煤的孔隙结构分形定量研究

煤是一种具有复杂孔隙结构的物质，难以用传统的欧几里德理论予以描述。分析用压汞法测出的煤中不同孔径段的比孔容资料，发现最小孔半径在６５￣８７ｎｍ的大孔和中孔具有分形特点，可以用分形维数定量表征煤的孔隙特征。分形维数能反映组成煤的煤岩组分的复杂程度和煤结构遭受破坏的严重程度。在煤的变质系列中，中变质程度烟煤的分形维数最大。     

煤孔隙分形特征及其随温度的变化规律

利用分形几何学理论对煤孔隙结构进行了定量的描述和研究,推导了煤孔隙分形维数的表达式;利用压汞法测量了煤样在不同温度下的孔隙分布,从试验方面验证了煤孔隙所具有的分形特征,并利用这些试验数据求得了煤样孔隙体积的分形维数,得出了温度越高,煤孔隙分形维数越明显,并且呈线性增大的结论.     

新疆阜康矿区煤储层孔隙分形特征研究

基于压汞实验,分析了新疆阜康矿区9个煤样煤储层压汞孔隙分布特征,利用分形理论定量计算了煤样的孔隙分形维数,对煤样进行镜质组反射率测定、煤质分析,分析了煤的分形维数特征。研究表明,煤孔隙体积分形维数与水分呈正相关关系,灰分对分形维数也有重要的影响,随着分形维数的增加储层孔隙度相应增加。     

超临界CO_(2)-H_(2)O流体对煤渗流孔隙结构的影响北大核心

深部煤层封存CO_(2)过程中超临界CO_(2)(SCCO_(2))对含水煤层渗流孔隙结构的改变很大程度上决定了CH_(4)的采收率;为此,基于SCCO_(2)地球化学反应装置,模拟了温度45℃、压力12 MPa下含水比例较低的SCCO_(2)-H_(2)O混合流体(质量比SCCO_(2)∶H_(2)O=10∶1)与不同煤阶煤(长焰煤、气煤和无烟煤)的相互作用;通过压汞法研究了煤渗流孔隙对SCCO_(2)-H_(2)O的响应,采用热力学分形模型探讨了SCCO_(2)-H_(2)O对渗流孔隙非均质性的影响。结果表明:SCCO_(2)-H_(2)O作用增加了所有煤样的孔隙度和孔体积,造成渗透率增加,但不同煤阶煤的渗流孔隙对SCCO_(2)-H_(2)O的响应表现出差异性;SCCO_(2)-H_(2)O作用后,长焰煤渗流孔体积显著增加,气煤中孔含量明显增大,无烟煤中-大孔体积略微升高;煤样渗流孔体积的增加可归因于矿物的化学反应和溶解迁移、水分的散失和吸附溶胀,其中矿物含量及其分布很大程度上决定了流体作用后不同煤阶煤渗流孔隙结构的变化特征;SCCO_(2)-H_(2)O作用降低了渗流孔隙的非均质性,造成孔隙结构趋于简单,孔隙连通性增强,渗透性提升。     

弱酸及添加表面活性剂对煤体孔隙的影响及分形特征研究

以五轮山煤矿8号煤层为研究对象,经水、乙酸和在乙酸中添加不同表面活性剂对煤样进行浸泡实验,采用压汞法对各样品煤孔隙特征进行分析,并采用Menger海绵模型和Sierpinski垫片模型对孔隙分形进行计算分析。结果表明：所有样品的孔隙分布均呈“M”形;原煤及经水、乙酸处理后的煤样进退汞曲线产生较大的滞后环,在乙酸中添加不同表面活性剂后,煤样进退汞曲线滞后环减小;通过Menger海绵模型计算的分形维数,添加油酸钠的煤样品渗流孔隙和吸附孔隙分形维数为2.76和2.92,其他样品的分形维数均大于3;通过Sierpinski垫片模型计算的分形维数,经水处理后的煤样品分形维数增大,其他样品均减小。     

焦煤孔隙结构形态的实验研究

利用微焦点显微CT技术和压汞法分别对东曲2号焦煤的孔隙结构进行测试,综合分析两种方法所测结果,从孔隙连通性和尺度两个方面,全面研究了2号焦煤的孔隙结构和形态特征。研究表明:2号焦煤的孔隙率为17.2%,连通的开放孔隙占27.04%,封闭孔隙占72.96%;孔径大于0.64 μm的孔占67.74％,孔径介于0.64 μm和7.50 nm的孔占32.26%,但比表面积占总比表面积的93.4%,煤中微孔径的孔数量很大;大量微孔径孔和封闭孔的存在导致煤体渗透性、连通性很差。东曲2号煤的封闭孔多呈圆形、葫芦形和不规则形,孔隙壁厚,连通团呈镂空的雪片状,相互连通的吼道小且少。     

典型烟煤高温焦炭孔隙结构及其活性的研究

本文通过高温试验和扫描电镜分析,研究三种典型烟煤在800～1600℃条件下,其焦炭的膨胀性、流动性、软化现象、孔隙结构及其活性。结果表明,低变质弱粘结煤高温焦炭的孔隙最发育,活性最好;中变质肥煤次之,高变质瘦煤最差。低变质弱粘结煤在高温下可产生大量纳米级碳粒。     

基于压汞技术的构造煤孔隙结构多重分形表征

依托渭北煤田韩城矿区煤样,基于压汞技术采用多重分形理论分析构造煤孔径分布的非均质性,计算其多重分形谱f(a),并分析了多重分形参数随变形程度增强的变化规律。结果表明:煤样压汞孔径分布具多重分形特征,但不同类型构造煤孔径分布的多重分形程度存在明显差别。随构造变形增强,f(a)谱由右钩状(碎裂煤)转化为左钩状(碎粒煤、糜棱煤),奇异性指数α0、f(a)谱宽度αq--αq+及左锋宽度α0-αq+升高,说明强烈的脆性变形和韧性变形易使孔隙结构趋于复杂,孔隙团聚特征增强,孔体积高值分布非均质性加大,渗透性变差。α0和α0-αq+可作为区分构造煤孔隙结构差异演化的主要指标。多重分形参数变化可归因于由构造变形增强所引起的孔体积峰值的转变、碎粒孔的产生及显微构造的不均匀分布。     

不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其研究意义

煤层气的赋存和产出与煤储层孔隙系统的发育程度有关,原生结构煤层受到破坏变形后其孔隙结构特征将发生明显的变化,从而影响煤层气的吸附/解吸和扩散过程。通过对沁水盆地赵庄井田3号煤层不同煤体结构样品进行低温液氮、低压二氧化碳吸附分析和等温吸附试验,分析了不同破坏强度煤的孔隙结构和吸附性变化规律;应用试验数据和数值分形模型,揭示了不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其对煤中甲烷吸附、扩散的影响。结果表明：随着煤体结构破坏强度的增大,煤的比表面积和孔隙容积均增大,50～300 nm的孔隙所占比例逐渐降低,2～50 nm的微孔和中孔以及小于2 nm的超微孔增加,超微孔为煤中主要吸附孔,孔径主要分布在0.45～0.65 nm和0.80～1.0 nm。N₂、CO₂和CH₄的吸附量随煤体结构破坏程度的增大而增加,吸附性由大到小顺序为原生结构>糜棱结构>碎粒结构>碎裂结构。微孔、中孔和大孔孔隙结构分形维数表明,构造变形后的煤孔隙结构将被简单化,破坏程度较强的煤具有较粗糙的孔隙表面(对应较高的D₁)和较为...     

基于压汞法的赵庄矿不同煤体结构煤的孔隙特征研究

选取赵庄矿3号煤层4种不同煤体结构煤的煤样,采用压汞法研究分析其煤体孔隙特征。实验表明,随着煤体破坏程度的增大,大孔孔容占比呈下降趋势,中孔、小孔孔容占比呈上升趋势,煤岩渗透性随之减小。原生结构煤、碎裂煤存在相当数量的封闭孔或孔径在纳米级以下,孔隙连通性差;碎粒结构煤孔隙连通性稍好,退汞效率在4种煤体结构中最高。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

煤孔隙结构构造变形的压汞法和小角X射线散射表征

依托渭北煤田韩城矿区煤样,采用压汞法和小角X射线散射技术(SAXS),结合孔隙分形表征,从分形特征的角度探讨了构造变形对煤孔隙结构的影响程度。结果表明,煤的孔隙分形维数定量表征了构造煤孔隙结构的差异性变化及其非均质性。强构造变形煤具有较高的渗流孔分形维数(DHg),孔隙结构及表面非均质性较高,而渗透率较低,说明强烈构造变形所导致的复杂孔隙结构是构造煤储层低渗透的原因之一。吸附孔孔隙表面分形维数(DSAXS)随着构造变形的增强而增大,表明变形作用造成煤孔隙表面结构在微观上变得复杂。研究认为,分形维数可以指示煤中孔隙结构的构造变形程度。     

构造煤的瓦斯放散特征及孔隙结构微观解释

采用恒温煤粒瓦斯放散试验方法,研究了构造煤和原生煤瓦斯放散过程的差异性,结果表明构造煤在瓦斯放散初始1 min的瓦斯解吸量是原生煤的2.15~4.06倍,构造煤趋近极限瓦斯解吸量所需时间不足原生煤所需时间的25%,原生煤的极限瓦斯解吸量略高于构造煤,构造煤与原生煤对典型瓦斯放散数学表达式的适用性存在很大不同。为解释试验结果,采用压汞法和低温氮吸附法对煤的孔隙结构进行测试,分析得到中孔及大孔分布是导致构造煤和原生煤瓦斯放散特征差异的主要因素,大分子结构等其他因素对瓦斯放散特征的影响有待于进一步研究。     

温度对粉状活性焦的孔隙结构及SO2吸附性能的影响

为研究低成本、高性能脱硫用粉状活性焦的制备技术,采用褐煤为原料,在沉降炉试验台上进行粉状活性焦的制备,通过灰平衡方法分析了粉状活性焦的产率及挥发分含量,通过氮气吸附方法表征褐煤及粉状活性焦的孔容、比表面积及孔径分布,探索了不同温度条件下烟气活化对粉焦快速制备过程中孔隙结构的演变的影响机制,采用分形Frenkel-Halsey-Hill法分析了粉焦孔隙结构的分型特征,采用SO2性能测试装置分析了粉状活性焦的2 h吸附容量并探究粉焦的孔隙结构与SO2吸附性能的关系。结果表明,所获得活性焦的低吸附等温线的类型具备Ⅰ型和Ⅳ型等温线的特征,孔隙结构呈微孔-中孔-大孔的梯级孔结构特征,且以微孔结构为主。随着活化温度的增加,粉焦的产率呈线性下降的趋势,粉焦的比表面积及孔容值先增大后减小。温度为950 ℃时,比表面积最大,最大值为437.74 m2/g;温度为1 050 ℃时,总孔容最大,最大值为0.258 cm3/g;温度为1 200 ℃时,灰熔融造成孔隙堵塞大大降低了粉焦的孔隙结构。分形维数D2与活性焦比表面积变化趋势一致,可以较好的反应粉焦的微孔变化趋势。褐煤基粉焦的SO2吸附穿透曲线分为完全吸附阶段及穿透阶段,两个阶段的吸附由不同的孔隙结构主导,完全吸附阶段为微孔吸附,吸附速率快,吸附量大小取决于微孔,而穿透阶段的吸附量主要取决于中孔。     

煤自燃高温贫氧氧化燃烧特性参数的实验研究

针对现有煤自燃特性参数测试装置的特点和不足,根据煤田火区高温、贫氧的燃烧特点,设计建造了XKGW-1型煤田火区燃烧特性参数测试实验装置。利用该实验装置模拟了煤田火区的燃烧过程,得到了煤样从常温到600 ℃高温过程中的宏观特性参数规律。实验结果表明,煤样可以在高温、贫氧浓度条件下,继续发生反应,放出大量的热量,维持火区的发展扩大。在火区发展演化的过程中,煤样的升温速率会因水分蒸发等原因出现减小的现象,但总体呈增大趋势;煤样的耗氧速度在50 ℃之前特别缓慢,之后迅速增大,氧浓度急剧减小,当煤温升高到约130 ℃左右,氧气浓度降低到3%以下,并持续缓慢降低;CO和CH4的产生量的变化规律相似,都随煤温的升高而升高,并且在110 ℃之前产生速率较慢,之后逐渐增大;CO2,C2H4,C2H6的产生量的变化规律相似,均随煤温的升高先增大后减小,但峰值点所对应的煤温有所不同。     

基于低温液氮实验的不同煤体结构煤的孔隙特征及其对瓦斯突出影响

采集淮南煤田3个不同矿区13-1煤层、焦作矿区中马村煤矿二1煤层不同分层的不同煤体结构煤样进行低温液氮吸附试验,分析研究了不同煤体结构构造煤的孔隙特征。由此将构造煤的低温液氮回线划分为H1、H2、H3三类,构造煤的孔隙划分为4类：两端开口的孔,一端开口的孔,墨水瓶形孔和狭缝形孔。碎裂煤中主要为一端开口的圆筒形孔和两端开口的圆筒形孔;碎粒煤和糜棱煤则主要包含狭缝形平板孔、墨水瓶形孔和一端开口的圆筒形孔。研究表明：构造煤对气体的吸附一般发生在孔径3.3 nm左右的孔隙;随煤体破坏强度增大,比表面积和孔体积的分形维数均在增大。综合孔隙特征研究结果,对糜棱煤、碎粒煤煤层分布发育地区容易引发瓦斯突出的机制进行了探讨。     

联合微米CT和高压压汞的致密储层孔喉网络结构差异定量评价

阐明致密储层孔喉网络结构特征对明确油气富集主控因素,预测有利储层分布具有重要意义。联合微米CT和高压压汞技术,构建包括主流孔喉半径、幂指数、孔隙连通率和多重分形维数在内的孔隙结构参数,对鄂尔多斯盆地延长组长8—长6段孔喉半径分布、孔喉网络非均质性和连通性及其差异进行定量评价。结果表明,长6和长8段样品孔径分布特征较好,长6段主流孔隙半径为2.27 μm,幂指数最小,储集能力最强。长8段样品0.1~0.5 μm的喉道比例最高,对储层可动流体分布的控制作用最强。不同层段样品非均质性差异明显,在半径大于1 μm区间内,长7段非均质性最弱,孔隙结构最好。长7和长6段样品的孔隙连通性要好于长8段,配位数和孔体积的有利匹配能提高储层孔隙连通性。