和含瓦斯煤的渗透率演化模型,通过三轴应力条件下的含瓦斯煤渗透率实验对该模型进行了验证,两者吻合度较高。基于该模型研究了在孔隙压力卸载状态下煤的弹性模量、初始孔隙率、吸附性常数、吸附膨胀应力系数等对渗透率的影响规律。结果表明:在气体卸压过程中,煤的弹性模量越小,其渗透率的变化率波动就相对越大;煤的初始孔隙率越小,其孔隙率的变化率越大,进而渗透率的变化率也就越大;煤的吸附膨胀应力系数对渗透率的影响作用与Langmuir吸附常数类似,其值越大则气体解吸所引起的渗透率增大就越强,渗透率下降就越缓慢。     

邯郸击实膨胀土的胀缩特性研究

在室内膨胀土测试试验的基础上,对邯郸膨胀土击实土样的胀缩特性进行了研究。分析了击实土样的膨胀力与初始含水量、初始干密度,以及膨胀率与压力、初始含水量和初始干密度的定量关系。结果显示：膨胀力和膨胀率均与初始含水量呈负线性相关,与初始干密度呈正线性相关;膨胀率与压力呈负指数相关。同时还根据膨胀土胀缩变形的物理机制,对各因素对膨胀土的影响机制进行了分析。     

邯郸击实膨胀土的胀缩特性研究

在室内膨胀土测试试验的基础上,对邯郸膨胀土击实土样的胀缩特性进行了研究。分析了击实土样的膨胀力与初始含水量、初始干密度,以及膨胀率与压力、初始含水量和初始干密度的定量关系。结果显示:膨胀力和膨胀率均与初始含水量呈负线性相关,与初始干密度呈正线性相关;膨胀率与压力呈负指数相关。同时还根据膨胀土胀缩变形的物理机制,对各因素对膨胀土的影响机制进行了分析。     

邯郸击实膨胀土的胀缩特性研究

在室内膨胀土测试试验的基础上,对邯郸膨胀土击实土样的胀缩特性进行了研究.分析了击实土样的膨胀力与初始含水量、初始干密度,以及膨胀率与压力、初始含水量和初始干密度的定量关系.结果显示:膨胀力和膨胀率均与初始含水量呈负线性相关,与初始干密度呈正线性相关;膨胀率与压力呈负指数相关.同时还根据膨胀土胀缩变形的物理机制,对各因素对膨胀土的影响机制进行了分析.     

煤的瓦斯放散初速度影响因素实验现状研究

为了更加系统地了解煤的瓦斯放散初速度影响因素实验现状,归纳了前人对煤的粒径、孔隙、水分、温度等单因素以及多因素耦合作用对煤的瓦斯放散初速度影响的实验研究。提出了将瓦斯放散初速度与煤的吸附解吸特性、渗透率、瓦斯的初始膨胀能等进行综合研究的思路。     

煤层钻孔瓦斯抽采效果影响因素分析

为研究瓦斯抽采效率的影响因素，考虑吸附瓦斯与游离瓦斯建立了煤层瓦斯流动的流固耦合模型，本文采用COMSOl数值模拟软件，分析了不同初始地应力、初始渗透率以及钻孔直径条件下的瓦斯抽采效果以及抽采有效半径变化情况。研究结果表明：初始地应力、初始渗透率和钻孔直径均会影响瓦斯抽采效果，但其对瓦斯抽采效果的影响程度不同；抽采有效半径对初始渗透率的变化最敏感，钻孔直径次之，对初始地应力的敏感程度最低；在某一钻孔直径范围内，瓦斯抽采效果随钻孔直径的增加变化不明显，而超出此范围后，抽采效果有明显提高，选择合适的钻孔直径对于提高瓦斯抽采效果具有重要作用。     

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。     

低煤阶煤储层敏感性分析及对煤层气排采的影响

为实现低煤阶储层煤层气的高效开发,对大佛寺井田4煤进行了流速敏感性和压力敏感性实验分析,并研究了储层敏感性对煤层气排采作业的影响。结果表明:低煤阶煤储层存在流速敏感性,当渗流速度大于临界流速,储层渗透率有所下降。低煤阶煤储层具有强压力敏感性,且存在不可逆性;升压结束后,渗透率损害率高达90%以上;卸压后,渗透率不能恢复到初始水平,不可逆渗透率损害率达60%以上。为了降低储层敏感性对煤层气井的影响,就必须遵循缓慢、连续、稳定降压的排采原则。     

高煤阶煤储层敏感性对煤层气井排采的影响

为实现高煤阶煤储层煤层气井的高效开采,对高煤阶煤储层寺河3号煤层进行了流速敏感性和应力敏感性试验分析,并且结合现场工程,研究了高煤阶煤储层敏感性对煤层气井排采的影响。试验结果表明,高煤阶煤储层具有流速敏感性,流速敏感性损害最严重时渗透率降为初始值的50%,换向驱替时渗透率也降低,最小降低为初始值的62.1%;黏土含量越高的储层,渗透率的降低幅度也越大。高煤阶煤储层具有强应力敏感性,而且存在明显不可逆性;净围压从2 MPa升高到5 MPa,渗透率降低为初始渗透率的20%~50%,升压后再降压,渗透率不能恢复到初始水平,不可逆损害率最大超过50%;渗透率越低的储层,应力敏感性越强。煤层气井的排采,尤其在排采初期,应遵循连续、缓慢、稳定的原则。     

基于流-固-热耦合的深部煤层气抽采数值模拟

为了提高深部煤储层产气规律预测准确性、减小气井设计误差,分析了深部煤储层特征参数随埋深的变化规律,针对目前煤层气研究忽略了温度、地下水等因素问题,基于已建立的深部煤层气抽采流-固-热耦合模型,进行深部煤层气抽采数值模拟,分析不同地应力、初始渗透率、储层压力和温度等深部特征参数以及不同埋深条件下煤层气抽采的储层参数和产气演化规律。结果表明:渗透率变化为地应力增加、温度降低和煤层气解吸引起的煤基质收缩效应与储层压力降低引起的煤基质膨胀效应的综合竞争结果;随着煤层气和水被采出,储层温度降低和煤层气解吸占主导,储层渗透率升高;地应力对深部储层渗透率比例的变化起着主要作用,初始渗透率对产气速率起着控制作用;当煤层埋深小于临界埋深时,产气量随埋深逐渐增加,达到临界埋深后,产气量随埋深逐渐降低;低渗透率是制约埋深超千米的气井高产的关键。     

CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。渗流过程中保持温度和体积应力(30 ℃、33 MPa)恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:① He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力Symbol|@@2 MPa时滑脱效应对气测渗透率的影响要远远大于有效应力效应;② 在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大;③ 在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化;④ 随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。     

裂隙煤岩各向异性渗透率模型和煤层注气THM耦合行为

CO2煤层地质封存可以减少温室气体排放,同时可提高煤层气的采收率。注气开采过程涉及到温度场(T),多相多成分流场(H)和应力场(M)之间的相互耦合。煤层割理裂隙渗透率是影响CO2地质封存和煤层气开采率的重要参数。煤岩渗透性的关键性因素裂隙张开度同时受控于法向应力和剪胀效应。考虑基质和割理的共同作用,提出基于组合裂隙三向平板简化的各向异性渗透率模型。在此基础上,建立了注入CO2提高煤层气采收率的三维数值模型并利用耦合软件TOUGH-FLAC进行求解。模拟结果表明,气体注进采出的孔压作用会引起煤层膨胀或收缩。与孔压,吸附应力/应变以及温度相比,剪胀对裂隙渗透率的影响不明显。在注采过程中,渗透率表现出明显的各向异性,注入井附近的异向渗透率甚至可达30倍差异。此外,注气初期应适当控压,井口附近的高压损伤将带来不必要的裂隙气体泄漏,导致注气失败。     

超临界CO_2驱替煤层CH_4装置及试验研究

自主研发了MCQ-Ⅱ型大试件(100mm×100mm×200mm)超临界CO2驱替煤层CH4试验装置,该装置不仅能够保障试验过程中CO2始终处于超临界状态,而且可测量煤体吸附过程中的体积膨胀。借助本装置对同一温度不同体积应力条件下的超临界CO2的渗透性及其驱替CH4效果进行了试验研究。试验结果表明:在50℃、恒定体积应力为48~60MPa条件下,超临界CO2的渗透率与注入渗透压呈正相关关系,与体积应力呈负相关关系。超临界CO2在煤体中的渗透特性远远高于其在常态条件下的渗透性。试验同时发现,超临界CO2在煤体中的吸附量与孔隙压力及体积应力均呈正相关,在48和60MPa的体积应力下,单位体积的煤体分别可累计吸附10.82~17.52体积和16.12~20.40体积的CO2;试验还测得了不同条件下煤体吸附CH4、超临界CO2及超临界CO2驱替煤体CH4过程中,煤体体积膨胀百分比。在超临界CO2驱替CH4试验中,2号焦煤煤样试件中注入气体体积(包括CH4,CO2)均小于1号弱黏煤煤样,但是两煤样中的CO2/CH4置换比及CO2最终储存率相当,分别为4.01/4.16,20.05%/20.09%。     

基于热力学方法的煤岩吸附变形模型

基于吸附过程的热动力学和能量守恒原理,建立了计算煤岩吸附气体引起的煤岩膨胀应变的理论模型,在获取煤岩对气体的吸附等温曲线的基础上,可通过模型得到煤岩吸附气体引起的吸附应变;利用已有的实验数据对模型的有效性进行了验证。结果表明,实验结果与模型预测的结果吻合较好,模型能够很好地描述煤岩吸附不同气体时产生的差异性膨胀现象;另外,模型可为预测CO₂注入煤层后煤基质收缩/膨胀效应对储层渗透率的影响提供指导。     

深煤层井组CO_2注入提高采收率关键参数模拟和试验

深部煤层井组注入CO2开采煤层气技术主要通过CO2的强吸附效应,能够置换出更多的CH4,同时实现CO2的长期大量的埋藏。通过试验分析,柿庄北地区CO2的吸附能力是CH4的2倍,随着解吸压力的降低,CH4比CO2会更快的解吸,能够有效的置换CH4。CO2的注入引起煤储层物性的变化,主要是由于CO2的吸附和解吸引起的基质膨胀与收缩效应造成渗透率的变化,并且呈现随着压力的降低先降低后迅速增加的变化规律。基于渗透率变化规律,应用模拟软件建立地质模型和数值模型,分析了CO2注入量、频率和注入方式对井组或单井的产量、采收率和CO2埋藏量的影响。模拟结果认为注入量10~15 t/d,连续注入90 d,关井90 d,反复实施2 a后,可以实现采收率的提高。通过现场试验验证,该区3号煤层吸附CO2的能力在8 t/d,井组的埋藏潜力约为12 616 t。     

煤炭低温氧化自燃过程指标气体影响因素关联分析

对煤炭自燃指标气体问题展开了进一步的研究.经对比实验,分别找出当实验初始温度、程序升温速率、干空气流量、煤样粒度和煤样量等实验条件发生变化时,对煤自燃程序升温实验中气体产生规律造成的影响.并运用邓氏关联度分析法及斜率关联度分析法对实验数据进行定量分析,从CO的角度分析,初始温度的设定对CO气体产生规律的影响最大;从C2H4的角度分析,程序升温速率对C2H4产生规律的影响最大,煤样质量对其的影响次之.综合考虑,针对低温矿井煤矿的煤自燃程序升温实验,初始温度是影响气体产生规律的关键因素,煤样质量和程序升温速率次之.     

煤层注液态CO_2压裂增透过程及裂隙扩展特征试验

针对我国煤层"高储低渗"的赋存特征,基于液态CO_2黏度低、阻力小、酸化解堵及相变增压的特点,采用液态CO_2进行煤层压裂增透现场试验,研究煤层压裂过程裂隙扩展规律。结果表明:压裂过程流量随着压力的增长呈现出"波动"特性,钻孔周围煤体受CO_2压力作用产生裂隙并向前延伸,压裂初期裂隙扩展速度较快,随后逐渐减小;压裂裂隙同时沿压裂孔轴向和径向扩展;压力及流量曲线在1.8,2.2 MPa处出现拐点,压裂过程分为3个阶段,各阶段煤体破坏形式依次为钻孔破碎区裂隙起裂—弱面扩展—微孔隙破坏。现场压裂试验结果表明压裂半径可达10~20 m,且与水力压裂相比在压裂安全性、时间和效果方面存在技术优势。     

寺家庄高瓦斯工作面液态CO2预裂增透研究

寺家庄煤矿是阳煤集团的主力矿井,但煤层瓦斯含量高,透气性差。为提高煤层的透气性,增大煤层间瓦斯抽放效率,开发液态CO2预裂增透技术,阐述了在寺家庄矿井进行的3次试验。试验结果显示,液态CO2增透技术对长时间抽采区域的煤层增透和瓦斯置换有明显增强效果;在保证瓦斯开采效率与最少工程量的前提下,抽采钻孔和预裂钻孔的间距应在10~15 m;CO2预裂增透对减轻煤与瓦斯突出现象亦是明显。     

多分支井注气开发煤层气模型

给出了多分支井模拟CO₂注入开采数学模型，模型考虑了气水两相流动、多组分气体吸附、煤基质膨胀和收缩对渗透率的影响以及分支水平井井筒压降；根据数学模型得到了相应的数值模型和计算程序，进行了模拟计算对比.计算结果显示:与只进行排水采气的基本衰竭开采方式相比， 注入CO₂后，煤层甲烷日产气量和累积产气量都有了很大幅度的提高.     

低渗煤层定向多簇气相压裂瓦斯治理技术研究与实践

为解决低渗透煤层瓦斯抽采难题,在潞安矿区5 a多的研究和规模化现场试验基础上,提出了一种低渗透煤层CO_2气相定向多簇压裂瓦斯综合治理技术。该技术是应用改进后的CARDOX装置系统所产生的高压CO_2气体在煤层中进行定向多簇造缝,实现煤层的卸压和增透,均化和改善局部地应力集中和瓦斯含量/压力的异常分布状态,提高瓦斯抽采效率。研究表明,在气相压裂试验区段,瓦斯突出危险性降低,煤层渗透率提高1~2个数量级,瓦斯抽采浓度和流量提高1个数量级,抽采达标时间由原来的720 d减少到210 d,实现了高瓦斯煤层的安全掘采协调生产。