煤体多孔介质孔隙度的分形特征研究

煤体是一种多孔介质,其内部孔隙结构十分复杂,准确评价煤体的孔隙特征对研究瓦斯的吸附解吸和高效瓦斯抽采具有重要意义。根据分形理论,研究了一种描述多孔介质孔隙空间分布的随机分形模型,并根据其构造方法,建立了煤体多孔介质孔隙度和分形维数之间的关系。通过压汞实验,验证了分形模型的正确性。对煤体多孔介质孔隙度进行了分形描述,结果表明：分形维数决定了孔隙度,分形维数越大,孔隙度越小;观测尺度越小,孔隙度越大,同一阶次孔隙平均直径越小,孔隙度越小,同一阶次孔隙数量越少,孔隙度越小;相同孔隙度条件下的孔径分布不尽相同,这也导致了瓦斯流动和吸附解吸规律的不同。因此,煤体多孔介质的分形维数反映了煤体内部孔径分布特征,对研究煤体孔隙类型和探讨煤层内瓦斯流动有重要意义。     

多孔介质孔隙度与比表面积的分形描述

根据分形理论，提出一个描述多孔介质孔隙空间分布的随机分形模型，并根据其构造方法，建立了孔隙度，比表面性与体积分形维数的关系。还利用压泵实验结果初步验证了孔隙的空间分表分布特征，同时根据文中提出的随机分形模型合理解释了压汞实验中的某些物理现象。     

煤的孔隙结构与其吸附解吸变形的相关性

基于对吸附变形煤样的压汞法测试,得到了煤样的孔隙度、比表面积、中值孔径和不同类型孔隙的分形维数等孔隙特征参数;通过煤样吸附解吸变形与孔隙结构特征参数的相关性分析发现:煤样吸附解吸变形与孔隙度、比表面积、孔隙分形维数等孔隙结构有一定的相关性,其中煤样孔隙分形维数与吸附体应变的正相关性最为显著。     

基于低温氮吸附法的焦煤孔隙表面分形特征

以焦煤的孔隙表面及其分形特征为研究对象,基于低温氮吸附法实验,测定煤样BET和Langmiur比表面积。根据低温氮吸附和脱附曲线特征,定性分析不同焦煤煤样BET法比表面积测值与实际值的偏差。分析比表面积与BJH脱附微孔孔容的关系,认为焦煤比表面积主要受控于脱附微孔孔容。分别计算Freundlich表面分形维数、Langmiur表面分形维数、FHH表面分形维数,认为造成较低覆盖度下FHH表面分形维数大于较高覆盖度下FHH表面分形维数的原因:一是焦煤表面具备多重分形特征;二是多层吸附(毛细凝聚)导致焦煤表面粗糙度下降。较低覆盖度下FHH表面分形维数与焦煤比表面积具有弱正相关性。     

煤粒孔隙的分形模型与分形特性研究

为了定量表征煤粒孔隙结构特性,选取褐煤、烟煤和无烟煤3个不同煤阶煤样分别破碎成3个不同粒度的煤粒进行压汞试验,基于Menger海绵模型和热力学模型对试验数据进行处理,研究了煤粒孔隙的分形特性。研究表明:基于Menger海绵模型得到的试验曲线不符合线性关系,曲线分为2段,前段分形维数DM大于3,后段线性拟合度太低;采用热力学模型分析孔隙分形特性时,曲线呈现显著的线性关系,拟合度均在0.98以上,且分形维数DT均在2~3。表明热力学模型较Menger海绵模型更适合研究煤粒孔隙的分形特性。DT随着煤粒度的减小而减小,且煤粒度对其影响较小;DT随着煤阶的升高而减小,并从煤变质作用的角度分析了其原因。     

粉末高速压制成形坯孔隙度的分形研究

粉末高速压制成形坯孔隙结构极为复杂,以多孔介质孔隙结构的分形理论为依据,分析了其孔隙结构的分形特性,根据毛管束孔隙模型建立了粉末高速压制成形坯孔隙度的分形模型。以矿用氯化钙粉末为实验表明:多孔介质孔隙率随孔隙分形维数的增大而增大。     

煤变质作用对煤储层孔隙系统发育的影响

为了深入研究煤变质作用对煤储层孔隙系统发育特征的影响,通过镜质组反射率测试、压汞实验和低温液氮吸附实验等手段,探讨了BET比表面积与微孔体积的关系,分析了煤变质程度对孔隙度、微孔体积及BET比表面积的影响。结果表明：煤孔隙度随煤级的增高呈现高-低-高的变化规律,在Ro值为23%左右时达到极小值;微孔体积随煤级的升高亦呈现出高-低-高的变化规律;BET比表面积随微孔体积的增加呈线性增加趋势,并且随煤级的升高呈现高-低-高的变化规律,在Ro值为25%时达到最小值。另外,利用扫描电镜对部分沁水盆地高煤级样品进行观察,发现热成因孔普遍分布,这成为高煤级煤孔隙度和BET比表面积增大的重要原因。     

含瓦斯煤吸附特性影响因素研究

为研究含瓦斯煤物质组成成分和孔隙结构参数对煤吸附能力的影响,采用压汞试验测试了5种煤样的孔隙结构,并研究了含瓦斯煤比表面积、平均孔径、孔隙度和分形维数等4种孔隙结构参数,分析了含瓦斯煤物质组成成分和孔隙结构参数对瓦斯吸附能力的影响。研究表明:水分、挥发分、比表面积与瓦斯极限吸附量(V_L)呈二次函数关系,灰分和V_L呈负相关,平均孔径和孔隙度与V_L呈正相关。Langmuir压力(P_L)随着灰分和挥发分的增大而增大,随平均孔径和孔隙度的增大而减小,且与比表面积呈二次函数关系。煤样在不同压力阶段具有不同分形特征,因此具有不同的分形维数D_1(r10nm)和D_2(r10nm)。D_1和D_2均大于2.9,分形特征明显。V_L随着D_1的增大而增大,随着D_2的增大而减小。分形维数与P_L的关系不明显。     

2种氧化剂对贫煤孔隙特性影响的对比研究

为探讨过硫酸铵与二氧化氯对贫煤孔隙特征的影响,优选出更加适合贫煤储层改造的氧化剂,对采集自大平矿与告成矿的贫煤煤样进行压汞实验,分析讨论了过硫酸铵与二氧化氯对煤样孔隙度、分形维数和排驱压力等储层基本特征参数以及孔体积、比表面积及其分布的影响。结果表明,二氧化氯能够有效提高煤储层的孔隙度,减小其孔比表面积及分形维数,过硫酸铵则可能导致煤储层总体孔隙度降低,减小孔比表面积,增大其分形维数。二氧化氯与过硫酸铵作用后,煤样大孔孔体积所占比例增加,中、小及微孔体积比例减小,使孔隙分布更加均匀,各类孔比表面积分布变化不大。因此,二氧化氯与过硫酸铵均能够对贫煤储层进行氧化刻蚀,降低其亲甲烷能力,而二氧化氯对煤层气解吸运移的促进作用要优于过硫酸铵。     

黔西地区煤样孔隙综合分形特征及对孔渗性的影响

为了定量描述煤储层孔隙结构的复杂程度,基于压汞试验测试结果,运用分形理论,对黔西地区不同煤阶的32个煤样进行了分形特征研究,并探讨了分形几何参数与煤储层孔渗性的关系。结果表明:煤储层孔隙分形维数可分为渗流分形维数和扩散分形维数,利用不同分形段的孔隙体积比作为权值,通过加权求和方法可得到综合分形维数;渗流分形维数随变质程度增加而减小,扩散分形维数和综合分形维数均随变质程度增加而增大;分形界限、扩散孔隙体积分数及总孔体积都与综合分形维数、扩散分形维数具有较好的相关性,而且3个指标参数与综合分形维数的相关系数均高于与扩散分形维数的相关系数;综合分形维数、分形界限及扩散孔隙体积分数与煤储层孔隙度之间为负幂指数相关关系,总孔体积与煤储层孔隙度为线性正相关关系,与渗流分形维数和扩散分形维数相比,综合分形维数更有利于表征煤储层渗透性。     

不同变质程度煤孔隙结构分形特征对瓦斯吸附性影响

为研究不同变质程度煤孔隙结构分形特征及其对瓦斯吸附特性的影响,通过压汞试验测试了9组不同变质程度煤样孔隙结构,利用Menger海绵模型分析了不同变质程度煤孔隙结构分形特征,结合煤样吸附常数,研究了孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特性的影响。研究结果表明,煤孔隙在不同孔径段具有不同的分形特征,渗流孔分形维数D_1和吸附孔分形维数D_2均随变质程度的增加呈线性增大。煤孔隙分形特征对瓦斯吸附特性具有一定的影响,渗流孔分形维数D_1与吸附常数b呈良好的线性关系,与极限吸附瓦斯量a的关联性不大,表明渗流孔分形维数D_1对吸附瓦斯速率影响较大,对吸附能力影响较小;吸附孔分形维数D_2与极限吸附量a呈正相关关系,与吸附常数b关联关系不明显,说明吸附孔分形维数D_2对瓦斯吸附能力影响较大,对吸附瓦斯速率影响不明显。     

煤体瓦斯愈渗机理与研究方法

以物理学单纯孔隙介质的愈渗概念与方法为基础，提出了孔隙、裂隙介质愈渗研究方法，针对煤体中瓦斯赋存与渗流问题，在二维情况下，通过数值试验研究揭示了连通团个数、最大连通团孔隙比随孔隙率和裂隙分形维数的变化规律．结果表明，在裂隙数量分布初值n0=1的标准情况下，随着裂隙数量、分形维数增加，连通团个数对应的孔隙率点由30％逐渐降低到20％左右；当孔隙率高于35％时，裂隙数量分形维数高于1．45以后，最大连通团孔隙比增加较快，低于此值时，所有连通团包含的孔隙数均极小，这就是煤体低渗透的本质．     

新疆阜康矿区煤的吸附孔分形特征试验研究

为研究新疆阜康矿区煤的吸附孔分形特征,进行了低温氮吸附试验,采用BET模型和BJ H模型计算得到煤的孔隙比表面积及体积,应用FHH模型计算煤的孔隙分形维数,分析了分形维数与煤质参数及孔隙参数关系。试验结果表明:阜康矿区煤的孔隙A=D一3在研究尺度范围内分形特征明显,分形维数为2.25045~2.56277;煤的孔隙分形维数与水分呈负相关关系,与灰分呈正相关关系,与固定碳含量呈二次函数关系,与挥发分关系不明显;分形维数与孔隙直径为负相关关系,与孔隙比表面积、孔隙体积呈正相关关系;分形维数与中孔比表面积及体积占比呈负相关关系,与微孔和过渡孔体积占比呈正相关性,但与两者比表面积占比无明显关系。     

淮北朱仙庄矿构造煤孔隙结构及其分形表征研究

基于压汞法对淮北朱仙庄矿的构造煤孔隙发育特征进行了研究,采用Menger海绵模型对样品的渗流孔和扩散孔发育特征进行了研究。研究结果表明:构造对孔隙结构的改造作用随着孔隙尺度的减小而减弱,煤体结构变形增强,大孔和中孔的孔容增幅显著,过渡孔孔容有一定程度的增加,微孔孔容变化很小,孔隙结构变得复杂;分形维数对构造煤孔隙结构特征和煤体变形特征具有良好的表征作用,随着煤体变形增强,分形维数呈增大趋势,脆性变形阶段分形维数缓慢增大,样品分形差异逐渐变大,韧性变形阶段,分形维数显著增加,样品分形差异性相对减小。随着分形维数的增加,样品的孔容和孔隙度呈指数增大趋势;渗流孔的孔容比呈负指数形式减小,扩散孔的孔容比线性增大,分形维数D3.1时渗流孔所占比重高,随分形维数增大扩散孔孔容所占比重逐渐超过渗流孔;渗流通道增多,气体吸附能力增强,煤储层的渗透率往往减小。     

基于分形理论的龙口褐煤孔隙特征研究

基于压汞实验测试结果,运用分形理论,研究龙口褐煤的孔隙大小分级、孔隙发育特征以及孔隙分形维数。结果表明:龙口褐煤的孔隙系统可以分为三个部分,孔径大于1028nm的孔隙属于大孔,孔径小于72nm的孔隙属于微小孔,介于72nm和1028nm的孔隙属于过渡孔;孔隙度介于10%~15%,平均为12.669%,比孔容介于0.09~0.13m L/g,平均为0.115m L/g,比表面积介于39~70m2/g,平均为56.529m2/g,煤样的孔隙发育较好,且具有较大的孔容和表面积,其中微小孔的孔容占总孔容的80%以上,且分布均匀;大孔和过渡孔具有很好的孔隙分形分维特征,分形维数平均为2.56,表明这部分孔隙有较好的孔隙结构。     

四川新场气田须家河组陆相页岩孔隙分形维数及其甲烷吸附效应

四川盆地陆相页岩的孔隙结构、分形维数和甲烷吸附能力认识不清,制约了陆相页岩气选区和评价。针对川西新场须五段陆相页岩,开展了超低压氮气吸附、高压甲烷吸附测试,基于低压氮气吸附Frenkel-Halsey-Hill（FHH）模型计算得到分形维数D₁和D₂（相对压力在0～0.5和0.5～1.0条件下）,分析了须五段陆相页岩的分形维数与基质组分（TOC和矿物组分）、孔隙结构（平均孔径,比表面积,总孔体积）的相关关系,揭示了页岩分形维数对甲烷吸附能力的控制。结果表明,须五段陆相页岩分形维数D₁为2.495 0~2.574 4,分形维数D₂为2.657 8~2.841 2,D₁代表页岩孔隙表面分形维数,而D₂表示孔隙体积的分形特征。须五段页岩的基质组分对分形维数D₁和D₂产生不同的影响。分形维数D₁和D₂与甲烷吸附量呈正相关。研究表明分形维数可以作为评价页岩气储层的关键参数。     

AMD蚀化砂岩细观力学效应

通过pH值为1.25,3.38的AMD溶液蚀化下砂岩细观结构及力学试验,分析砂岩细观结构及力学性质变化规律;运用分形理论描述砂岩细观结构分布特征,得到AMD蚀化下砂岩表面SEM图像的分形维数（D）;基于砂岩弹性模量的变化,引入AMD蚀化下砂岩化学损伤变量（w）,建立w与 D 之间的关系。结果表明：AMD蚀化下砂岩细观结构分布具有分形特征, w 与 D 存在较好的线性关系。pH=1.25时, w=0.78D－1.62;pH=3.38时, w=0.97D－2.04,相关系数均在0.98以上。研究结果从细观层次揭示了AMD蚀化砂岩力学效应。     

基于低温液氮浸溶处理的淮南矿区松软中阶煤孔隙特征

为了研究低温液氮浸溶处理对淮南矿区中阶煤孔隙结构及其分形特征影响,采用不同液氮浸溶时间处理煤样,通过压汞法和液氮吸附法对煤体的孔隙结构加以测定,结合分形理论从多角度分析不同浸溶时间下煤体孔隙的发育规律及其尺度特征。结果表明：随着液氮浸溶时间的增加,煤体总孔容由198.089×10-3 cm3/g上升至371.553×10-3 cm3/g,总比表面积则由4.984m2/g下降至4.496 m2/g,效果显著;煤体吸附孔减小,渗流孔增加,吸附孔的孔隙连通性增加形成更大级别的孔隙,逐渐向渗流孔转变;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数与液氮浸溶时间呈现负线性相关,液氮浸溶对于渗流孔分形维数比对吸附孔分形维数的影响程度更为显著;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数随着液氮浸溶时间的增大逐渐降低,表明了煤体内部孔隙随着液氮浸溶时间的增大结构复杂程度降低,孔隙之间的贯通性增强,煤体孔隙度和渗透性的增加;综合分形维数随着煤体平均孔径和总孔体积的增加而减小,随着总比表面积的增加而增加,随着液氮浸溶时间的增加,煤体综合分形维数下降,煤体的吸附能力有所减弱,渗流能力有所增强,有助于提升淮南矿区低渗煤层煤层气抽采效果。     

新疆地区中低阶煤孔隙综合分形特征分析

为进一步分析中低阶煤孔隙结构的分形特征,选取新疆矿区8个典型煤样,通过低温氮吸附法和压汞法测试了煤样的孔隙参数,采用氮吸附法和压汞法对煤样全孔径段孔隙结构分析的联孔位置,发现对于低阶煤为50～60 nm,中阶煤为85～90 nm,均位于过渡孔段。为准确分析全孔径段孔隙分形特征,采用不同的模型对煤样的分形维数进行计算。研究结果表明:试验煤样中低阶煤,孔隙均发育良好;在孔径小于联孔范围内,采用FHH模型对氮吸附试验数据进行计算,得到煤样的分形维数D1在2.58～2.89之间,在孔径大于联孔范围内,采用Menger海绵模型对压汞试验数据进行计算,得到煤样的分形维数D2在2.72～3.23之间;中低阶煤在孔隙体积占比上存在一定差异,低阶煤在孔径小于联孔范围内占比超过60%,中阶煤在孔径大于联孔范围内占比超过50%。     

侧限条件下陷落柱破碎岩体的渗流特性研究

采动影响下陷落柱内部破碎岩体极易发生二次破坏,造成孔隙度和分形维数同时改变,致使其渗透率突变而引发突水灾害。基于此,现场开展陷落柱取样,按相同质量比配制陷落柱和石灰岩试样,测试并分析其孔隙度、分形维度以及渗透率在有侧限单轴压缩条件下的变化影响规律。研究表明:1)陷落柱和石灰岩试样的孔隙度均随轴压的增大呈指数衰减式减小,但陷落柱试样孔隙度的减小幅度比略大于石灰岩;2)当轴压小于6 MPa时,破碎岩体分形维数随轴压变化明显,尤其是陷落柱试样,其分形维数变化率可达18.5%,而石灰岩仅为9.3%;3)引入分形维度对破碎岩体渗透率与孔隙度的表达式进行修正,较好地描述了陷落柱在不同轴压下渗透行为的演化特征。