三轴应力条件下温度对原煤渗流特性影响的实验研究

 利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,测定煤样在不同有效应力、不同瓦斯压力、不同温度条件下的渗透率,探讨不同有效应力和不同瓦斯压力条件下,煤样渗透率与温度的关系。在实验研究的基础上为消除试件个体差异的影响,客观地反映温度对渗透率影响程度的大小,定义温度敏感性系数,进而研究温度对渗透率的影响程度与温度的关系。研究结果表明：(1) 当有效应力和瓦斯压力保持恒定时,随着温度的升高,煤样渗透率会逐渐降低,温度敏感性系数逐渐降低,即温度越高,温度对渗透率的影响程度越小;(2) 在相同温度条件下,有效应力、瓦斯压力越大,温度敏感性系数越低,温度对渗透率的影响程度越小。     

温度对褐煤渗透特性影响的试验研究

采用太原理工大学采矿工艺研究所研制的煤(岩)MDS200三轴渗透试验机,在不同应力、不同温度条件下,对内蒙乌盟矿区褐煤进行热渗透试验研究。研究结果表明:随着煤层埋藏深度的增加,即体积应力的增加,褐煤渗透率总体上是呈下降趋势;在温度和体积应力不变的情况下,褐煤随着孔隙压力的增大,渗透率呈先下降,再增大的趋势,其临界点为2MPa左右;在体积应力和孔隙压力不变的情况下,随着温度的升高(100℃以内),褐煤的渗透率呈先下降,再急剧增大,再减小的趋势,渗透率的极低点温度为50℃左右,极高点温度80℃左右;当温度小于50℃时,随着孔隙压力的增大,渗透率呈下降趋势,当温度高于50℃时,随着孔隙压力的增大,渗透率呈上升趋势。     

多场耦合作用下泥页岩地层强度分析

研究多场耦合作用下井眼围岩的强度变化问题。在石油钻井环境中，钻井液中存在多种化学成分，钻井液时刻与井壁发生作用，导致井眼周围岩石力学参数为时间的函数。在实验基础上得到岩石强度参数与含水量的关系，基于渗流力学理论，建立孔隙压力与岩石黏聚力及内摩擦角的关系，为研究化学作用对强度参数的影响提供前提，进而进行多孔介质多场耦合作用下的应力分析，建立化学作用对岩石强度参数影响的关系模型。所得结论可深化对泥页岩井壁稳定性的认识，具有一定的工程实用价值。     

温度与孔隙压力耦合作用下煤岩吸附–渗透率模型研究

为模拟瓦斯抽采过程中温度与孔隙压力对煤岩吸附及渗透特性的影响,利用等温吸附装置、含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,开展等温吸附试验及不同温度下孔隙压力降低的渗流试验。建立修正的双L吸附模型和考虑温度–孔隙压力耦合作用的煤岩渗透率模型。通过试验结果及试验比对验证其合理性。结果表明:在本文试验条件下,煤岩瓦斯累积解吸量随瓦斯压力降低呈逐渐升高趋势。当温度恒定时,煤岩渗透率在降压过程中呈先降低后升高的趋势。当孔隙压力恒定时,煤岩渗透率在升温过程中呈先降低后升高的趋势。修正后的双L吸附模型比原吸附模型拟合效果更好,能很好反映不同温度下煤岩吸附量与气体压力的变化关系。煤岩瓦斯解吸过程中产生的基质收缩应变随孔隙压力降低而升高。新建渗透率模型与试验数据具有较好的一致性,可以更好的表征不同温度条件下的煤岩渗透率演化规律。     

基于NMR耦合实时渗流的砂岩渗透特性研究

针对传统宏观孔渗关系难以准确预测储层砂岩渗透特性的问题,采用核磁共振耦合实时渗流系统,从细观角度阐述了渗透过程中砂岩孔隙结构变化规律,定量分析了多尺度孔隙压缩系数对渗透特性的影响,进而提出了一种考虑多尺度孔隙压缩系数的砂岩渗透率计算方法。结果表明：(1)不同应力条件对多尺度孔隙作用机制不同,围压增大导致大孔隙明显闭合,而渗压增大促使小孔隙发育扩展;(2)考虑多尺度孔隙压缩系数的砂岩渗透率计算方法与试验结果拟合更好。     

气体压力加卸载过程中无烟煤变形及渗透特性的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,以无烟煤型煤试件为研究对象,进行不同轴压、围压条件下气体压力加卸载过程中渗流试验研究,模拟不同煤层深度,以探讨煤变形及瓦斯运移演化规律.研究结果表明:(1)在加载过程中,煤应变量减小,吸附瓦斯产生较大的膨胀变形,呈现线性关系,在卸载过程中,煤应变呈增大趋势,煤逐渐被压缩.随轴压、围压增大,下降单位气体压力引起的煤应变升高量降低,应变响应程度减小.(2)在加载过程中,随气体压力升高,渗透率先减小后增大趋势,煤渗透率呈类似“V”型变化趋势,气体压力在1.2 MPa左右存在明显的拐点,体现煤孔隙扩张的程度和吸附瓦斯层增厚程度影响,依赖于吸附作用或有效应力占主导地位.在卸载过程中,随着气体压力降低,煤渗透率呈先减小后增大趋势,渗透率增大且变化速度加快,主要依赖有效应力作用或基质收缩的主导地位差异.(3)随有效应力的增大,煤渗透率呈先减小后增大的趋势.煤渗透率随有效应力增大呈对数函数或指数函数关系.(4)气体压力具有典型二阶段特征,同时渗透率与体积应变具有密切关系,体现出有效应力、吸附膨胀与煤基质收缩同时对裂隙等内部结构的影响.     

含瓦斯煤渗透率理论分析与试验研究

 从孔隙率的基本定义出发,充分考虑煤基质吸附瓦斯膨胀、热弹性膨胀、受瓦斯压力压缩对其本体变形的影响,首先给出煤体孔隙率与体积应变、温度及瓦斯压力之间的函数关系,再以Kozeny-Carman方程为桥梁,建立扩容前压缩条件下综合考虑有效应力、温度及瓦斯压力共同影响的渗透率动态演化模型。相关试验数据验证表明,所建立的渗透率理论模型具有良好的适用性,能反映出一定条件下的渗透率演化趋势。试验研究表明：煤体孔隙发育程度与渗透率具有较好的一致性,渗透率随孔隙发育程度的增高而增大;当温度和瓦斯压力一定时,渗透率随有效应力的增大而减小,并且瓦斯压力越低减小趋势越明显;有效应力和瓦斯压力一定时,渗透率随温度升高而减小,但其减小幅度基本不受有效应力变化的影响;温度和有效应力一定时,渗透率随瓦斯压力的升高呈先急剧减小而后逐渐平缓的趋势。含瓦斯煤渗透率与有效应力、温度和瓦斯压力之间关系的研究,为有温度场参与的多场耦合问题的研究提供理论基础,也为高温矿井瓦斯抽放率的提高提供技术支持。     

页岩储层纳米孔气体传输耦合模型新研究

页岩气在纳米孔隙的传输过程中受多种因素影响,包括孔隙尺寸和压力、孔隙壁面粗糙度、孔隙力学反应、吸附-诱导膨胀反应以及权重因子等。因此需要综合考虑以上因素以及吸附气分子在孔隙中所占空间对气体流动影响的条件下,厘清页岩气的不同运移机制(表面扩散、滑脱流、Knudsen扩散和黏性流动)在不同孔隙尺寸和压力下对纳米孔中总气体流量的贡献率。首先,对页岩气的不同运移方式进行了物理描述及数学表征,然后,在考虑孔隙壁面粗糙度、孔隙力学反应、吸附-诱导膨胀反应和权重因子等因素的条件下,建立页岩气在储层纳米孔中的气体传输耦合数学模型,模型可靠性通过格子Boltzmann方法计算结果验证。研究结果表明,当孔径小于10 nm时,纳米孔的总流量主要由表面扩散流量组成,孔径越小,表面扩散流量越大;当孔径为40～250 nm和低压条件下,滑脱流和Knudsen扩散对气体传输影响较大;当孔径大于10μm时,纳米孔的总流量主要为黏性流量。     

两种有效应力下花岗岩和充填体渗透率变化规律研究

干热岩是地热资源的主要载体。干热岩体花岗岩受地质构造运动影响产生裂隙,熔融岩浆侵入到花岗岩裂隙中,形成含有充填体的花岗岩体。故采用压力脉冲法,以花岗岩母岩和充填体为研究对象,研究改变围压或孔隙压力两种路径下有效应力对花岗岩母岩和充填体渗透率的影响规律。研究表明:在孔隙压力一定情况下,随着围压增大,花岗岩母岩和充填体的渗透率都有一个快速大幅下降阶段和缓慢小幅降低的阶段;通过孔隙压力不变时卸载围压的路径减小有效应力,可以有效恢复花岗岩的渗透率。但通过围压不变时提高孔隙压力的路径减少有效应力达到恢复渗透率的目的时,存在一个“失效围压阈值”,当围压低于该阈值时,提高孔隙压力可以使渗透率得到有效恢复,高于该阈值,提高孔隙压力对渗透率不会有太大的提高;采用孔隙压力一定时降低围压和围压一定时(低于“失效围压阈值”)增大孔隙压力两种路径测试同一试样渗透率时,若两种路径下有效应力相同,则试样渗透率相差不大;通过波速对比和偏光镜图像对比分析了试样在试验前后的孔隙裂隙的压密和塑性变形,从宏观和微观角度证明了“失效围压阈值”存在的合理性。     

循环荷载作用下煤变形及渗透特性的试验研究

 利用自主研发的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置,以型煤试件为研究对象,进行不同温度条件下循环荷载试验,研究循环荷载作用下煤变形及渗透特性。研究结果表明：(1) 随温度的升高,煤循环形成的滞回曲线所围成的面积逐渐减小。在单个循环曲线中,加、卸载阶段的主应力差、渗透率与轴向应变曲线呈现“X”状;在同一循环周期下,轴向应变与渗透率随温度的升高逐渐减小;在同一温度下,轴向变形随循环次数的增加逐渐增大。(2) 随温度的升高,加载阶段曲线斜率逐渐增加,累计变形总量降低,即提高了不可逆过程的发展速率。(3) 在各温度条件下,加载阶段应变及渗透率在整个循环过程中的变化均不明显。卸载阶段应变及渗透率在第1次循环期间变化较大,但从第2次循环开始,应变随循环次数的增加趋于平缓。在相同循环次数下,体积应变随温度的升高逐渐增大,渗透率逐渐减小。     

有效应力和不同气体对煤的渗透性影响分析

以南桐6号煤层制备的型煤试件为研究对象,利用自行研制的煤岩三轴渗流实验装置研究了有效应力以及吸附不同气体对煤岩渗透率的影响,对煤吸附不同气体后的渗透性的差异性进行了分析。试验结果表明:有效应力和煤岩渗透率成负相关的关系;在维持有效应力3 MPa的条件下,因吸附效应不同CH₄通过煤的渗透率最高,CO₂通过煤的渗透率最低, CO₂/N₂混合气体通过煤的渗透率居中。研究结果对注CO₂提高不可开采煤层CH₄采收率同时实现CO₂地质封存具有指导意义。     

瓦斯对煤的力学性质及力学响应影响的试验研究

本文通过不同围压、不同孔隙瓦斯压力下煤的三轴压缩试验结果，阐述了瓦斯对媒体的力学变形性质及力学响应的影响。试验结果证明了含瓦斯煤的变形、破坏及力学响应同时受到游离和吸附两种状态瓦斯的影响。一是瓦斯压力作为体积力的力学作用，另一为瓦斯的吸附和解析对煤体产生的非力学作用。因此在研究煤和瓦斯突出的发生机理及采动影响下煤层中瓦斯流动问题时必须考虑瓦斯的力学和非力学作用对煤的力学性质和本构关系的影响。     

高温下页岩三轴压缩实验及井壁稳定研究

通过高温下页岩的三轴压缩实验,结合井壁稳定分析理论,进行了高温下页岩的力学特性及井壁稳定性研究.结果表明:高温引起页岩强度劣化,在温度低于150℃时,温度对页岩强度劣化主要体现在粘聚力弱化,在温度超过150℃时,温度会进一步导致页岩内摩擦角减小.钻井液与地层间的温差将在井周附加热应力,随着远离井壁,温差附加径向热应力先...     

含吸附煤层气煤的有效应力分析

煤层中的气体(煤层气)主要呈吸附状态,固体煤和吸附气体之间的相互作用关系是目前人们关心的问题,它与煤矿瓦斯防治和煤层气开采有关。根据表面物理化学和弹性力学原理,推导了煤吸附膨胀变形、吸附膨胀应力及有效应力计算公式,理论计算结果和试验结果基本一致。分析表明,裂隙中自由气体的压力对煤层中的应力状态影响很小,在煤层内部吸附膨胀应力和吸附膨胀变形规律服从虎克定律。     

围压对高温后玄武岩纤维混凝土渗透率及孔隙结构的影响

玄武岩纤维混凝土(BFRC)渗透性能对火灾后构件耐久性评估至关重要,开展了高温后BFRC变围压作用下渗透率测试以及孔隙结构变化特征研究,采用围压敏感系数和无因次渗透率分析了变围压过程中BFRC渗透率的演化规律.结果 表明:围压加载过程中,BFRC渗透率呈负指数函数衰减,高温后试件初始渗透率随温度升高呈增大趋势,与基准混...     

煤岩全应力应变过程体应变对渗透率的影响

利用自制 WSD-800电液伺服试验装置,将取自南桐东林煤矿6#煤层的煤加工成成型煤样作为研究对象,分别通入He、N₂、CH₄、CO₂气体研究了其全应力-应变过程中的变形特性、有效应力、体应变与渗透率关系。结果表明:(1)型煤样在整个全应力-应变过程中,渗透率与体应变变化关系密切。渗透率先随体应变的增加而降低,到达应变屈服点时渗透率最低,然后随体应变减少而增大。(2)通入的气体不同时,型煤样在全应力-应变过程中体应变随轴向应变变化的变化梯度不同;其梯度的变化与变形的泊松比有关。(3)不同气体条件下的型煤样的渗透率与体应变呈负指数关系。研究成果可为研究煤矿地下开采煤岩体的变形和高效抽采瓦斯提供参考。     

循环冷冲击作用下煤的渗透性变化规律试验研究

为了研究循环冷冲击处理对煤体增透作用的影响,利用SLX-80型高低温处理系统对原煤煤样进行多次循环冷冲击处理,并利用电子天平和三轴瓦斯渗流实验系统分别测定了煤样冷冲击处理前后的质量变化和渗透率增加幅度,对比分析了冷冲击处理前后煤样表面的裂纹分布情况。试验研究结果表明,循环冷冲击处理所产生的热应力超过煤体抗拉强度时会在煤体内部形成新的裂缝,增加原始裂缝的有效宽度,从而提高了煤体内部裂缝连通的有效性,有效改善了煤体渗透性;循环冷冲击处理后煤体渗透率的平均增幅为16%～215%,煤体渗透率增幅大小与处理后的裂纹增加数量及其连通性紧密相关;煤岩材料的非均质性、外部应力载荷及“负损伤”效应的影响使得循环冷冲击处理后的煤体渗透率增幅具有明显的随机性,并呈现出非均匀波动变化特征;循环冷冲击处理所产生的收缩-膨胀效应会引起煤体部分碎块脱落,最终导致煤体质量减小,循环冷处理后煤体的平均质量减幅为0.151%。