黄陇煤田低煤阶煤储层孔隙特征及吸附储集性能研究

为了研究黄陇侏罗纪煤田低煤阶煤煤储层孔隙特征和吸附储集性能,采集了黄陇煤田不同矿区的煤样,利用液氮吸附、扫描电镜和等温吸附试验等测试方法,研究了低煤阶煤储层煤比表面积、孔容特征、孔隙特征、孔径分布特征、微裂隙发育程度及煤样的吸附特征。研究结果表明:黄陇煤田低煤阶煤BET比表面积集中分布在1~5 m~2/g,比表面积较小;BJH孔容分布区间集中在0.003~0.030m L/g,煤孔径分布特征主要以微孔和小孔为主,中孔次之;煤样表面微孔隙发育,Langmuir体积分布在7.95~16.52 m3/t,Langmuir压力分布在1.22~5.77 MPa,吸附能力一般,易解吸。结合以往地勘资料研究认为彬长、焦平及黄陵矿区有利于煤层气的勘探开发。     

柿庄南区块煤储层构造对渗透率控制关系的定量研究

基于柿庄南区块3~#煤层构造特征,结合测井资料和GSI多参数拟合,通过煤层构造曲率和渗透率的统计分析,定量研究煤储层构造对渗透率的控制关系。研究表明:煤储层构造曲率介于(0.3～2)×10~(-4)/m时,渗透率均大于0.2×10~(-3)μm~2;构造曲率低于0.3×10~(-4)/m或者高于2×10~(-4)/m时,煤储层渗透率均小于0.2×10~(-3)μm~2。煤储层构造曲率过高或过低都不利于渗透率的提高,以中等为好。     

低透气性煤孔隙结构连通率对煤层渗透性的影响规律研究

为研究低透气性煤的孔隙结构特征及孔隙连通程度,对原煤煤样进行试验,分析饱和水和残余水状态下煤样的T2曲线,得到煤样的自由流体值、束缚流体值、有效孔隙率、孔径分布及渗透率等参数,建立了孔隙连通率定量计算模型。结果表明:煤样孔隙率为6.30%～11.02%,孔径分布呈3段式,孔隙主要集中分布在0～100 nm段,微小孔发育、中大孔及裂隙不发育;吸附孔与孔隙率成反比,渗流孔与孔隙率成正比;煤样孔隙连通率为31.50%～62.05%,孔隙连通率受孔隙尺度的影响,煤样孔径在100 nm以下的孔隙连通率最高为58.45%,孔径为100 nm以上的孔隙连通率在94%以上;孔隙连通率与孔隙率、有效孔隙度、渗透率表现出了较好的正相关关系。     

μCT技术研究煤的孔隙结构和分形特征

煤的孔隙结构是影响煤中气体吸附和渗流的一个重要因素。从实现精细化、无损化和定量化入手,应用μCT 225kVFCB型高精度CT试验分析系统,通过显微CT切片,提取研究了4个煤样孔隙分布特征,讨论了煤级、煤显微组分和灰分对煤孔隙结构的影响程度。采用公约数网格序列盒维数法定量表征了孔隙结构的复杂程度和不规则性,探讨了孔隙率、渗透率和分形维数的关系。研究表明,研究煤样的孔隙分布总体受煤显微组分含量控制,同时煤中矿物充填作用在一定程度上降低了煤的孔隙率、平均孔径和孔隙数量。煤孔隙分形维数D的变化与孔隙分布特征密切相关,有效地反映了孔隙结构的非均质性。孔隙率、渗透率与分形维数呈现显著的幂指数正相关关系。由此指示,基于显微CT切片的煤孔隙分形维数可作为煤储层孔隙特征和渗透性评价的定量指标之一。     

沁水盆地南部高阶煤储层渗透率与孔裂隙发育的耦合分析

为分析高阶煤储层渗透率与孔裂隙发育的耦合关系,以沁水盆地南部3^#煤储层为研究对象,采用分形理论研究了孔隙的分形特征,利用几何分形模型计算了不同孔径孔隙对煤岩渗透率的贡献比例,线性拟合了渗透率与孔隙分形维数、体积百分比和镜质组最大反射率R_o,max等因素的相关关系。研究结果表明:孔裂体积以微、小孔为主,比表面积比以微孔最高;孔隙类型以半封闭孔为主;煤样孔隙度平均为4.652%,渗透率平均为8.68×10^-5μm²,大孔和裂隙对渗透率的贡献平均为99.809%,沁水盆地南部3^#煤储层渗透率主要来自于大孔与裂隙的贡献;渗透率、孔隙度与R_o,max之间具有较弱的相关性,随着变质程度的增加先上升再下降;渗透率与中孔、大孔和裂隙的分形维数呈正相关关系,与微小孔分形维数呈负相关关系。     

三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律

深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验,得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:①三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47. 58,渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;②三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关,各级轴向位移下,两者服从对数函数关系;③随着有效应力的增大,各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小,破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合,表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④各级轴向位移下,破碎煤样的渗透率随围压增大而减小,不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=me~(nσ3)公式表示,颗粒粒径越大,破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能,不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小,渗透率整体减小,非Darcy流β因子呈增大趋势,其中渗透率的量级为10~(-14)～10~(-10) m~2,非Darcy流β因子的量级为10~7～10~(11)m~(-1)。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。     

黔西突出煤的微观孔隙分形特征及其对渗透率的影响

煤层气的运移、赋存与煤体内部孔隙结构密切相关。为研究贵州突出煤体的微观孔隙对其吸附性能及渗透能力的影响,以黔西青龙煤矿和兴隆煤矿的构造煤与原生煤煤样为研究对象,利用全自动氮吸附仪测得煤样的低温液氮吸附曲线,根据分形理论、毛细管平均迂曲度分形模型、渗透率模型计算得到了煤样的孔隙分形维数D_f、毛细管平均迂曲度分形维数D_T、渗透率K,并从分形的角度研究了黔西突出煤的微观孔隙分形特征与其吸附性能及渗透率的关系。研究结果表明:黔西突出煤孔隙度较低,迂曲度τ较大。随着毛细管平均迂曲度分形维数D_T、迂曲度的增大,瓦斯的最大吸附量V_L增加,Langmuir压力P_L降低,瓦斯吸附速度增大。渗透率K与D_T有较好的负相关关系。煤的渗透率低、瓦斯吸附能力强是贵州省矿区频发煤与瓦斯突出的主要原因。     

地层条件下基于纳米级孔隙的煤层气扩散特征

通过分析自由甲烷气体在地层条件下特性的变化,计算确定了甲烷不同扩散模式的孔径分布范围,并结合前期煤储层孔隙自然分类成果,就基于储层甲烷扩散的纳米级孔隙进行了初步划分,计算了不同扩散模式的扩散系数.研究表明,储层条件下,煤纳米级孔隙中甲烷存在3种扩散模式,且3种模式的扩散系数差别不大,比地表条件下扩散系数低1~2个数量级.     

永川煤矿延深区须六段砂岩储层特征及致密气储量估算

永川煤矿延深区煤系地层上覆须家河六段岩层含有大量气体。在实验室对须六段岩芯进行了化验分析,结果显示为长石岩屑砂岩层,结构成熟度为中到低,孔隙度平均3.98%,渗透率平均0.080506×10~(-3)μm~2,岩层内孔隙以微裂隙为主,含气饱和度平均84.3%,属于Ⅲ~Ⅱ类中等复合性储层类型的致密砂岩气藏。应用容积法计算表明该矿延深区须六段致密砂岩气地质储量为12.84×10~8 m~3,丰度为1.712×10~8 m~3/km~2。可在井下应用水力压裂技术对岩层增透,结合瓦斯负压抽采系统,对须六段岩层致密气进行开发。     

不同应力条件下页岩表观渗透率模型试验研究

为探究页岩气抽采过程中气体传输和应力耦合作用对页岩表观渗透率的影响,提出了一种含加权因子耦合多种传输机理、吸附变形及应力应变关系的页岩表观渗透率模型,用来描述气体流动,通过试验数据验证其合理性,并对模型相关参数对页岩表观渗透率的影响进行讨论。研究结果表明:新建考虑流体流态和应力耦合作用的页岩表观渗透率模型能合理地表征页岩气体流动,包括考虑应力变化下气体滑脱效应、孔隙结构和吸附变形因素,以及体相气体传输的黏性流动(滑脱流动)和努森扩散因素。在不同围压、孔隙压力2种应力条件下,新建模型计算的曲线均与实测值吻合较好;且随孔隙压力、围压的升高,页岩表观渗透率呈指数函数形式降低,同时裂隙压缩系数Cf的绝对值整体呈降低的趋势。孔隙压力越低努森扩散所占比重越高,相同孔隙压力状态下,孔隙尺度越小,努森扩散的贡献率越大;页岩表观渗透率对弹性模量较为敏感,弹性模量越大吸附引起的基质变形量越小,相应渗透率升高量也将随之降低。不同页岩孔径所对应的主控传输机理不同,随孔径的减小,此时孔径与气体平均分子自由程具有可比性,发生滑脱流动,渗透率升高;考虑滑脱效应页岩表观渗透率计算值均大于不考虑滑脱效应计算值,且更接近试验测量值,随孔隙压力、围压的升高,滑脱效应引起的渗透率变化量逐渐降低。     

准噶尔盆地南缘低煤阶煤储层孔隙分形特征

基于压汞实验,以准噶尔盆地南缘低煤阶煤样为切入点,建立分形模型,表征煤储层孔隙的分形特征。结果表明:准南煤样孔隙度均值为6.29%,渗透率均值为0.05 m D,孔隙分形维数D=2.739~3.442,与惰质组、水分含量和孔隙度(7%)呈负相关关系,与灰分、镜质组含量呈正相关关系,同时煤储层的渗透性随着分形维数的增加有稍微减小的趋势,但是变化不明显。     

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。     

基于核磁共振技术的低阶煤储层孔隙特征研究

为了探究低阶煤储层孔径及有效孔隙度特征,有利于提高煤层气的开采效率,基于核磁共振试验,分析了煤储层的横向弛豫T2谱、微小孔孔径分布及有效孔隙度特征。结果表明:试验的低阶煤的横向弛豫T2谱存在3种峰的类型:单峰型、双峰型及三峰型,谱峰T2弛豫时间分别处在0.1~1.0 ms、10 ms左右以及70 ms处,得出了煤样主要以微小孔发育为主;计算出了试验的低阶煤的表面弛豫率为1.51×10~(-8) m/ms左右和微小孔孔径与T2弛豫时间的转换系数C为4.53×10~(-8)m/ms,进而得出微小孔孔径分布曲线;获得了有效孔隙度平均值为0.97%,认为有效孔隙度大小与固定碳含量呈正相关关系,与灰分及挥发分含量呈负相关关系,可断定该煤储层孔隙连通性较差,且有效孔隙度较低,不利于煤层气开采。     

温度及应力对成型煤样渗透性的影响

利用吉林华兴矿煤制成成型煤样,在ZYS-1型三轴渗透仪上对型煤试样进行渗流试验。通过试验研究了围压、轴压及温度对成型煤样的渗透率影响,结果表明：① 随着围压增加,煤样渗透率降低。② 偏应力对煤渗透率有很大影响。在围压条件下,随着偏应力(轴压)增加,煤样先发生弹性压缩,渗透率降低,当偏应力增加到一定程度,煤样破坏,伴随着剪切扩容及孔隙和裂隙空间增加,渗透率随之增加。因此,低围压下煤样的渗透率呈“V”型变化,高围压下,煤样的渗透率单调减小。③ 温度对煤中气体的流动有显著影响。温度升高,一方面瓦斯气体的动力黏度增加,另一方面煤内固体颗粒体积膨胀,减小了孔隙和裂隙空间,阻碍气体的流动。     

黔西松河井田煤储层孔隙特征及对渗透性的影响

通过采集黔西松河井田1口典型钻孔的8件煤样,借助压汞试验和试井渗透率数据,研究了多煤层发育条件下的煤储层孔隙结构特征及孔隙体积分形特征,探索了孔隙结构参数与渗透性的关系。结果表明:研究区煤储层微孔、小孔、中孔和大孔占总孔容的平均比例分别为30%、36%、17%和17%,孔径配置合理,各孔径段孔隙连通性较好,孔容在0.020 8~0.037 2 cm3/g,孔隙度在3.35%~5.16%;孔隙参数垂向发育差异大,1号煤和24号煤具备单层独立开发的孔隙条件;各煤层孔隙体积分形下限存在差异,分形下限与试井渗透率呈很好的负相关性,孔容和孔隙度与试井渗透率有一定的正相关性。     

地应力及氮气长期作用下焦煤渗透特性的演化

松软低渗透高瓦斯煤层瓦斯抽采是矿井瓦斯抽采的难点,该类煤层极低的渗透性是地应力和高瓦斯压力长期共同作用的结果。为研究地应力和气体压力长期作用对煤层渗透性的影响,采用岩石三轴渗流仪研究了山西典型焦煤在三轴应力及氮气孔隙压力长期作用下的渗流特性。结果表明:在400m埋深地层应力(轴压、围压均为10MPa)和氮气孔隙压力(6 MPa)长期作用下,焦煤原始渗透率为10~(-17)～10~(-21) m~2,低于10~(-14)～10~(-16) m~2,为低渗煤层;但初始渗透存在一临界值:约为2.0×10~(-19) m~2。初始渗透率高于2.0×10~(-19) m~2,焦煤渗透率先增加后降低,而后趋于平稳,平稳后的渗透率低于初始渗透率;初始渗透率低于2.0×10~(-19) m~2焦煤渗透率呈抛物线式减少,后趋于平稳;试验后试样明显破碎,可见宏观裂缝且数量明显增多。     

滑脱系数动态变化对煤层气运移的影响

煤层气在低渗透性煤层渗流时受滑脱效应影响显著,目前的煤层气渗流模型大都将滑脱系数视为常数,然而在煤层气抽采时受有效应力和煤基质收缩效应影响,滑脱系数是动态变化的。据此,建立考虑动态滑脱系数的煤层气渗流模型,并采用有限元数值软件进行模拟分析;研究考虑动态滑脱效应后煤储层渗透率和滑脱系数随抽采时间变化规律;比较考虑动态滑脱系数与固定初始滑脱系数时,煤储层孔隙压力变化差异。研究结果表明:随着抽采时间的增加,滑脱系数先增大后减小,渗透率先减小后增大;考虑动态滑脱效应时,抽采30 d后煤储层各处的孔隙压力降低幅度较不考虑时均有所减小,且初始渗透率越低两者的差距越大。     

人工煤心的制作及其渗流特征

由于天然煤心取心成功率低,孔裂隙分布不均,给室内煤心评价实验带来很大困难,因此用煤样、黏土和水压制出直径准25 mm具有原煤样部分物性的人工煤心。人工煤心的微小裂隙分布均匀,裂隙宽度是天然煤心煤基质孔隙的数十倍,其孔隙度受到压制压力控制,而且液体渗透率和气体渗透率与孔隙度有一定的幂函数关系。不同流体通过人工煤心的渗透率来评价流体对煤储层的伤害程度,为室内评价实验提供有利的基础条件。     

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。     

平顶山矿区煤孔隙特征及瓦斯吸附控制机理研究

为研究平煤矿区煤储层特征及其瓦斯赋存特性,采用低压液氮吸附法对6种典型煤样的储层特征进行了分析,并测试了煤样瓦斯吸附能力,分析了煤样孔隙结构参数对瓦斯吸附的影响。研究结果表明:不同煤样孔隙差异显著,煤体表面具有明显的非均质性;煤中的微孔发育,孔径分布呈多峰值;变质程度(挥发分)对煤中的微孔具有重要影响,而对小孔的影响不明显;煤对气体的吸附主要集中在微孔段,不同煤样的吸附能力差异明显,Langmuir体积只与微孔有关,而Langmuir压力受微孔和小孔分布的共同影响。研究结果可为平顶山矿区瓦斯防治与利用提供理论依据。