高压注水对煤孔隙结构影响的试验研究

基于煤层孔隙结构是影响煤层气吸附及渗流的重要因素,为了揭示高压注水过程中煤孔隙结构的变化规律。采用核磁共振试验、渗透率试验及显微镜观测微裂隙方法,从微观上研究高压注水对煤孔隙结构的影响,为研究煤层气水力压裂技术提供微观层次的理论依据。通过核磁共振试验得知经高压注水后单位体积(1 cm~3)煤各孔隙类型孔隙体积都得到增大,其中中孔孔隙体积平均增大0.73×10~(-3)cm~3,增量最小;小孔孔隙体积平均增大8.79×10~(-3)cm~3,增量最大。通过光学显微镜观测得知高压注水有利于裂隙连通、产生新裂隙及增大裂隙宽度,从而使煤渗透率比高压注水前增大146%~560%。通过煤渗透率测试得知微孔和小孔主要起吸附及解吸作用,对煤的渗透性基本没有贡献,大孔对煤的渗透率贡献最大,是煤渗流及运移的主要通道,中孔次之。     

基于核磁共振技术的煤体微观孔隙结构研究

为了了解煤样的微观孔隙结构特征,应用核磁共振技术(NMR)对煤样孔隙类型、连通性、孔径分布等特性进行分析,结合X射线衍射(XRD)和计算机断层(X-CT)扫描测试结果探究了煤样的物相组成、矿物质成分及表观形貌特征。结果表明:测试煤样含有多种矿物质成分,主要为高岭石、方解石和黄铁矿等,矿物质主要夹杂在煤样割理系统中;NMR测试的横向弛豫时间T2谱呈典型的三峰曲线,依照0.5~5 ms,5~100 ms,和100 ms的弛豫时间区间可将煤样内部孔隙类型对应为吸附孔、渗流孔和扩散孔;所测煤样的T2截止值在10~20 ms之间,表明具有高度发育的微观孔隙和较为发育的中孔结构;NMR的测试结果与CT扫描的三维可视化分析结果相吻合,证实样品具有较高的非均质性。NMR技术能较好弥补CT扫描在微孔观测中的不足,呈现出更为具体的煤样内部微观孔隙特征。     

煤层孔隙结构多尺度联合表征及其对可动流体的影响

微观孔隙结构影响着流体在煤层中的储存及渗流。为精确表征煤层微观孔隙结构特征,本文以鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤层为研究对象,采用核磁共振、CO₂吸附和N₂吸附手段,多尺度联合表征煤层的孔隙分布特征,并结合CT扫描技术对微观孔隙的连通性和均匀性进行研究。结果表明：煤的微孔是比表面积与孔容积的主要贡献者,介孔次之;核磁共振与吸附联合表征反映了微孔、介孔部分的孔径分布有较好的一致性,大孔部分差异较大;驱替核磁共振和CT在反映连通程度方面具有优势,且两者对于连通性的表征具有一致性,配位数以及渗流孔比例等参数可有效反映样品的连通程度;不同深度段煤层连通性不同,非均质性也不同;煤样束缚水饱和度与孔喉比存在良好的正相关性。可见,孔隙结构对流体的运移程度有很大影响,是研究及评价瓦斯赋存与渗流的基础。     

基于核磁共振实验不同变质程度煤的孔隙结构研究

为研究高变质程度煤的孔隙结构,采用低场核磁共振试验系统,对5种不同变质程度的煤样进行低场核磁共振测试,得到常温常压下不同煤样的核磁孔隙参数,分析不同变质程度煤样孔隙结构的变化规律,结果表明:煤样总孔容与挥发分呈线性正相关关系;高变质程度煤样孔隙发育以微孔和小孔为主,且小孔孔占比越大,煤样核磁孔隙度越大、渗流能力越强,但孔隙度和渗透率随着微孔占比增加,表现出相反的变化趋势。     

山阳井田粉煤与原生结构煤孔隙特征对比研究

采集山阳井田5#原生结构煤与粉煤样品,分别进行扫描电镜、压汞实验、低温液氮吸附实验,对2种煤的孔隙特征进行对比研究。研究表明:中孔孔容比增长最快、小孔次之,微孔孔容比减小;微孔比表面积比增加,小孔和中孔比表面积比减小,有利于煤层气的吸附与储存;构造作用破坏了小孔与中孔的半开放性,使其孔结构变为开放性孔,同时也使一部分孔封闭成为"死孔隙",增加了孔隙结构的复杂性,但粉煤显微构造发育,附加微裂隙多,气体通道连通性强,同时变质气孔发育,导致渗流孔隙显著恢复,一定程度上提高煤储层的透气性,改善煤层孔隙的连通性。     

低透气性煤孔隙结构连通率对煤层渗透性的影响规律研究

为研究低透气性煤的孔隙结构特征及孔隙连通程度,对原煤煤样进行试验,分析饱和水和残余水状态下煤样的T2曲线,得到煤样的自由流体值、束缚流体值、有效孔隙率、孔径分布及渗透率等参数,建立了孔隙连通率定量计算模型。结果表明:煤样孔隙率为6.30%～11.02%,孔径分布呈3段式,孔隙主要集中分布在0～100 nm段,微小孔发育、中大孔及裂隙不发育;吸附孔与孔隙率成反比,渗流孔与孔隙率成正比;煤样孔隙连通率为31.50%～62.05%,孔隙连通率受孔隙尺度的影响,煤样孔径在100 nm以下的孔隙连通率最高为58.45%,孔径为100 nm以上的孔隙连通率在94%以上;孔隙连通率与孔隙率、有效孔隙度、渗透率表现出了较好的正相关关系。     

神东矿区不同埋深弱胶结砂岩的孔隙结构特征研究

为了研究神东矿区不同埋深弱胶结砂岩的孔隙结构特征,以布尔台煤矿4种不同埋深弱胶结砂岩为研究对象,运用低场核磁共振测试仪对4种不同埋深试样进行了测试,分析了不同埋深弱胶结砂岩的T2谱特征、孔径分布和孔喉分布。研究结果表明:4种不同埋深弱胶结砂岩(92.14～94.30m,118.40～120.69m,242.27～242.95m,317.86～320.33m)的T2谱特征、孔径分布和孔喉分布存在差异,孔隙率分别为39.180%、36.132%、44.782%、19.732%;T2谱由3个波峰逐渐转变为2个波峰,波形连续性好(孔隙连通性好);弱胶结砂岩的孔径可以分为5类:微孔、小孔、中孔、大孔和微裂隙,孔径以中小孔为主,大孔次之;弱胶结砂岩的孔喉半径以0～0.10μm为主,0.10～0.16μm次之。研究成果有助于进一步揭示我国西部地区工作面溃水溃沙的机理。     

孔隙结构控制下的煤体渗透实验研究

煤层为典型的双重孔隙介质体,其渗透能力受孔隙和裂隙结构参数控制。通过建立描述煤体孔隙和裂隙渗透率统一数学模型,将煤体内气体渗流分为孔隙控制型、裂隙控制型和孔隙-裂隙联合控制型3类;借助6组煤样气体渗流实验数据和孔隙裂隙的测试统计,讨论了不同孔隙特征的渗透率差异原因。研究发现,孔隙和裂隙的结构参数决定了煤体的压缩系数和孔渗指数,进而决定了其渗流类型,影响煤体渗透率敏感性的关键因素是裂隙的密度和尺度,微孔中的气体分子受范德华力影响导致渗透率的应力敏感性几乎无法体现。     

瓦斯压力对煤体吸附特性及结构影响实验研究

为深入研究煤体在不同压力条件下吸附瓦斯特性及煤体孔隙结构变化特征,利用核磁共振(NMR)技术对煤体吸附瓦斯进行实验研究。实验结果表明:实验煤样的微小孔峰面积中大孔峰面积裂隙峰面积,表明煤样的微小孔最为发育,煤体孔径以微小孔为主,空隙之间的连通性不强,瓦斯不易流通;随着压力的增加,当瓦斯压力达到一定程度后,煤体会产生新的孔隙,微小孔隙相连通构成了微孔或者中孔,中孔相互连通形成了裂隙,为下一步解吸瓦斯的流通提供了条件,出现瞬时的瓦斯快速解吸;煤样瓦斯吸附解吸特征按照峰值前后分为上升阶段、变化剧烈阶段和基本不变阶段,总体规律上,煤体瓦斯吸附量随着瓦斯压力的增大而增加;在不同的瓦斯压力作用下,核磁共振T_2谱图核磁信号幅度发生显著变化,T_2谱图分布面积与瓦斯压力呈线性关系逐渐增长,即煤体孔隙度随瓦斯压力增加而增加。     

郑庄井田3号煤微孔裂隙特征研究

煤孔裂隙控制着煤层气赋存和运移,对煤层气生产实践具有重要影响。为了研究郑庄井田3号煤微孔裂隙特征,采用EVO 15型扫描电子显微镜对井田3号煤的微孔裂隙进行了观测和精细表征研究。结果表明:郑庄井田3号煤中微孔隙有气孔、铸模孔、溶蚀孔和角砾孔,不同孔隙的形态、大小和连通性等均不同。孔隙形态多样,孔隙大小一般几十纳米至几十微米,孔隙的连通性整体较差,常见碎屑物充填孔隙。煤中微裂隙为张裂隙和剪裂隙,张裂隙延伸短、产状不稳定、裂隙面粗糙、裂口基本为张开状。剪裂隙延伸相对较长、产状稳定、裂隙面光滑、裂口部分张开。张裂隙和剪裂隙被碎屑物和方解石脉充填现象常见,但剪裂隙被充填现象更严重。     

基于低温液氮吸附实验的成庄井田3号煤孔隙特征研究

煤的孔隙特征控制着煤的吸附、扩散和渗流特性,采用低温液氮吸附实验对成庄井田3号煤孔隙特征进行了研究。结果表明:煤中孔径小于4 nm的孔隙多为一端开口孔,孔径大于4 nm的孔隙多为两端开口的孔、墨水瓶孔和少量一端开口的孔;煤中孔隙主要为过渡孔和微孔,大孔、中孔不甚发育,使得煤孔比表面积相对较大、孔容相对较小,有利于煤层气的吸附、凝聚储集和扩散运移。     

煤层注水对原煤孔隙及甲烷吸脱附性能的影响

煤层注水对防突具有显著效果,而煤层孔隙特性是影响瓦斯吸脱附及渗流的重要因素,为了从孔隙角度揭示不同注水压力对原煤体甲烷吸脱附性能的影响。选取首山矿己15-12070工作面进行煤层注水现场实验,使用氮吸附法得出各煤样孔隙特性并用分形理论计算孔隙粗糙度,使用静态容量法测出各煤样吸脱附参数。结果表明:注水后各孔径段孔隙量均有所增加,注水压力与比表面积、孔容及分形维数呈线性正相关关系;孔隙特征参数与甲烷吸脱附性能呈线性正相关关系;各煤样均出现甲烷吸脱附迟滞现象,且注水压力越高,甲烷吸附能力越强,脱附迟滞程度越大。煤层注水压力越大,煤的孔裂隙数量会增多且粗糙度增大,煤体倾向于保留更多的瓦斯。     

基于Comsol的煤层注水压力对湿润半径的影响研究

为研究煤层注水压力对煤层湿润半径的影响,为煤层注水技术中注水参数的选择提供参考,运用Comsol模拟软件对不同注水压力条件下煤层的孔隙水压和孔隙水渗流速度的分布进行了数值模拟,结果显示：注水过程中注水钻孔周围孔隙水压的总体分布规律是以钻孔为轴心呈椭圆形状向周围不断递减;孔隙水渗流速度在注水口附近最大,孔壁周围较小,并由注水孔向四周扩散减小。利用模拟数据拟合出煤层不同注水压力与湿润半径的指数型函数关系。     

基于低场核磁共振技术的酸化煤样孔隙特征研究

为研究酸化作用后煤体的孔隙结构特征,采用低场核磁共振技术和X射线衍射实验方法,测试了高阶煤自然煤样和酸化煤样的孔隙结构和矿物含量,并根据分形理论对比研究了2种煤样孔隙的分形维数,探讨了酸化作用原理.研究结果表明:自然煤样和酸化煤样中微孔和过渡孔都占较大的比例;煤样酸化后,其孔隙率增大,最小孔径和最大孔径都变大;酸化作用...     

基于~1H-NMR的胜利褐煤原位低温干燥过程中弛豫时间及孔结构变化

传统煤水分测定对煤样有破坏,同时BET法在煤孔结构测试中也遇到许多困难。利用1H-NMR研究褐煤低温干燥过程中水分赋存状态及孔结构变化,包括原位干燥过程中褐煤水分横向弛豫时间T2的动态发展及孔结构变化规律。结果表明:空气自然干燥状态下,胜利褐煤中不冻水和束缚水占绝大多数,其中束缚水结合力较弱。在50℃前,部分束缚水较易脱附;干燥后冷却样品中残余水的束缚性随处理温度的升高而增加;105℃干燥脱水后,微孔增加,中孔比例减少,大孔或裂隙增加,残余水分保留在10 nm以下孔隙中,为不冻水;此时含水孔隙仅占全部孔隙的19%,远小于原煤(58%)。1H-NMR可以在无损伤情况下连续监测煤中水分、孔结构的分布变化,更适用于煤水分及孔结构的测定。     

复杂条件下瓦斯原始压力测定方法的研究与应用

矿井深部地质条件非常复杂,在煤层瓦斯压力的测定过程中经常遇到裂隙水影响瓦斯原始压力测定结果的情况,尤其在复合煤层及煤层群中测定瓦斯压力更是困难重重。平煤十矿对己_15-16煤层瓦斯测定方法及测定结果表明,利用钢管固孔—高压注浆—胶囊黏液封孔等组合工艺能够准确测得矿井深部复杂地质条件复合煤层原始瓦斯压力。     

基于显微CT的不同煤体结构煤三维孔隙精细表征

为了定量研究不同煤体结构煤的孔隙连通性和渗透能力的差异性,以渭北煤田韩城矿区为研究区,通过显微CT三维空间分析技术,采用多孔介质三维逾渗理论,开展了不同结构煤的孔隙三维建模分析,实现了对不同煤体结构煤中孔隙分布三维可视化的精细表征。结果表明:构造变形对煤的孔隙结构有深刻的影响;不同变形机制对煤的孔隙度、孔隙团数和最大孔隙团规模有着不同的影响,导致逾渗概率发生明显的变化;三维逾渗概率表明煤孔隙连通性和渗透率随变形程度增加呈现先升后降的变化趋势。碎裂煤孔隙团连通性最好,渗透性最强;糜棱煤孔隙团连通性最差,渗透性最弱。研究认为脆性破坏可促进外生孔和微裂隙的发育程度,加强孔裂隙间的连通性,提升煤岩渗透性;在脆韧性-韧性变形作用下,孔隙、微裂隙、矿物以及煤岩分布的非均质性明显增强,造成孔隙连通性变差,渗透率降低。     

平顶山矿区主采煤层孔隙特征研究

对平顶山矿区主采煤层丁组、戊组和己组煤样进行低温氮气吸附试验,分析等温吸附-脱附曲线形态,计算孔体积和比表面积,研究了不同煤层的孔形态及其对瓦斯的吸附-解吸能力。实验结果表明:原始煤层煤样比表面积为0.026~2.988 m^2/g,以小于8 nm的孔为主;孔隙结构复杂,大量存在一端闭合孔和"墨水瓶"孔,增加了煤层瓦斯抽采难度。     

深部煤层底板寒灰水突水脆弱性评价

平顶山十一矿因靠近寒武系灰岩岩溶水补给区,水文地质条件复杂,受煤层底板的突水威胁严重。为了查明寒武系灰岩岩溶承压水对二1煤开采的威胁,对突水影响因素进行了综合分析,采用基于AHP的脆弱性指数法对平顶山十一矿深部煤层底板突水进行了突水危险性评价。结果表明:4个寒灰水突水点都分布在相对脆弱区、相对较脆弱区和过渡区,拟合点与评价分区基本吻合,拟合率接近100%。