液氮冻结和冻融循环作用下煤样力学特性试验研究

我国煤储层渗透率普遍较低，如何提高煤储层渗透率是煤层气开发的重点和难点。近年来液氮致裂增渗煤体技术作为一种无水致裂增渗技术受到广泛关注。为揭示液氮冻结和冻融循环对煤体力学特性的影响，采用红外热成像技术对液氮冻结后煤样的温度分布特征进行研究，并对液氮冻结和冻融循环后的煤样进行单轴压缩和声发射测试，对比分析了液氮冻结和冻融循环前后煤样的波速、孔隙率、声发射和能量演化特征，并对液氮冻结煤体损伤作用机理进行了讨论。结果显示：(1)经过360 min和12次冻融循环后，煤样的波速分别下降了58.2%和64.7%，波速在最初的冻结和冻融循环阶段中下降并不明显，随着冻结时间和冻融循环次数增加，波速逐渐下降。(2)随着冻结时间的增加，煤样的温度逐渐下降，液氮冻结180 s后，煤样的表面温度下降至-60°C以下，由于煤颗粒的热传导系数不同，导致煤样中心处的温度呈波动分布。(3)液氮冻结和冻融循环后，煤样的弹性模量呈指数函数降低的趋势，而煤样的孔隙率则逐渐增加，液氮冻融后煤样的孔隙率增量大于液氮冻结后煤样的孔隙率增量。(4)单轴加载过程中煤样的声发射活动分为发展阶段、活跃阶段和剧烈阶段，煤样的最大声发射振...     

基于CT扫描的煤岩钻孔注液氮致裂试验研究

为解决煤层气排采效率低的问题,提高煤储层渗透率,采用CT扫描的精细观测手段,对煤样进行钻孔注液氮实验,并分析其致裂过程与增透效果。研究结果表明:在冷冲击收缩应力与孔隙压力的双重作用下,煤岩注液氮钻孔周围发生了破裂,其孔隙率增加量随与钻孔距离增大呈负指数衰减。煤岩钻孔注液氮致裂效果随着与钻孔距离增加而减弱;增透效果在邻近钻孔的位置增加,由于碎胀作用,在远离钻孔的位置反而降低。液氮冷冲击对煤岩孔隙结构的影响与原始孔隙率之间具有一定相关性:即在原始孔隙率较低的区域,孔隙率增加较为明显,而在原始孔隙率较高的区域,孔隙率增加不明显甚至略有降低。研究结果证明注氮可以实现煤储层增透、提高煤层气排采产量。     

饱水度和再溶浸对液氮冷冻煤致裂的影响

为解饱水度和液氮再溶浸对液氮冷冻煤致裂效果的影响,取王营子矿的干燥、天然含水和饱水3组原煤煤样在室内实验室开展了液氮溶浸实验,测试液氮溶浸前后煤样波速变化,观察煤样表面裂隙发展。定义了煤样波速变化率和代表性裂隙面积变化率2个指标,分析了饱水程度、液氮再溶浸对煤内原生裂隙结构扩展和新裂隙萌生的影响,结果表明:1在液氮作用下,原煤内主要发生原生裂隙扩展及新裂隙萌生。2煤的饱水程度对液氮溶浸煤致裂效果影响很大。随着饱水度增加,煤样的波速变化率和代表性裂隙面积变化率都增加。饱水煤样的波速变化率和代表性裂隙面积变化率分别为干燥煤样的21.2倍和11.7倍。3液氮再溶浸作用将加剧煤样内缺陷结构发育,提高液氮作用效果。天然含水煤样的液氮再溶浸作用效果更好。     

承压破碎煤体渗透特性参数演化实验研究

为研究承压破碎煤体渗透特性参数演化规律,利用自主设计的承压破碎遗煤渗透率演化实验装置,开展了不同粒径配比煤样在不同轴压下的渗透率演化实验。实验结果表明:(1)在相同应力作用下,随着煤样粒径的增大,其渗透率逐渐变小,且较大粒径范围煤样的渗透率较小;在应力增加量相同的条件下,随着煤样粒径的增大,其渗透率的变化率越大,且混合粒径范围较大煤样渗透率的变化率均高于单一粒径或粒径范围小的煤样的变化率。(2)在较低孔隙压力范围内,煤样的渗透率均随孔隙压力的增大呈现出降低趋势,且存在一个轴压的临界值(9 MPa左右)。当轴压小于该临界值时,随着孔隙压力的增加,煤样渗透率的变化趋势更明显;而当轴压大于该临界值时,煤样渗透率的变化趋势较为平缓。(3)加载初期,随着孔隙率的减小,渗透率近似线性下降;当轴压达到9~12 MPa时,渗透率随孔隙率的下降较为平缓;继续增加轴压,渗透率随孔隙率的减小而急剧降低。     

液氮溶浸作用对不同煤阶煤样渗流特性的影响

中国低透气性煤层广泛赋存且煤阶跨度较大。针对不同煤阶、性质煤层如何确定有效的液氮致裂方式是一个亟待解决的难题。为此,分别选择褐煤、烟煤和无烟煤3种煤阶的煤样进行不同条件下的液氮溶浸,并使用摄像机定点拍摄、观察煤样表面宏观裂隙的演化规律,使用受载煤体注气驱替瓦斯测试实验系统与纯度为99.999%的氮气测试得出煤样渗透率的变化规律。对实验得到的煤样渗流曲线趋势进行简要讨论,对比分析了液氮处理不同阶段煤样的渗透率数值。实验结果表明:①相同围压条件下,煤样的渗透率随着气体压力的增加呈"U"型变化趋势,使用二次函数公式拟合效果良好;②单次液氮处理即可对褐煤煤样产生显著增透效果;③通过增加液氮循环处理次数可有效提升液氮对烟煤的增透效果,一次液氮溶浸处理后的烟煤渗透率增幅最大达到514.89%,两次处理后最大可达到1 129.79%;④多次液氮处理对无烟煤透气性的改善不甚明显,只会逐渐降低其抗拉强度,通过增大热冷冲击温度梯度的液氮处理方式可以有效改善无烟煤透气性,在围压-气压为2.00～1.25 MPa时,初始温度50℃的无烟煤液氮处理后的渗透率增幅仅为2.44%,而初始温度100℃的无烟煤处理后的...     

液氮致裂时间对煤样力学性能、渗透性与致裂机理的影响

为研究液氮致裂时间对煤样的力学性能和渗透率的影响，利用自主研发的WYS-800三轴瓦斯渗流试验装置及声发射检测系统，对4组不同液氮致裂时间处理的煤样分别进行三轴力学渗流试验并采集声发射信号，对三轴力学渗流试验中各组煤样的力学性能、渗透率的变化进行了分析，描述了声发射信号的特征；根据沸腾换热理论、一维圆柱导热理论、热应力理论分析了致裂机理，计算了不同致裂时间下产生的热应力，通过数据拟合揭示了平均温度降、平均热应力、初始渗透率与致裂时间的关系。研究结果表明：(1)液氮致裂时间对煤样的力学性能产生不同影响，抗压强度和弹性模量随致裂时间的增加呈现先减小后增大的趋势，泊松比则呈现先增大后减小的趋势，煤样三轴加载时轴向应力-轴向应变曲线的阶段性演化具有明显差异，与力学参数的改变相关。(2)不同液氮致裂时间煤样在三轴加载过程中的渗透率均呈U型变化，煤样的初始渗透率、最小渗透率、试验测得最大渗透率随致裂时间的增加而增大，致裂30 min时增幅分别为119.05%、437.5%、146.49%；声发射信号在压密和弹性阶段不活跃，主要产生于屈服阶段和破坏阶段，致裂后煤样的声发射振铃计数峰值产生于破坏点附近...     

高温水蒸汽作用后长焰煤细观结构的显微CT研究

利用显微CT技术研究了不同高温水蒸汽作用下长焰煤试样的细观结构。研究表明:热解温度低于300℃时,自由水及气体的散失造成裂纹的产生,当热解温度高于300℃时,有机质热解形成了相互贯通的裂隙网络,且孔裂隙主要在有机质内形成;热解分为3个阶段,300℃之前煤样缓慢热解,孔裂隙缓慢增加;300～500℃之间为热解加剧阶段,煤样孔隙率增加明显;热解温度高于500℃时,热解最为充分,煤样孔隙率急剧增加;550℃热解温度作用后,煤样的体孔隙率达到32.35%,较25℃下煤样的体孔隙率提高了9.82倍;300℃是热解阈值点,热解温度高于阈值点时,不同层理面发育良好,形成相互贯穿形成了孔隙网络,加快了热解作用,为热解产物提供了运移通道。     

低温下硫酸钠溶液对原煤损伤试验研究

参考已有关于液氮作为压裂液在储层改造中的成功应用和低温冻结对岩石的损伤的研究,结合硫酸钠等盐溶液在冻融循环过程后能加剧对岩石的损伤。依托核磁共振测试技术,重点研究了低温作用下不同浓度的硫酸钠溶液作为煤岩体的饱和液体对煤岩体产生损伤的差异。结果表明:低温下硫酸钠溶液能明显增加煤岩体的孔隙率、渗透率。试验结果将对增加煤岩体孔隙率、渗透率和防止煤与瓦斯突出提供一定的参考。     

孔隙率对构造煤瓦斯渗透性影响关系的实验研究

以孔隙率不同的构造煤原煤煤样为研究对象,利用三轴应力渗流装置进行了瓦斯渗透性实验,结果表明,在恒温条件下,构造煤的瓦斯渗透性随着煤体孔隙率的增加而增大,并且渗透率K0与孔隙率σ之间呈现二次函数关系,即K0=ασ2+βσ+δ;温度恒定时,构造煤的瓦斯渗透性随平均有效应力的增加而逐渐减小,且孔隙率较大的构造煤的渗透率变化幅度较大;平均有效应力不变时,同一孔隙率的构造煤随着温度的增加,瓦斯渗透率降低,且孔隙率对构造煤瓦斯渗透率的影响比温度对构造煤瓦斯渗透率的影响明显。     

载荷作用下煤体变形与渗透性的相关性研究

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行了不同气体压力作用下煤样全应力应变过程的瓦斯渗流实验。实验结果显示,煤样渗透率与变形之间存在内在关联,渗透率变化呈现阶段性特点。基于考虑气体吸附性的含瓦斯煤有效应力,建立了加载煤样变形与渗透率的相关性模型,研究受荷煤样变形与瓦斯渗流的相互关系。理论分析表明：当应力控制边界条件时,渗透率与煤样变形密切相关;煤样渗透率的变化受到有效应力、煤样变形模量、孔隙率和气体吸附性的共同作用;有效应力系数是联系煤样变形和渗透率的关键参量。由于理论计算结果与实验曲线较为接近,因此模型反映了不同瓦斯压力下加载煤样变形与渗透率变化的基本特征。     

温度冲击作用下煤的渗透率变化规律与增透机制

为了研究温度冲击条件下的煤体渗透性变化规律及增透机制,利用恒温箱和液氮对原煤煤样进行了两种条件下的温度冲击试验,分析了煤样在温度冲击前后的渗透率变化情况和微观裂隙发育情况,探讨了温度冲击过程中的声发射信号分布规律。试验结果表明:在经过冷冲击处理和热-冷冲击处理后,煤体的渗透率平均增幅分别为48.68%和469.24%,热-冷冲击处理过程中煤样的声发射能量峰值是冷冲击处理过程中煤样的声发射能量峰值的3.6倍,相比冷冲击处理,热-冷处理所产生的微裂纹数量更多,裂隙呈树枝状发育,增透效果更好;煤体性质的各向异性和温度冲击所产生的超过煤体抗拉强度的热应力是主要的增透机制。     

超临界CO_2压裂煤岩储层增产煤层气应用发展前景

超临界CO_2压裂作为新兴渗透率强化技术以其对煤岩储层独特的物理化学力学特性改造,以及对储层近乎零损伤的特点受到了研究者的广泛关注。本文通过分析对比不同压裂介质作用下煤岩体的起裂压力与时间、裂缝扩展规律及渗透率变化,结果发现,水力压裂的裂缝扩展形式单一;液态CO_2压裂的衍生裂隙发育程度不高;超临界CO_2压裂形成的层理裂隙与衍生裂隙复杂程度高。特别地,超临界CO_2压裂煤体起裂压力比水力压裂低约39.48%,起裂时间是水力压裂的1.2倍以上,渗透率变化量是水力压裂的3倍左右。总体而言,超临界CO_2对煤储层的物理化学及力学特性的改造,为煤储层致裂增渗、增产煤层气理论与技术取得突破性进展提供了新思路与方法。     

地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合数值模拟研究

基于弹性力学、渗流力学等理论,建立了地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合模型,在此基础上结合工程实例,分析了地应力对瓦斯抽采效果的影响。计算结果表明:在地面井抽采作用下,煤层瓦斯压力不断减小,且地应力越大,瓦斯压力下降速度越慢;随着抽采的持续进行,造成煤体的有效应力增加和渗透率降低,同时由于瓦斯解吸,煤层孔裂隙重新变大和渗透率增加,2种效应共同作用下煤层渗透率总体呈现非线性增加趋势;地应力对地面井抽采效率影响显著,两者呈现负相关关系,即随着地应力的增加,煤层中的基质孔隙率下降和裂隙趋于闭合,造成煤层渗透性下降,最终导致了瓦斯抽采量的下降。     

低渗煤层液态CO2相变射孔破岩及裂隙扩展力学机理

液态CO2相变射孔致裂增透技术作为一种有效的低渗煤层强化抽采方法,已被广泛的应用研究。但由于该技术在破岩及裂隙扩展力学机理方面研究不足,在一定程度上影响该技术进一步发展及应用。基于热工学、弹性力学、断裂力学等理论基础,建立了液态CO2相变气体射流压力模型,理论分析了液态CO2相变射孔破岩力学机理、地应力条件下裂隙扩展力学机理。采用PFC2D离散元颗粒流分析软件,进行数值模拟研究,分析了不同地应力及射流压力条件下液态CO2相变射孔破岩及裂隙分布特征。在以上研究基础上,在川煤集团白皎煤矿进行现场试验,研究表明该技术可有效提高低渗煤层瓦斯抽采效率。     

新景矿3号煤层渗透率对有效应力敏感性实验分析

利用KDZS-Ⅱ型煤体瓦斯瞬时解吸及渗流特性测试仪在0.31、0.61 MPa气体压力条件下,开展了新景矿3号煤层渗透率对有效应力敏感性实验分析。结果表明:新景矿3号煤层渗透率对有效应力具有极强的敏感性,煤层渗透率随有效应力增加而降低,二者之间具有良好的负指数幂函数关系;相同气体压力和有效应力下各煤样试件的渗透率变化不同且分异现象显著;煤样试件的渗透率大小与孔隙度、裂隙方向密切相关,煤样试件裂隙方向平行于轴线方向、孔隙度大时,煤样试件的渗透率相对较大;煤样试件的裂隙方向垂直于轴线方向、孔隙度较小时,煤样试件的渗透率相对较小。     

基于核磁共振和低温氮吸附的煤层酸化增透效果定量表征

针对某些煤储层中的孔隙和裂隙被方解石、白云石等矿物或杂质堵塞致使煤层渗透率降低的问题,提出一种煤层酸化增透方法。利用核磁共振(NMR)和低温氮吸附实验表征了煤样酸化前后的比表面积、孔隙体积、孔隙度、渗透率、孔径分布及核磁成像等特性参数,分析了酸化作用下煤的细观结构变化规律。测试结果表明,煤样经酸化处理后,饱和水状态的NMR信号量增加,残余水状态的NMR信号量降低,T_2谱的中大孔峰(T_220 ms)的变化较大,NMR所表征的总孔隙度、有效孔隙度、渗透率均增加,残余孔隙度、T_2截止值降低;低温氮吸附所表征的比表面积和总孔隙体积均增加,且主要集中增加在10 nm左右的孔隙,但高煤阶煤增加不明显。NMR图像直观地反映了煤样酸化前后内部孔隙结构的变化特征,为揭示酸化增透的微观演变过程提供了新的手段。煤样初始孔隙越发育或孔隙裂隙中可溶性矿物质越多,所表征的特征参数变化越大,酸化增透效果越好。     

循环载荷作用下煤体渗透率演化的实验分析

多期次载荷作用下的煤体,其孔隙结构会发生复杂变化,渗透率也随之改变。然而,不同加卸载速率与循环周期决定着煤体渗透率变化路径,影响其应力敏感性,开展循环载荷控制下煤体渗透率演化规律研究,对于解释复杂应力场下煤层渗透率的各向异性特征有理论支撑作用。借助于煤层渗透率应力敏感模型分析,研究了影响煤体渗透率变化的关键表征参数及其函数关系;为验证关键参数对煤体渗透率影响,采用预定轴压和气压、加卸载围压的方式开展煤体三轴循环变载气体渗流实验,分析在不同围压(2.0～12.0 MPa)下煤体渗透率和体应变的演化规律;为研究煤体孔隙结构变化对渗透率的影响,通过低温氮气吸附实验和荧光显微镜煤样观测统计,完成了循环载荷加卸载前后煤体孔隙结构变化对比。研究结果表明,煤体加载/卸载过程中渗透率变化趋势与围压变化负相关,总体可以分为线性段、指数段和稳定段等3个阶段;随循环加载次数的增加煤体应变逐步增大,而渗透率却随之降低;相同条件下,煤体渗透率随体应变增加而升高,增幅在16.79%以上,而渗透率恢复率逐步降低,且与围压变化负相关;3次循环加卸载实验导致煤体孔隙结构发生了显著变化,微孔体积提高71.79%,比表面积增加52.19%,而平均孔径降低32.06%,但循环载荷没有改变煤体的最可几孔径;孔隙结构变化的数据表明,微孔体积增加是煤体渗透率劣化的重要标志之一。对比循环载荷作用前后的孔隙结构实验数据发现,影响气体吸附-解吸的孔隙结构变化,决定了"迟滞环"面积,而决定"迟滞环"形状的关键因素是由煤体最可几孔径控制的突变压力。另外,煤体应变包括裂隙体积变化和孔隙体积变化两部分,其中裂隙影响重要度指标(χ)反映了裂隙体积变化在煤体应变中的权重关系,χ变化随围压升高而降低。     

地应力对煤层渗透性控制作用的研究进展

作用在煤岩层上的地应力可以分为有效应力和孔隙压力,而煤层是由孔隙和裂隙组成的双孔隙岩层。煤层气在煤层孔隙中遵循吸附解吸和扩散理论,在裂隙中遵循达西渗流理论,在低压状态下还受到滑脱效应的影响。通过论述应力加载路径、有效应力、孔隙压力以及滑脱效应与煤层渗透性的关系,找出不同应力状态下影响煤层渗透性的主要作用机制,并进一步论述了渗透率预测的经验模型和理论模型。经验模型是通过统计分析,建立实验数据或地质参数与渗透率的关系;理论模型是在一定的物理简化基础上,基于现有的渗流理论、应用力学和数学方法,推导出渗透率预测的基本公式。指出非线性渗流、渗流应力耦合、实验分析与数值模拟相结合是研究的主要方向。     

高阶煤渗透率温度应力敏感性试验研究

煤储层渗透率对温度和应力的敏感性响应,是深部煤储层物性评价的基础参数之一。以山西晋城无烟煤样为研究对象,利用高温覆压孔渗测定仪测定了煤样的孔隙率和渗透率,分析了其对温度和压力的敏感性。结果表明:高阶煤的孔隙率、渗透率与压力呈幂函数式负相关关系,在低压阶段随着压力升高迅速降低,在高压阶段趋于稳定。高阶煤渗透率对温度不敏感,当压力低于2MPa时随着温度的升高而降低,压力高于2 MPa则与温度之间关系不显著。压力是影响高阶煤孔隙率和渗透率的主要因素,而温度对孔隙率和渗透率影响较小。基于曲率分析方法对成庄高阶煤渗透率应力敏感性进行了分析,并与郑庄高阶煤和韩城高阶煤对比显示,成庄矿高阶煤的应力敏感性在低应力位置较强。因此,成庄矿进行煤层气开发时,需制定合理的排采制度,避免渗透率应力敏感性导致的负产能效应。     

煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用

为了提高高瓦斯低透气性煤层瓦斯的抽采效率,提出了煤层脉动水力压裂卸压增透技术,进行了不同压力、频率条件下型煤试样的脉动水力压裂实验,分析了脉动水作用下煤体的疲劳损伤破坏特点及高压脉动水楔致裂机理。研究结果表明：煤体原生裂隙在强烈的脉动水压力作用下,会在缝隙末端产生交变应力,使煤体裂隙孔隙产生“压缩-膨胀-压缩”的反复作用,煤体将产生疲劳损伤破坏,煤体内部裂隙弱面扩展、延伸,形成相互交织的贯通裂隙网络。工业性试验结果表明脉动水力压裂比普通水力压裂卸压增透效果明显,钻孔瓦斯抽采浓度和流量均有较大幅度提高。