基于煤中甲烷赋存和运移特性的新孔隙分类方法

煤中复杂的多尺度孔隙结构是瓦斯赋存的空间和运移的通道，厘清甲烷在不同孔隙中的赋存和运移特性对煤层瓦斯的抽采利用以及灾害防治具有重要意义。在过去的几十年中，学者们对煤中复杂孔隙结构进行了大量的研究与分类。随着孔隙测试技术的发展，以及对煤中甲烷赋存和运移特性的进一步认识，发现现有的煤孔隙分类方法存在不足。因此，对以往的孔隙分类方法进行全面回顾，并基于最新的煤中甲烷赋存和运移特性的研究成果，提出了一种新的针对煤和甲烷系统的孔隙分类方法。将煤中孔隙结构划分为不可达孔(<0.38 nm)、填充孔(0.38～1.50 nm,吸附相扩散)、扩散孔(1.50～100 nm,游离相扩散)和渗流孔(>100 nm)4类，且煤中不同孔隙(填充孔、扩散孔和渗流孔)形成顺序串联，相同孔隙形成相互并联为主的连接模式。煤中甲烷主要以微孔填充形式吸附于填充孔中，填充孔中的吸附态甲烷作为煤层瓦斯运移的源头，以吸附相扩散的形式为扩散孔中的游离相扩散提供源源不断的甲烷分子，而扩散孔中运移的甲烷也汇总至渗流孔并不断渗流到抽采钻孔或煤壁表面。新的煤孔隙分类方法总结了甲烷分子在不同尺寸孔隙结构中的赋存形式(微孔填充吸...     

煤层纳米孔隙结构对瓦斯运移特性的影响研究

为探讨煤层纳米级孔隙结构对瓦斯运移特性影响机理,选取霍尔辛赫煤矿3号煤层煤样进行小角X射线散射试验,得出该煤层煤体纳米范围内孔隙结构参数及分布特征。基于试验所取得参数,并结合实际地温和储层压力条件进行数值模拟,引入运移通道可达性系数和运移时间定量表征瓦斯输运效率。结果表明：煤样纳米孔隙中瓦斯的主要运移方式为过渡流。孔隙通道内各初始条件对瓦斯运移特性影响不同,孔隙通道可达性系数随孔隙直径的增加而增加。受气体滑脱效应影响,15nm以下通道运移时间随尺度增大急剧衰减。通道内瓦斯运移受启动压力和浓度梯度共同作用,启动压力克服阻力,浓度梯度决定后续运移,运移时间受浓度增益和碰撞阻力效果共同作用。微孔内,运移通道变窄时,可达性系数及运移时间均与窄通道直径正相关;运移通道变宽时,可达性系数受窄通道长度与宽通道直径共同作用,运移时间与可达性系数存在最大差值区域。微孔内,可达性系数与通道几何参数有关,通过数据拟合,并引入太沙基有效应力得出煤层受应力作用下微孔通道瓦斯输运效率的表征公式,拟合效果良好。     

中低煤阶煤孔隙特征及对瓦斯放散特性的影响

为了研究中低煤阶煤孔隙特征及其对瓦斯放散特性的影响,对采集的中低煤阶长焰煤、气煤、焦煤和1/3焦煤4个煤类共计14组样品进行了煤工业分析、煤岩分析、液氮吸附和瓦斯放散初速度测试,结合分形理论研究了中低煤阶煤比表面积、孔容和孔隙分布特征及其瓦斯放散特性。结果表明:中低煤阶煤孔比表面积孔径分布主要以小孔和微孔为主,孔隙形态为以一端开口的孔为主,含有少量两端开口的孔,部分样品含有少量墨水瓶形孔。中低煤阶煤孔隙具有较好的分形特征,孔比表面积、孔容与分形维数具有明显的对数关系。中低阶煤瓦斯放散初速度较小,瓦斯放散初速度随着分形维数增大而减小,随着平均孔径的增大而增大。随着各孔径段孔容积、孔比表面积含量增加瓦斯放散初速度均呈负对数减小趋势,各孔径段比例和煤孔隙形态类型的细微变化对瓦斯放散初速度的影响不大。     

煤的孔隙结构与煤层瓦斯动力特性的关系

本文根据苏联、英国关于煤及共生岩层的孔隙结构、吸附能力、吸附动力特性的物理化学研究的最新观点对煤及共生岩层甲烷涌出过程进行了解释。通过实验室及现场研究对煤层的地质环境特别是地质构造破坏程度、成灰物质分布对煤及共生岩层的瓦斯动力特性的影响进行了考察。同时,对伴随瓦斯涌出而产生的温度效应也进行了讨论。实验结果表明:试样中的灰分含量决定试样的吸附能力,甲烷涌出速度取决于试样中单位体积大孔隙数量及其分布。证实了用未配对电子浓度(顺磁中心)表示的煤分子破坏程度与煤的吸附动力特性存在密切的关系。同时表明:试样的这些特征与深孔甲烷涌出速度、煤层钻孔孔壁温降等现象有关。当煤层垂直方向、水平方向的地质构造变化时,在短距离内煤层的上述特性会出现较大变化,因而,它们可以用来确定破坏区内煤层突出危险性及瓦斯涌出量大小。     

正断层附近煤层的特征

正断层附近煤层的孔隙、裂隙是与正断层的形成过程密切相关的,通过对正断层附近煤层的孔隙、裂隙特征及煤的机械性能的分析,在煤矿生产实践中指导煤与瓦斯突出的预测、瓦斯资源抽放利用的评价、隔离煤柱宽度的计算。     

蔚州矿区煤层显微特征对瓦斯赋存的影响

为了了解蔚州矿区各煤层瓦斯含量较低的原因,从微观角度对煤储层显微组分和孔隙特征2方面进行了定量分析。研究结果表明,蔚州矿区各主采煤层和煤类以惰质组和镜质组为主,尤其是生气潜力较小的惰质组,除1煤外含量均超过了50%;各煤层孔隙和裂隙均比较发育,孔隙的发育为瓦斯的储集提供了良好的空间,裂隙的发育为瓦斯的逸散提供了通道。分析认为,蔚州矿区各煤层瓦斯含量较低是由煤储层惰质组含量较多导致生气显微组分减少和煤层裂隙发育不利于瓦斯的保存两方面导致的。     

基于分形维数的原生煤与构造煤孔隙结构特征分析

以大宁煤矿3 #煤层的原生煤和构造煤为研究对象,以压汞实验结构为基础并结合分形维数理论,对原生煤和构造煤的孔隙结构特征进行了对比分析,研究发现:构造煤的进汞总量是原生煤的3倍左右;原生煤无滞后回线,孔隙形态主要以管状或者平板型孔为主;构造煤有明显滞后回线,孔隙形态以“墨水瓶”似的孔为主;原生煤只有一个突破压力,构造煤却有两个;原生煤分形维数特征关系曲线存在着一个突变点,而构造煤则存在两个突变点.综上可知,构造煤内孔隙结构更复杂、连通性更差,瓦斯更难运移,并且更容易遭受破坏.     

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。     

气煤的孔隙分形特征对瓦斯吸附的影响

为了研究气煤的孔隙的分形特征对瓦斯吸附的影响,通过低温液氮吸附法对阜康气煤的孔隙结构进行测试,采用FHH模型对实验煤样进行分形维数计算,运用高压容量法测定煤样的吸附特性,分析了气煤的分形维数与瓦斯吸附性能的关系。实验结果表明:表面分形维数D_1与Langmuir体积V_L呈正相关,与Langmuir压力p_L呈负相关;但结构分形维数D_2与煤样的Langmuir体积V_L和Langmuir压力p_L之间的相关性不明显;通过分析可知,气煤中孔隙结构的分布和孔隙类型同时影响着瓦斯气体在煤体孔隙中的运移。     

煤层孔隙特征对抽放煤层气影响

本文采用扫描电镜、压汞法和氮吸附法系统地研究了南桐矿区不同煤层及同一煤层不同破坏程度分层的孔隙特征。通过扫描电镜研究将煤的孔隙类型分为六种;运用压汞法和氮吸附法研究了煤的孔径分布及孔隙结构与煤的破坏程度、煤岩组成、显微结构和煤的变质程度之间的关系,取得了一些新认识。同时,还对煤层的突出倾向性及煤层气抽放的难易程度进行了初步评价。     

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。     

煤的粒径对肥煤和气煤孔隙结构的影响

煤的粒径大小对煤的孔隙结构会产生一定的影响,从而导致煤的瓦斯吸附性能有所变化。基于气煤和肥煤的低温氮吸附实验的基础上,通过分析粒径大小对孔体积、孔比表面积与孔径分布的影响,根据孔体积与孔径分布关系图,找出一定的规律,然后再进一步考察煤的粒径大小对孔隙结构的影响规律,考察结果表明:煤的粒径影响的下限是在0.074～0.2 mm之间的粒径,而影响上限可能是大于3 mm的粒径,并认为粒径较大时会影响孔隙结构真实值的反映。     

和顺地区高煤级煤空间结构特征研究

为了研究和顺地区高煤级煤的空间结构特征对煤层气运移的影响,借助光学显微镜进行了显微裂隙分析,采用压汞法和比重瓶法测试了煤孔径结构和孔隙率。分析了高煤级煤宏观裂隙及显微裂隙的发育状况、各孔径段比孔容、比表面积的分布规律、孔隙的闭合及连通情况。结果表明,该区煤中裂隙总体不太发育,小裂隙与微裂隙较大、中裂隙发育,局部裂隙填充闭合。孔隙率较高,孔隙主要为开放性孔隙,含部分半封闭性孔隙,过渡孔和微孔的孔容和比表面积占据了主导地位,中孔含量较小,成为气体运移的瓶颈,这种空间结构分布虽然有利于煤层气的吸附,但不利于煤层气的产出。     

煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响的实验研究

为揭示煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响机理,选择新疆阜康矿区典型矿井煤样,进行低温氮吸附及瓦斯放散初速度实验,研究了煤的吸附孔特征参数及其对瓦斯放散初速度的影响。结果表明:实验范围内阜康矿区煤的吸附孔中瓦斯的主要放散方式是Knudsen及过渡型;吸附孔各参数对瓦斯放散特性的影响不同,平均孔径越大,瓦斯扩散阻力越小,瓦斯放散初速度越大;孔隙及各孔径下的比表面积和孔容越大,瓦斯放散初速度越小;瓦斯放散初速度与微孔和过渡孔的孔容占比为负线性关系,与中孔的孔容占比为正线性关系,与各孔径下比表面积占比无明显关系;煤的孔隙在研究尺度范围内分形特征显著,瓦斯放散初速度随分形维数的增大而线性减小。     

煤体解吸甲烷规律及解吸后微结构特征研究

在新兴能源产业提质增效的迫切要求下,积极推进煤层气产业发展对于缓解目前国内能源现状具有重要意义。地层应力约束下煤储层吸附解吸瓦斯特征直接关系到瓦斯抽采作业的布置方式。基于此,对应力约束状态下煤体对甲烷的吸附和解吸特征进行了试验研究,同时对解吸甲烷后煤体内部结构特征进行了CT扫描测试和分析。结果表明：煤体对甲烷的吸附量与孔隙压力几乎呈线性关系,符合Langmuir模型|80℃是煤体解吸甲烷较为合理的温度点|解吸甲烷后煤体内部会形成较多孔隙,发育较多的次生裂隙,不同层位孔隙率在6.32%～9.38%之间,平均孔隙度可达7.4%|在不同类别孔隙中,孔径低于30μm的孔裂隙比例高达76.36%|总体上,煤体中孔径较小的孔裂隙结构是甲烷解吸、扩散以及运+移的主要通道。     

补连塔矿煤样的孔隙特征及吸附特性试验研究

为了研究补连塔煤样的孔隙特征和吸附特性,开展了煤样的低温氮吸附试验和等温气体吸附试验。通过分析低温氮吸附试验发现,补连塔煤样的比表面积明显大于变质程度相近其它煤样,且该煤样的孔径分布主要集中在小于10 nm小孔段;分析煤样气体吸附试验结果发现,该煤样的气体吸附量明显低于相同变质程度的其它煤样。分析试验结果表明,补连塔煤样的吸附特性存在明显"比表面积大而气体吸附量小"的特征,这与传统物理吸附存在较大偏差,考虑气体分子热运动,建立小孔气体分子吸附模型解释了发生该种现象原因。     

赵庄井田3号煤孔隙特征研究

煤孔隙特征对煤层气赋存和运移具有关键作用,是煤层气勘探开发的重要基础理论和研究热点之一。为了研究赵庄井田3号煤孔隙特征,采用低温液氮吸附试验。结果表明:受多地质因素影响,不同样品煤孔隙特征表现出显著的分形现象,孔隙系统相对复杂、形态多样、连通性和渗透性较差;不同尺度孔隙均有发育,介孔最为发育,微孔和大孔发育一般;介孔的孔比表面积占绝大部分,微孔次之,大孔最小;孔容仍以介孔为主,大孔次之,微孔最小。     

准东低阶煤孔隙特征及对气体传质方式的影响

进行探讨。结果显示：褐煤以中大孔为主,微小孔发育有限,主要储集空间孔径在0.1~2.0 μm;长焰煤以微小孔为主,孔容主要来自微小孔,其单位孔容远小于褐煤。在多级孔隙配置的煤储层中划分出达西流、滑脱流、过渡流和分子扩散4种传质方式。褐煤孔隙连通性好,以达西流、滑脱渗流为主;长焰煤微小孔发育,各级孔隙连通性差,以达西流、过渡流及分子扩散为主。相比较而言,纳米级孔隙中吸附甲烷分子层厚及滑脱效应对长焰煤单孔渗流能力的影响更显著,其将会在气藏开发过程中对增产稳产提供有益的支持。     

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。     

甲烷在煤的微孔隙喉道通过性及其对解吸的影响机理

煤是天然的多孔介质,其内部含有大量破碎煤块与多种类型的微孔隙结构,甲烷在煤的微孔隙喉道通过性是影响甲烷解吸效率的重要原因之一。基于单孔喉模型,分别对孔喉直径、孔喉几何形态与甲烷分子在孔喉附近的Leonard-Jones势的关系进行了分析;基于两能态模型,得到了孔喉势阱/势垒的几何临界尺寸及变化规律,研究发现,当R/r_0(孔喉半径/甲烷分子直径)0.89时,孔喉平面位置对甲烷分子存在势垒,孔喉平面两侧存在势阱;当R/r_00.89时,孔喉平面仅存在势阱,势阱深度随着孔喉增大逐渐降低。基于玻尔兹曼能量分布定律与麦克斯韦分子速率分布原理,推导出了温度、压力、孔喉直径对微孔隙吸附/解吸甲烷过程中的孔喉通过性影响的定量关系,分析表明温度、压力差、孔喉直径是影响甲烷通过孔喉的主要因素。温度越高,压力差越大,孔喉直径越大,孔隙甲烷的通过性越好,反之则通过性越差。基于上述理论分析,建立了煤的非均匀孔喉结构模型,通过数值模拟方法进行了含孔喉微孔隙吸附/解吸甲烷规律研究。研究证明,煤中孔喉势阱对甲烷分子运移的阻滞作用,是引起煤层甲烷吸附/解吸速率下降与甲烷解吸滞后现象,导致煤层气开采期限内解吸率低下的重要原因之一;微孔隙孔喉越小,其影响越明显。研究结果对于煤层气开采效率评价及煤层原位致裂增透改性强化煤层气开采提供借鉴。