中煤级煤Micro-Raman结构对甲烷吸附的响应

煤与甲烷、二氧化碳等流体作用后的体积膨胀及其机制一直是煤层气地质学和煤与瓦斯突 出防治研究中的重要课题之一。 以往的研究主要集中在宏观吸附膨胀及变形,并从力学的角度解 释其膨胀机制。 实际上,煤作为由大分子构成的分子体系,与甲烷、二氧化碳的相互作用是一种分 子现象,其膨胀变形的本质应该是分子体系发生了变化,因此揭示煤大分子结构对煤体吸附膨胀的 响应特征是认识其机制的基础。 应用显微-拉曼光谱法对吸附甲烷前后的 8 个中煤级煤样( 镜质 组最大反射率 Ro =1.08%~1.80%)进行了结构表征,并运用 origin 8.5 软件对煤样吸附甲烷前后的 拉曼光谱曲线进行了分峰拟合,在此基础上计算了煤样吸附前后的拉曼光谱结构参数。 结果表明: 原煤和吸附煤的 G 峰与 D 峰的峰位差 d(G-D)随着煤级的增加有增大趋势,G 峰半峰宽 (FWHM-G)呈减小趋势,表明在反射率 1.08%~1.80%阶段,煤结构有序度和微晶尺寸随煤级增加 而逐渐增加;大芳香环(≥6)的相对含量(AD /AG)出现先增加后减小的趋势,这是以较大芳香环的 生成为主转为向石墨结构生成为主的结果;随着煤级增加,原煤的大芳香环结构中“杂质”(AS /AD) 及氢化芳环上的 C—C 的含量( AS / Atotal ) 均有减小的趋势,反映出煤结构中 sp2 -sp3 杂化烷基碳或氢 化芳环逐渐减少,有序度逐渐增加;当 Ro >1.3%时,吸附煤相对原煤的 d(G-D)及 AD / AG 减少,小芳 香环相对含量(AGR+VR+VL /AD),AS /AD,AS /Atotal和 FWHM-G 增加,表明甲烷吸附变形引起环数较大 的芳香环和微晶结构破裂形成较小的芳香环。 这一结果对于认识煤大分子结构与甲烷的相互作用 机制提供了理论依据。     

新景矿无烟煤纳米级孔隙结构特征的原子力显微镜研究

阳泉矿区新景矿3#煤层为强突出煤层,为了认识3#煤纳米级孔隙结构发育特征,在井田佛洼分区3215辅助进风巷掘进头处采集了3#煤样品(XJ-3)。通过原子力显微镜(AFM)技术观察了XJ-3样品的形貌发育特征,并结合图像分析法,获得了该煤的表面粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq。结果表明:新景矿3#煤表面孔隙形状大多以椭圆形和梨形为主,次为圆形,含少量不规则长条形,孔隙之间的连通性一般,喉道多呈现出圆柱形;该煤的面孔率为5.74%,表面孔隙以微孔、小孔为主,中孔、大孔不甚发育;该煤的表面粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq值分别为3.89和6.17,与同变质程度煤相比,该煤表面相对光谱,凹凸程度相对较弱。     

基于原子力显微镜观测的煤中显微组分微观形貌与孔隙结构

煤炭既是重要的能源资源,也是潜在的材料原料。作为能源时,煤的物理结构在其综合利用及转化中有不可忽视的作用,如煤中孔隙结构对煤层气的储存、吸附、运移、解吸等有关键性作用。作为材料原料时,能为高精尖产业提供优质原料来源,如煤基石墨、煤基石墨烯等。显微组分是煤的主要成分,对煤的属性及其应用贡献巨大。以榆横矿区小纪汗煤矿2号煤层样品（XJH）为研究对象,对煤中显微组分开展原子力显微镜（AFM）观测,分析镜质组、半丝质体和丝质体的微观形貌和孔隙结构特征,为该区煤的清洁高效利用夯实基础。结果显示,XJH煤显微组分的微观形貌以粒状结构为主,表面颗粒呈不同规则程度圆形或椭圆形随机分布;镜质组表面颗粒的功率谱密度分形维数Ds最大,颗粒空间充填能力和高低起伏程度大,随机性强,微观结构较复杂。半丝质体次之。丝质体Ds最小,颗粒分布较疏散,起伏程度较缓,微观结构较镜质组和半丝质体简单。孔隙结构方面,镜质组孔隙平均孔径和面积最小,但孔隙数量最多,且贡献主要来自孔径<2 nm的微孔,镜质组孔隙结构更利于煤层气的吸附和储存;惰质组平均孔径和面积大于镜质组,但孔隙数量更少,这是惰质组中孔径2～50 nm的介孔数...     

构造煤煤层气压裂方式及机制探讨北大核心

针对构造煤地区煤层气开发效果较差的问题,通过分析淮北矿区和湖南洪山殿矿区构造煤条件下煤层气顶板分段压裂水平井、垂直井的工程案例,结合水力压裂缝起裂和延伸机理分析,提出了构造煤'破壁'间接压裂技术,即在构造煤顶底板选择合适的岩层进行压裂施工,可以造出较长且与煤层沟通良好的压裂缝,能够大大提高压裂的增产效果,且具有有效降低钻井液、压裂液对煤层的伤害,提高煤层气排采效果的作用。     

不同变质程度煤的化学结构红外光谱研究北大核心

利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)实验及分峰拟合技术,对3种不同变质程度煤样进行官能团的定性与定量研究,计算并分析红外光谱结构参数。结果表明:随煤样变质程度的加深,羟基官能团逐渐增大,羟基-N与环氢键含量减少,羟基-π含量增多;在脂肪烃中,甲基含量升高,次甲基含量下降;含氧官能团逐渐减小,C=O呈下降趋势,羧基在低变质程度煤中含量最高,高变质程度煤几乎不存在羧基;芳香烃逐渐减小,芳香烃主要以三、四取代为主;随变质程度的提高,脂肪侧链长度变短,支链化程度提高,有机质成熟度提高,碳骨架更加松软;煤变质是脱氧、富碳的过程,高变质程度煤的芳碳率、芳氢率、芳香度和缩合度更高,使得煤中结构单元排列更加规则有序,结构更加稳定。     

不同成像原理显微镜在煤微表面形貌表征中的应用

本文分析了光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜的基本成像原理,并通过3种显微镜表征了煤样新鲜断面和抛光表面不同尺度的形貌。研究结果表明,光学显微镜下由于观察范围内煤样新鲜断面各点距离焦点不同使得观察到的图像常出现模糊不清的区域;抛光煤样表面较为平整,成像效果相对较好,且可以定性分析煤的不同组分。扫描电子显微镜扫描倍数可连续放大,且能通过二维图像显示三维结构进而得到更细致的微表面信息,其对抛光表面形貌的观察可以定性分析煤的不同组分。原子力显微镜得到的三维图像较二维图像能够更加直观地展示微表面形貌,微表面粗糙度、高差数值及其统计分布规律可准确得到;原子力显微镜可详细表征纳米级裂隙及其宽度,得到裂隙截面上3处宽度分别为21.63 nm、17.31 nm、8.66 nm。在煤样表面形貌研究中,若将光学显微镜细观表征、扫描电子显微镜微米级扫描和原子力显微镜纳米级探测三者相结合,可精确表达煤样从整体到局部、从毫米级到纳米级的特征,得到较为全面连续、定性定量的信息。     

冲击荷载作用下不同煤阶煤的结构演化特征研究

瓦斯的高效抽采和合理利用对于防治煤矿瓦斯灾害、改善空气质量和增加清洁能源供应都具有十分重要的意义。为探讨冲击荷载对煤体的微观孔隙结构和大分子形态学结构的影响,以褐煤(HM)、烟煤(YM)和无烟煤(WY)为研究对象,利用分离式霍普金森压杆(Separated Hopkinson Pressure Bar,SHPB)冲击试验系统模拟冲击应力在不同衰减过程中的冲击波和应力波,结合低温液氮和拉曼光谱测试数据,研究了冲击荷载作用下不同煤阶煤的结构演化特征和规律。结果表明,在冲击荷载的作用下,褐煤、烟煤和无烟煤的液氮总吸附量、总比表面积和总孔体积都减小(例如,在冲击荷载分别为0、0.5、0.75和1.0 MPa时,HM-0、HM-1、HM-2和HM-3的BJH总比表面积分别为7.066、6.611、4.468和3.548 m2/g),微孔均逐渐向过渡孔或中孔转化,微孔的占比减小,而过渡孔和中孔的占比之和增大。冲击荷载可以促进微孔中吸附的瓦斯有效解吸,提高过渡孔和中孔中瓦斯的扩散和渗流速度,很好地解释了煤储层在外载扰动的过程中会产生超量煤层气这一宏观现象。随着冲击荷载的逐渐增大,不同煤阶煤拉曼光谱D...     

原生煤与构造煤孔隙结构的压力响应特征

为模拟原生煤和构造煤在煤层中的加压和解吸后的性能,实验选取原生煤赵庄3#原生煤和阳泉二矿8#煤构造煤,利用BSD-PH全自动高压气体吸附分析仪进行甲烷气体逐梯次加压到10 MPa,然后开始解吸甲烷气体到大气压,再抽真空处理。处理后的样品,利用Tristar II比表面仪进行低温氮实验研究煤孔隙结构。结果表明：（1）原生煤和构造煤在加压后,均发生孔隙结构变化,原生煤比构造煤的抗压能力强。（2）加压后,原生煤和构造煤最可几孔径均有往后移动的趋势,表明压力会影响孔径大小。（3）原生煤吸附性能较好,构造煤吸附性能稍次,甲烷解吸后,原生煤孔隙结构影响较小,构造煤孔隙结构易受到破坏。研究成果可为构造煤层气开采及煤矿瓦斯突出防控提供一定的依据。     

不同温度下气体竞争吸附特性对煤微观结构响应研究进展北大核心

煤矿井下瓦斯与煤自燃复合灾害是制约煤矿安全生产的主要因素,采空区遗煤自燃氧化特征与残余瓦斯和起始温度密切相关。综述了固-气吸附理论模型的研究进展,系统分析了国内外学者在多元气体竞争吸附特征、不同温度下含瓦斯煤微观孔隙结构演化及微观基团演变特征等方面涉及的研究方法、试验平台及最新进展,论述了不同温度条件下煤的孔隙特征变化特征以及大分子、官能团演变规律。     

中-高煤阶构造变形煤纳米级孔隙结构及其对甲烷吸附能力的影响

通过镜质组反射率测试、显微组分测定、液氮吸附和等温吸附实验等,对河南中北部典型矿区6种中-高煤阶构造变形煤纳米级孔隙结构和吸附特征进行了研究。结果表明:中-高煤阶构造变形煤纳米级孔体积主要以过渡孔(10~100 nm)为主,而比表面积由微孔(1.5~10 nm)控制。纳米级孔体积、比表面积和过渡孔孔容从脆性变形碎裂煤、碎粒煤到韧性变形糜棱煤逐渐增大;中-高煤阶构造变形煤Langmuir体积与纳米级孔体积和比表面积之间呈线性正相关;过渡孔和微孔的分布关系对煤层气解吸特征产生重要影响,且过渡孔体积越大,甲烷解吸越容易。     

黔西滇东地区不同煤阶煤储层物性特征分析

为了分析煤阶对黔西滇东地区煤储层孔隙性和渗透性的控制作用,对不同煤阶煤样的孔-裂隙结构、吸附能力和孔渗特征进行了探讨。结果表明:镜质组反射率小于2.5%时,随着煤阶升高,煤岩压实程度不断增强,煤中吸附孔含量逐渐增多,BET比表面积和BJH总孔体积逐渐增大,致使煤岩吸附能力逐渐增强,而渗流孔含量相对减少,渗流孔隙结构变差,渗透率随煤阶升高而减小;镜质组反射率大于2.5%时,随着煤阶升高,煤中吸附孔含量减少,BET比表面积和BJH总孔体积呈下降趋势,吸附能力减弱,而煤岩后期演化过程中产生了再生孔隙,致使煤岩渗流孔含量增加、渗流孔隙结构变好,总孔隙度升高,渗流能力增强。     

沁水盆地某区块压裂工艺对煤储层改造效果的影响

以沁水盆地某区块20 口地质高潜力井为研究对象,在统计煤储层产气效果的基础上,基于单因素敏感性、皮尔逊相关性、灰色关联法和压后净压力拟合等方法,系统分析了总液量、套压、前置液量、加砂量、平均排量和平均砂比等施工参数对储层改造的影响特征.研究结果表明,压裂工艺对储层改造效果的影响可以分为强、弱和差三个等级,第一等级只包括...     

低煤级煤的石墨化研究:芳香结构演化特征

石墨因其特殊属性及结构赋予的优越性能而被应用广泛。 煤炭是碳的富集物,在制备石墨 等碳材料方面颇具潜力。 以低变质程度且富惰质体的榆家梁煤(YJL5)为研究对象,对其进行高温 热处理,对不同温度下样品进行 X-射线衍射(XRD)测试及扫描电子显微镜(SEM)表征,以探讨在 热处理过程中的芳香结构演化规律及形貌特征,揭示低煤级富惰质体煤芳香结构向石墨结构演化 的轨迹及规律,并分析煤中灰分对芳香结构的影响。 结果表明,低煤级富惰质体煤 YJL5 制备石墨 的石墨化度>80%,可作为制备石墨的原材料煤种来源;YJL5 石墨化产物以棒状石墨为主,其由层 状薄膜组成。 微观形貌特征显示棒状石墨的生长模式与结构参数揭示的微晶结构尺寸的生长模式 一致。 随着石墨化温度升高,YJL5芳香层结构尺寸(La,Lc)增大,芳香结构横向拼接作用和纵向堆 砌作用同时发生。 室温~1 800 °C时,以碳化作用为主,非碳元素逐渐以挥发分形式排出,碳元素逐 渐富集,该阶段芳香结构增长以横向拼接作用为主。 温度高于 1 800 °C 时,层间距 d002 <0.344 0 nm,石 墨结构初步形成。 随着温度升高,芳香结构增长先以纵向堆砌作用为主(1 800~2 250 °C),然后以 横向拼接作用为主(2 250~2 850 °C)。 YJL5 中灰分对其石墨化具有一定的促进作用,但对芳香层 横向拼接和纵向堆砌影响效果不同。 1 800 ~ 2 850 °C ,未脱灰煤样的 La 大于脱灰煤样,可知 YJL5 中灰分对其芳香层横向增长具有持续显著的促进作用。 未脱灰煤样 Lc 仅在温度低于 2 250 °C 时大 于脱灰煤样,高于 2 250 °C 后比脱灰煤样的 Lc 更小,可知 YJL5 中灰分对芳香层纵向增长的促进作 用主要在 1 800~2 250 °C,高于 2 250 °C时无显著促进作用。     

不同煤储层条件下煤岩微孔结构及其对煤层气开发的启示

在现场宏观观测的基础上,采用显微镜下观测、镜质组反射率测试及低温氮吸附方法,对沁水盆地和淮北煤田不同矿区煤岩的变质变形作用与微孔结构特征进行了深入研究。结果表明:高变质强变形—较强变质煤储层(Ⅰ类)和中变质较强变形煤储层(Ⅲ类)有利于煤层气的富集,不利于煤层气的扩散和渗流;高变质弱变形煤储层(Ⅱ类)和中变质弱变形煤储层(Ⅳ类)较有利于煤层气的富集,也有利于煤层气的渗流;低变质强变形煤储层(Ⅴ类)有利于煤层气的富集,但不利于煤层气的解吸和渗流。由此,沁水盆地南部及淮北煤田中南部是煤层气勘探开发的有利区域。     

煤储层渗透率与地质强度指标的关系研究及意义

为评估煤储层整体的渗透性,引入岩体力学中的地质强度指标(Geological Strength Index,GSI)来表征煤体结构。挑选有代表性的不同煤体结构煤样,与GSI图版进行比对,获取样品的GSI值,并测试相应的渗透率。地质强度指标(GSI)与渗透率相关性明显,拟合相关系数R2=0.84,表明利用GSI来估算煤储层渗透率是可行的。GSI与渗透率关系表明,水力压裂增透仅适用于Ⅰ和Ⅱ类煤,对寺家庄煤矿15号煤层来说,储层改造的最优目标为GSIc=52.7。     

纳米压裂液对煤孔隙结构影响实验研究

为研究纳米压裂液对煤孔隙结构影响。以低中高阶煤样为研究对象,制备普通清洁压裂液和不同浓度纳米压裂液,对普通清洁压裂液和不同浓度纳米压裂液处理后煤样开展低温液氮吸附实验。结果表明：纳米压裂液处理后煤孔隙形态发生变化,孔隙连通性变差;不同浓度纳米压裂液处理后煤样小孔面积和孔体积明显增大。分形维数拟合结果表明：处理后3种煤阶煤样的孔隙结构由复杂变为简单;低阶煤处理后煤体表面变得粗糙,中阶和高阶煤处理后煤体表面变得光滑。以上研究结果揭示了纳米压裂液对煤孔隙结构影响的微观机理,对纳米压裂液煤储层的损害研究和低损伤纳米压裂液研制具有指导意义。     

低中煤级煤结构演化的FTIR表征

通过对28个最大镜质组反射率0.295%-2.047%镜煤样品的FT-IR分析,获得低中煤级煤结构的演化规律及机理。研究表明：煤化学结构主要由芳香结构、脂族结构和含氧官能团组成。煤的结构演化分为三个阶段,分别是镜质组反射率小于0.8%、0.8-1.3%和1.3-2.0%。在镜质组反射率小于0.8%阶段,以含氧官能团的脱落和脂肪类物质的富集为主;在镜质组反射率0.8-1.3%阶段,则主要是脂肪类物质的富集和支链化程度的增加或脂环化作用与芳香化作用的协同;在镜质组反射率1.3-2.0%阶段,则在镜质组反射率小于1.7%前,主要为脂肪类物质的热解断裂,而之后,则是随着脂肪类物质的断裂脱落,形成新的芳香结构体系。低中煤级阶段煤结构的演化特征与第一、二次煤化作用跃变的发生密切相关。     

晋城矿区煤体结构及其测井响应特征研究

煤体结构是影响煤层气开发效果的重要因素,准确评价煤体结构是煤层气勘探开发研究的一个关键问题。根据煤体破裂的程度,参照《防治煤与瓦斯突出细则》中煤的破坏类型划分方案,将煤体结构划分为完整结构、块裂结构、碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构,前两者为原生结构煤;后三者为构造煤。以沁水盆地南部晋城矿区典型矿井为对象,分析了不同煤体结构的测井响应特征。研究发现:随着煤体破碎程度的增高,井径、声波时差、补偿中子、自然电位值和自然伽马响应逐渐增强,电阻率、密度响应逐渐减弱;原生结构煤的自然伽马、自然电位、补偿中子、井径和声波时响应较弱,电阻率和密度响应较强,构造煤反之。     

不同原生裂缝壁面特征对煤储层压裂造缝影响的对比分析

为了准确认识原生裂缝壁面特征对煤储层水力压裂效果的影响,基于对沁水盆地南部8口煤层气井附近原生裂缝壁面特征以及其压裂效果的解剖观测,对2口典型煤层气井F1和F2附近的原生裂缝壁面特征进行了观测和对比:F1原生裂缝壁面相对曲折、粗糙以及次级裂缝发育,F2则反之。对2口煤层气压裂井开挖解剖发现:煤储层压裂裂缝形态比压裂理论模型推算值及地面监测值更为短而宽;原生裂缝壁面特征对水力压裂效果具有重要影响。研究结果表明:煤储层特有的原生裂缝壁面特征是造成实际的压裂裂缝更为短而宽的重要因素;不同的原生裂缝壁面特征通过影响压裂过程中流体压力降低梯度进而影响最终压裂效果。