浅析影响煤层气解吸扩散运移的地质因素

通过大量的基础研究，本文从各个不同角度探讨了影响煤层气解吸扩散运移的因素；分析了解吸扩散运移过程中气体组分、储层介质、温度、压力、地应力等内在、外在因素对煤层气扩散运移的制约关系及程度；得到了一些规律性的认识。     

阳泉矿区3＃煤层气吸附—放散特性的实验研究

阳泉矿区是全国最大的无烟煤基地,主采煤层3＃煤层富含大量的煤层气,开采过程中煤层气涌出量较大,煤储层吸附－解吸特性是煤层气开放成败的关键因素之一,文章以实验为基础,研究了3＃煤层气的吸附－放散特性,实验表明3＃煤层气吸附过程是一个非常缓慢的过程,需要很长一段时间才能达到吸附平衡;3＃煤层气产气速率主要受裂隙中气体流动的限制,增加裂隙度,提高渗透率是3＃煤层气开发和利用最关键的环节。     

阳泉矿区3~#煤层气吸附—放散特性的实验研究

阳泉矿区是全国最大的无烟煤基地。主采煤层 3#煤层富含大量的煤层气 ,开采过程中煤层气涌出量较大。煤储层吸附—解吸特性是煤层气开发成败的关键因素之一。文章以实验为基础 ,研究了 3#煤层气的吸附—放散特性 ,实验表明 3#煤层气吸附过程是一个非常缓慢的过程 ,需要很长一段时间才能达到吸附平衡 ;3#煤层气产气速率主要受裂隙中气体流动的限制。增加裂隙度 ,提高渗透率是 3#煤层气开发和利用最关键的环节     

煤层气达西、非达西渗流理论和扩散理论的研究进展综述

大量实验与资料表明煤层气在开采中普遍存在达西、非达西渗流和扩散三种流态。通过调研国内外相关文献,对煤层气达西、非达西理论和扩散理论的研究进展进行了综述,其中包括达西渗流理论、非达西渗流理论、线性扩散理论、渗透与扩散理论、考虑多种因素的非线性扩散理论,并分析了这些理论的真实性与存在的问题,指出了其未来的发展方向。     

超声波激励下煤层气解吸扩散特性的研究

为了揭示超声波强化煤层气高效抽采的机理,自主研发了可控超声波激励煤吸附/解吸甲烷试验装置,试验研究了不同功率的超声波激励下煤中甲烷的解吸规律,结果表明:不加超声波和超声波激励下煤中甲烷的解吸动力学规律相同,在煤中的甲烷解吸全过程中,甲烷的初始解吸速度较大,随着时间的缓慢增加,解吸速度逐渐减小,最终趋于0,且解吸规律能很好地遵循扩散模型;超声波作用下煤中甲烷解吸量增大,且超声波功率越大,解吸量增幅增加,解吸量增加26.1%～65.6%;基于传热传质学理论,超声波激励下煤的传质毕欧准数减小,扩散系数增大,表明超声波能促进甲烷解吸、扩散。     

煤层气成藏机理及形成地质条件研究进展

煤层气成藏机理及形成地质条件研究对合理评估煤层气资源和指导煤层气开发具有重要意义。煤层气成藏是煤层气在含煤盆地生成、赋存、运移和保存的动态地质演化过程,每个阶段均受多种地质因素控制。基于近年来国内外相关领域研究成果,从煤层气成藏过程和流体特征角度出发,依次总结煤层气成因机理、煤层气储集及运移机理和煤层气藏形成地质条件。结果表明:丰富的有机碳是煤层气形成的物质基础,生物成因煤层气的形成主要依赖于煤层中微生物群落特征,热成因煤层气的形成依赖于煤变质程度;吸附解吸机理是研究煤层气储集的基础理论,固-液吸附解吸理论可以更好地解释含水煤层气体吸附解吸现象;扩散机理和渗流机理是煤层气运移的微观理论,基于时间变化的扩散模型和非达西渗流模型更适合解释我国低渗储层煤层气的运移过程;煤层气藏形成的地质条件归纳为沉积条件、构造条件和水文地质条件,沉积条件控制煤岩组成、煤层厚度和顶底板特征等影响煤层气的成藏过程,构造条件通过构造活动、煤层埋深、岩浆活动和构造类型等影响煤层气的成藏过程,水文地质条件对煤层气成藏具有双重作用。总之,我国含煤盆地地质构造复杂,煤层气成藏受多种地质因素控制,煤层气藏主控因素分析应结合...     

中尺度煤块中煤层气多尺度扩散系数随时间依赖的实验及模型

为探究煤层气含气量(和储量)测定过程中混有中尺度(厘米级)煤块的影响,开展了不同煤种的毫米-厘米级中等尺度煤块在不同压力下的煤层气扩散实验。实验发现,扩散前期实验扩散率大于经典模型的理论扩散率,扩散后期实验扩散率小于经典模型的理论值。全时扩散过程中扩散系数并非一个常数,而是随时间延长而衰减的函数。提出了能精确描述不同气压下不同煤种中尺度煤块的煤层气扩散全过程的动扩散系数新模型。与以往实验相比,中尺度煤块的初始扩散系数比粉煤大1～2个数量级,而扩散系数衰减系数比粉煤小1～2个数量级,原因是中尺度煤块包含了更大的孔裂隙,而其孔径级差较小。     

煤层气解吸-扩散-渗流过程的气-固-热耦合模型

考虑煤层气解吸引起的温度变化及其对后续吸附气体的解吸、游离气体状态的影响,及气体扩散系数的动态变化及修正系数对窜流项的影响,基于孔隙-裂隙双重介质模型建立了煤层中气体解吸-扩散-渗流过程的气-固-热耦合模型,开展了煤层气抽采过程的数值模拟与机理分析。研究结果表明:(1)修正窜流项后的气-固-热耦合双重介质模型相对于窜流项修改前的模型与试验结果更为接近;(2)未修正Langmuir模型考虑了温度降低及其对气体扩散、渗流过程的影响,但没有考虑温度降低对气体解吸量的影响,会导致煤层气抽采量估计值偏大;(3)各向同性模型有可能得到与各向异性模型一致的气体含量曲线,但气体含量分布存在显著差异,渗透率各向异性导致的煤层整体在某方向的渗流优势要大于抽采孔布置形式导致的渗流优势;(4)扩散系数较高时,渗流过程是影响煤层气抽采效率的制约环节,必须考虑渗透率的各向异性特征对气体运移全过程的影响。     

高煤阶煤层气扩散-渗流机理及初期排采强度数值模拟

为了分析排采控制对气井产能的影响,以沁水盆地南部煤层气藏为例,应用分子动力学、岩石力学理论,分析了高阶煤层气扩散、渗流机理;应用Simed软件,分别采用不变渗透率、应力敏感以及考虑割理压缩率变化的S-D渗透率模型,进行了不同煤体结构高阶煤层气井初期排水强度数值研究。研究表明:解吸、扩散、天然裂缝渗流以及压裂裂缝导流等环节需协调作用,才有利于产气;随着排采的进行,扩散系数会逐渐增大,而压裂裂缝导流系数会因有效应力作用、煤粉堵塞等因素而降低;渗透率是影响研究区气井产能的关键因素,渗透率高的产气效果好;构造煤对于初期降液速率较敏感,对较高的导流系数不敏感;原生、碎裂煤对初期降液速率不敏感,但对导流系数较敏感;低渗煤层气井宜采用较低的初期降液速率;高渗煤层气井可以采用较高的初期排采强度持续排出水和煤粉。     

安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性实验研究

为研究安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性,在大众矿、龙山矿和贺驼矿分别采取2个（共6个）煤样。采用工业分析、高压吸附试验和瓦斯解吸试验等方法分析煤样的多元物性参数。运用球形扩散模型,采用Origin软件拟合解吸数据,计算出瓦斯扩散系数。结果表明,大众矿、龙山矿和贺驼矿煤样的挥发分分别为20.16%,12.10%和19.01%,变质程度由高到低为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;大众、龙山和贺驼煤样的吸附常数a分别为37.26,52.36,41.30 m³/t,瓦斯吸附能力由大到小为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;龙山矿、大众矿和贺驼矿煤样扩散系数分别为9.567 5×10^-10,5.294 3×10^-10,2.384 7×10^-10 m²/s,瓦斯扩散能力由大到小为:龙山矿>大众矿>贺驼矿。表明龙山构造煤瓦斯吸附和扩散能力最强,煤与瓦斯突出危险性最大。     

煤粒多尺度孔隙中瓦斯扩散机理及动扩散系数新模型

为解决经典扩散模型不能准确描述煤粒瓦斯全时扩散的科学问题。采集我国典型矿区的代表性煤样,开展了各种条件下的煤粒瓦斯扩散实验。采用经典扩散模型拟合实验表明,某时刻前,扩散率的实验值大于理论值,此时刻后,实验值小于理论值,此规律惟一。经典扩散模型不能准确描述瓦斯扩散全过程,误差极大,进而发现了煤粒瓦斯扩散系数随时间延长而衰减的特有现象。为此,提出了煤粒多尺度孔隙分布的新物理模型,新模型假设煤粒中孔隙呈非均质多尺度形态分布,并具有自相似分形结构,这种多尺度分形结构孔隙决定了煤粒扩散系数的多级分布,进而决定了瓦斯宏观扩散力学机理,即,煤体由表及里,孔隙由大到小分级分布,其扩散系数亦相应的由大到小逐级递减。扩散初期,瓦斯从扩散系数较大的大孔隙中快速逸出,扩散后期,从扩散系数较小的小孔隙中慢速逸出,直至深达微孔内部。正是这种逐级递减的孔隙形态及相应的多级扩散系数分布,形成了瓦斯扩散系数随时间延长而衰减的扩散机理。根据这一物理假设,引入初始扩散系数D0、扩散系数衰减系数β两个参数反映扩散系数动态衰减特征,提出了动扩散系数数学模型,经200余组数据检验,新模型能较准确描述各条件下的煤粒瓦斯(CH4,CO2,N2)扩散全过程。新模型涵盖了经典单孔隙扩散模型和双孔隙模型,将其推广到了多孔隙维度,并能解释经典单孔隙扩散模型出现的问题,新模型在准确性、简单性、解释性、预测性上优于国外双孔隙模型及其它经验公式。多尺度动扩散系数扩散模型为准确计算瓦斯(煤层气)含气量、储量、突出预测指标,解释各种条件下的瓦斯扩散机理提供了新物理模型和计算新方法。     

煤层气吸附与解吸可逆性实验研究

以等温吸附与解吸实验为手段,通过对不同变质程度的煤进行吸附/解吸等温线的测定,探讨煤层气吸附与解吸可逆性.实验结果分析发现:低阶煤煤样吸附/解吸曲线出现了明显的滞后环,吸附和解吸过程所回归a(Langmuir体积)值相差比较大,说明吸附与解吸吻合性差,对甲烷的吸附和解吸表现出非可逆性;中、高级煤吸附与解吸等温线具有很好的重合性,吸附与解吸过程所回归的a(Langmuir体积)值也比较接近,对甲烷的吸附和解吸表现出可逆性.该现象的发现,为煤层气开采参数的确定具有一定的意义.     

吸附解吸迟滞现象机理及其对深部煤层气开发的影响

针对瓦斯在煤中的解吸与吸附过程并非完全可逆,吸附解吸迟滞现象非常普遍,分析了以往研究中存在的问题,提出了关于吸附解吸迟滞程度的定量评价指标,通过等温吸附解吸实验考察了最高吸附压力和煤体粒径与迟滞程度的关系,并讨论了吸附解吸迟滞现象的发生机理及其对于深部煤层气开发的影响。结果表明:新的定量评价指标可以反映吸附解吸迟滞从完全可逆至完全非可逆的程度;随着最高吸附压力和煤体粒径的增加,吸附解吸迟滞程度随之增强;吸附解吸实验结果是综合了扩散作用的扩散-吸附及解吸-扩散结果,且这两个过程很难区分开来;实验发现的该现象是由于气体分子在高压作用下嵌入连通性较差的微孔中并引起孔隙变形,被吸附的气体分子受窄小的孔隙通道限制,无法从孔隙中解吸并扩散出来而导致的,即本文提出的"扩散受限"假说;深部煤层气的气体含量可能会很高,但受解吸迟滞现象影响,其真正的可采储量和产出规律需要利用等温解吸线而非等温吸附线进行评估;除了通过增透措施提升煤体的渗透率外,如何促进微尺度下的气体解吸与扩散也应该成为深部煤层气开发需要着重考虑的问题之一。     

煤层气井同步压裂工艺现场实践

针对沁南东区块煤储层特点,通过对煤层气吸附-解吸原理的研究,结合排水降压的控制方法,在试验区块压裂效果比对优选基础上,进行了2个井组的煤层气井同步压裂技术先导试验并获得成功,实施效果的跟踪评价表明,采用该项技术,排采效果明显,比同一区块其他煤层气井气量有较大提高。     

煤层气水平井产能控制因素分析及排采实践

为了揭示煤层气水平井产能控制因素,采用理论分析方法分析了临界解吸压力、含气饱和度及渗透率对水平井产能的控制作用。通过山西沁水盆地南部水平井排采实践,提出了三段式管理井底压力的排采方法,即将排采制度分为井底压力大于临界解吸压力阶段、介于临界解吸压力至0.5倍临界解吸压力阶段、小于0.5倍临界解吸压力阶段分别制定降压幅度。井底压力控制遵循：第1阶段落实地层供液能力,降液幅度小于3 m/d;第2阶段缓慢提产,落实煤层气井产气能力,降液幅度为1 m/d;第3阶段稳定配产,维持井底压力,产气量出现下降时缓慢降液,降液幅度为 0.5 m/d。结果表明：三段式管理井底压力的排采方法有利于区域压降扩展和充分释放煤层气井产能。     

水分对煤层气吸附/解吸微观作用研究进展

水分是制约煤层气吸附/解吸的关键因素之一,受煤储层多元孔隙结构和煤岩组分润湿性差异影响,煤-水-甲烷界面作用导致煤层气产出过程中CH4与H2O相互激励、相互制约。立足于水分对煤层气吸附/解吸作用的研究进展与前沿认识,从煤储层水分赋存状态、煤-水界面微观作用和水分对甲烷吸附/解吸影响3个方面重点分析了水分与煤层气吸附/解吸微观效应之间的内在关系。研究认为煤储层孔隙结构及水分赋存状态复杂。以煤-水界面作用及孔隙结构特征为依据将煤储层水划分为结合水、束缚水和自由水3种主要类型,不同类型水分对甲烷吸附的抑制作用机制存在差异、且对低阶煤的影响程度严重。水分相态变化成为影响甲烷解吸-运移的核心,水蒸汽分子通过竞争吸附置换吸附态甲烷,液态水在润湿性和毛细管力作用下水锁堵孔、抑制气-水运移。在地面煤层气钻采过程中水分的作用机理随储层温度-压力环境动态变化而变化。针对水分对甲烷解吸作用机理不清、影响界限不明的现状,由此提出了量化储层水分含量及分布特征,增强甲烷解吸与气-水运移,完善甲烷吸附/解吸理论与模型,强化水分激励、促进煤层气增产4方面的科学问题及发展方向,进一步深化煤-水界面微观作用在煤层气解吸运...     

水分对煤层气吸附解吸的影响

煤岩实际储存环境含有水,而目前考虑水分对煤层气的吸附解吸影响的研究较少,因此开展了不同含水率下的煤层气吸附解吸实验。结果表明在压力、温度等不变的条件下,随着煤含水率的增加,吸附量减小,解吸率增大;同一温度下,煤的饱和吸附量、最终解吸率与煤含水率表现出很好的线性关系,饱和吸附量几乎不受水分影响,最终解析率随着含水率的增加而增加。通过拟合分析发现,Langmuir模型可以准确描述煤层气的吸附行为,而改进Langmuir模型适合描述解吸行为,新型改进Langmuir模型可以准确拟合解吸率数据。随着温度增加,Langmuir模型中的参数 a减小;随着含水率、温度的增加,参数b 均减小。     

吸附势理论在煤层气吸附解吸研究中的应用

以晋城无烟煤为研究对象,进行了30℃时煤对甲烷和氮气的吸附解吸试验。基于吸附特性曲线的唯一性特点,根据30℃甲烷的吸附解吸数据,以吸附势理论为依据,预测了50℃时甲烷的等温吸附曲线,结果表明预测曲线与实测曲线吻合良好,其预测值平均绝对误差为0.5 cm3/g,平均相对误差为3.12%。同时依据30℃时氮气和甲烷的吸附特性曲线,发现氮气和甲烷的吸附势对应压力在0.61 MPa时存在交点,表明压力低于0.61 MPa时氮气的吸附势高于甲烷的吸附势,此时注入氮气对提高煤层气的增产具有促进作用,这为煤储层在N2-ECBM(注氮增产法)过程中确定氮气的注气压力范围提供了初步的理论依据。     

页岩气与煤层气吸附/解吸热力学特征对比

为了促进煤层气与页岩气在储层评价与开发方式选择上的相互借鉴,进行了煤与页岩吸附甲烷的对比试验。通过多温度点页岩气和煤层气吸附/解吸试验,计算升压过程与解吸过程吸附热差异,发现热演化程度基本一致时,极限吸附热计算结果表明:煤层气在升压吸附时放热量19.148k J/mol,小于降压过程吸热量23.966 k J/mol,降压解吸难以持续;页岩气在升压吸附时放热量44.624k J/mol,大于降压过程吸热量32.656 k J/mol,降压促进吸附/解吸平衡向解吸方向移动。因此,利用排水降压进行煤层气开采时,应重视持续解吸技术的研究。     

胡家河井田煤层气等压吸附/解吸特征研究

为了促进彬长矿区胡家河井田低煤阶煤层气开发实践,核定采收率,对4号煤层进行了样品采集、加工,完成了不同温度煤层气吸附/解吸试验,利用吸附/解吸结果绘制吸附等压线。结果表明:吸附量随着温度的升高而减小,低压阶段解吸滞后明显,高压阶段解吸过程与吸附过程可逆;CH_4吸附量与温度的关系可用二次函数表征,当温度大于临界温度(-82.6℃)时,最大吸附量沿抛物线分布;温度低于临界温度时,最大吸附量沿直线分布;最后得出CH_4吸附量的计算方法,解决了采收率核定时低阶煤含气量测试数据不准的问题。