大佛寺煤储层甲烷解吸的传质过程研究

以CH4解吸过程CH4的质点运移过程、能量来源与传递为研究目标,剥离大佛寺4号煤的镜煤与暗煤,进行工业分析、煤岩分析、液氮吸附、压汞实验、润湿性测定、吸附/解吸等对比实验,进行吸附热计算。研究认为:按照传质功能分类,煤的孔隙分半开放孔与连通孔,镜煤吸附量大,以半开放孔为主,暗煤以连通孔为主;降压湍动引起水的蒸汽化,H2O的吸附放热导致CH4的解吸,降压解吸的本质是竞争吸附,表现为置换解吸;煤层气的产出的传质过程是低溶解度的CH4气核空化过程(Cavitition)。煤的吸水、平衡水实验与CT扫描结果初步验证了我们对煤层气产出的传质过程认识。研究结果补充了解吸作用的能量来源问题。     

煤岩层理效应对甲烷吸附-解吸影响的试验研究

为了研究煤岩试件中的层理倾角对甲烷吸附-解吸的影响,通过实验室制取层理试件,并通过特制仪器进行室内试验,研究了煤岩试件在甲烷吸附-解吸过程中,层面倾角对其影响规律,得出以下结论:甲烷在吸附-解吸过程中,随煤岩层面倾角增大,层理接触面在试件中的长度、接触面积随之增大,因此吸附、解吸速度增大,吸附量、解吸量增大;煤岩试件吸附瓦斯量对其体积变化有较大影响,吸附量越大,体积应变越大。     

煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸的影响

为了研究煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸过程的影响,在吸附科学和分子动力学理论基础上建立了非均匀势阱模型。该模型可以表征煤的吸附/解吸性能以及精确计算出煤体内不同势阱所对应的势阱数量。为了验证非均匀势阱模型对煤的吸附/解吸性能方面的表征能力的准确性,将其与Langmuir模型分别对甲烷吸附/解吸过程进行拟合,再将拟合数据和等温吸附线的相关系数分别进行比较。结果表明,非均匀势阱模型在表征煤体的吸附/解吸性能方面更优。在研究煤体内的势阱分布时,发现煤在不同温度压力下对甲烷的吸附/解吸过程中,煤体内的势阱分布出现明显差异。在分析煤的势阱规律时,发现在吸附阶段煤体内的势阱数量比解吸阶段多,但解吸过程中煤的平均势阱深度比吸附过程大。并且平均势阱深度随着煤阶的降低而降低。在吸附阶段势阱数量集中在某个势阱深度的范围内,但在解吸阶段势阱数量的分布相较而言就更分散。在同一温度下,势阱数量随着煤阶的降低而减少。从势阱分布来看,在相同温度下,高煤阶煤的势阱分布方差明显比低煤阶煤的势阱分布方差要大得多。温度上升会使得平均势阱深度随着温度的升高而下降。对于同一煤阶而言,温度的变化对5～15 kJ/mol内...     

煤储层特征对瓦斯解吸影响

作为一种非常规储层,煤储层特征对瓦斯解吸特性具有显著影响。基于低温液氮吸附法并结合电镜扫描(SEM),针对霍尔辛赫等5个典型煤储层结构特征进行了定量分析。在此基础上,分析煤储层结构参数对煤体瓦斯解吸的影响。     

低煤阶煤样解吸曲线数学模型及解吸气量 测试新方法

为了定量评价煤样的解吸速率,减少煤样解吸气量测试时长,基于吉尔嘎郎图凹陷煤样解吸实验数据,建立了解吸速率与解吸时间之间的定量关系,进而得到了解吸时间与累积解吸气量的定量关系,并据此提供了新的解吸气量测试方法。结果表明:煤样解吸速率随解吸时间增加而降低,初始解吸速率越大、解吸速率指数越小,煤样解吸速率越大;煤样不同时刻累计解吸气量可以用公式定量表征。     

河南省中-高煤阶构造变形煤甲烷吸附/解吸特征研究

煤体变质程度和变形结构不同,其对甲烷的吸附/解吸能力及特征也不同,通过对河南典型矿区5种中高煤阶构造变形煤的等温吸附/解吸试验研究,结果表明:中-高煤阶弱脆性构造变形煤的甲烷吸附能力随着煤变质程度的增加而增大;甲烷吸附量增量随着压力升高逐渐减小趋近于0,且甲烷吸附量增量随变质程度的增加而增大。单位压力段内甲烷解吸量随压力降低呈幂函数增大趋势,且变质程度越高,单位压力段内甲烷解吸量越大。不同类型构造变形煤单位压力段解吸量随压力降低呈单调递增的对数函数,且甲烷解吸量随着构造变形程度的增强而增大。     

含水率对不同宏观煤岩类型甲烷吸附/解吸特征的影响

为研究低阶煤中含水率对不同宏观煤岩类型甲烷吸附/解吸的影响,采集大佛寺井田延安组4号煤样品并分离光亮煤与暗淡煤样品,分别采用液氮吸附、扫描电镜、接触角测定以及等温吸附/解吸等试验手段,分析煤样的物质组成、孔隙结构特征、润湿性特征、吸附/解吸等特征;并基于等量吸附热、表面自由能等热力学参数计算结果,从能量角度分析低阶煤中不同宏观煤岩类型的润湿性对甲烷吸附/解吸特征的影响。结果表明:①光亮煤的灰分、水分及氢、氧、氮元素含量低于暗淡煤,而挥发分及碳、硫元素含量高于暗淡煤;光亮煤的表面结构相对简单,接触角为56.3°,暗淡煤的接触角为51.7°,光亮煤的润湿性较暗淡煤差;②升压阶段,空气干燥基煤样的等量吸附热值大于平衡水煤样,且光亮煤的等量吸附热大于暗淡煤;降压阶段,平衡水煤样的等量吸附热小于空气干燥基煤样,暗淡煤的等量吸附热大于光亮煤。此外,无论光亮煤还是暗淡煤,降压阶段的等量吸附热均大于升压阶段的等量吸附热,表明甲烷解吸还需要从外界环境中吸收更多的能量,且降压不能促使甲烷完全解吸,甲烷解吸存在滞后性,本质是吸附和解吸过程能量的差异;③水分子易与煤基质表面断裂的化学键及煤基质内部的亲水性官能团结合,在一定程度上降低了煤的表面自由能,使甲烷-煤吸附系统达到平衡状态所释放的热量更少,并且,水与煤的分子作用力强于甲烷,可以占据煤表面的有效吸附位,使煤吸附甲烷能力变弱。研究结果可为区内后续煤层气高效开发工作提供理论依据。     

型煤吸附解吸二氧化碳与甲烷的性能对比试验研究

基于型煤吸附解吸二氧化碳、甲烷的对比试验,进行了型煤吸附二氧化碳、甲烷的吸附常数(a、b值)、放散初速度(ΔP)及工业分析等参数测定,研究了型煤吸附解吸二氧化碳与甲烷的规律。研究结果表明:型煤对二氧化碳的极限吸附量大于对甲烷的极限吸附量,二者近似存在2倍关系;型煤对二氧化碳的吸附量大于对甲烷的吸附量,在气体压力5 MPa时,二者比值为1.77;型煤吸附二氧化碳气体放散初速度大于吸附甲烷气体放散初速度,二者比值为1.6~1.7;采用吸附性能较强的二氧化碳作为试验气体,可解决由非吸附性能原材料导致型煤吸附解吸性能降低的问题,确保型煤与原煤吸附、解吸性能的相似性。     

低煤阶煤层含气量特征及瓦斯涌出机制探讨

煤层含气量是表征煤层气储层特征的关键参数之一。为了准确获取低煤阶煤层含气量,以彬长矿区大佛寺煤矿为例,根据Langmuir方程和排采过程中实测的临界解吸压力计算了4号煤层含气量。根据计算结果,4号煤层含气量为2.30~3.62 m^3/t,平均为2..87 m^3/t,是煤层含气量测试结果的0.88~1.93倍,符合低阶煤的特征,最为接近4号煤层原始含气量。并根据矿山岩层移动理论和渗流理论探讨了4号煤层含气量低而煤矿生产过程中瓦斯涌出量大的原因。分析认为,煤层在开采过程中,随着顶、底板岩层变形、垮落和移动,应力释放使煤体产生大量的新生裂隙,改变了煤体结构特征,促使煤层渗透性发生了根本性的改变,形成卸压增透和增流效应,造成大佛寺煤矿瓦斯涌出量急剧增大。      

短陂桥矿区煤层气储层特征及资源潜力评价

煤层气作为洁净能源,其开发利用已在我国得到广泛重视,湖南省也已于2010年在邵阳短陂桥矿区首次开展了煤层气参数孔的施工。通过对参数孔各项测试结果的分析和研究,对短陂桥矿区煤层气储层特征进行了系统分析和评价,认为该区1＃、3＃煤层属高含气量、常压-高压、高吸附饱和度、中地解比、低渗透率储层,综合评价该区为开展煤层气地面抽采开发利用的有利地区。提出加快该区煤层气储层改造的试验步伐和扩大实验区的建议,为湖南省“四化两型”建设和“气化湖南”战略提供能源保障。     

中国煤储层渗透性及其主要影响因素

利用９０年代以来全国煤层气钻井的大部分试井渗透率资料,客观地评价了我国主要煤层气聚集区、带煤储层渗透性状况,研究了中国煤层渗透率的主要影响因素．我国煤层渗透率普遍低于美国煤盆地．区域上具有一定的分布规律．华北聚气区东部渗透率相对较低,而西部渗透率相对较高．东北聚气区、华南聚气区煤储层的渗透率较低．地应力是影响中国煤层渗透率的主要因素,渗透率随深度的变化趋势是应力的函数．     

大兴矿七煤层钻屑瓦斯解吸指标临界值的确定

通过测定大兴矿的突出预测参数，建立了钻屑解吸指标同瓦斯压力、瓦斯放散初速度指标、煤的普氏系数和煤的挥发分之间的关系，进一步得出了适合大兴矿七煤层的钻屑解吸指标临界值。     

采动覆岩离层性确定方法及离层规律的研究

将层状岩体视为各向同性材料，采用富氏积分变换得出了水平煤层开采覆岩离层的解析表达式。同时，采用动态模型辨识和参数识别方法，相似材料模拟方法，并结合部分实测资料，对采动覆岩离层的动态发育规律进行了探讨。     

煤层气运移特征的研究

煤层气在煤层中的流动是孔隙中扩散和裂隙中渗流的综合过程,研究二者之间的质交换关系,对开发低透气性煤层的煤层气具有指导意义．首次依据第三类边界传质的原理,建立了扩散渗流的微分方程组,重点讨论了反映煤层气扩散渗流特征参数的测试原理,实测了某煤层的特征参数．     

煤岩电磁辐射效应及其在煤与瓦斯突出预测中的应用

实验研究了单轴应力不同受载方式下的煤岩变形破坏电磁辐射效应规律，探讨了电磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理，并将电磁辐射技术应用于煤与瓦斯突出预测。结果表明，电磁辐射法可应用于煤与瓦斯突出预测，预测精度较高，方法简便，大大降低劳动强度和生产成本，真正实现了非接触式空间预测；非接触连续动态空间预测是未来煤与瓦斯突出预测理论的发展趋势。     

多层急倾斜煤岩层中的集中煤仓三维有限元仿真分析

以窑街矿务局三矿多层急倾斜煤岩层中的煤仓与巷道交叉处复杂结构为研究对象,应用三维非平行岩层的有限元模型和ＣＡＤ仿真技术,对该煤仓各典型部位的内力和变形进行了系统的研究,得到了许多可视化非常直观的计算结果,这对煤仓或交叉处采取进一步的维护和加固具有重要的指导意义．     

晋城矿区郑庄井田深部煤储层压裂效果研究

利用Nolte-Smith净压力-时间双对数曲线,结合现场压裂施工曲线变化规律,归纳建立了8种类型的水力压裂加砂曲线。并依据曲线类型特征,对晋城矿区郑庄井田120口井230层压裂曲线进行分类和对比分析,研究深部煤储层压裂效果,以期为以后合理进行压裂设计、调整施工参数提供参考。研究表明,NS-III-3类型（层间端部脱砂及停止输砂-返排过程）和NS-IV-3类型（目的层次分层压窜过程）是郑庄井田深部低渗煤储层最优的压裂曲线类型,压裂净压力作用在煤体原生裂隙上,裂缝张开并与煤层次分层接触面连通,压裂砂和压裂液沿煤体原生裂隙、煤储层次分层接触面输砂输水。郑庄井田深部煤储层存在中低渗透率的“甜点”区域,可作为补充井考虑区域。      

山西南部晚古生代煤的煤化作用及其控气特征

通过对区内晚古生代煤层的埋藏史，古地热史和生烃演化史的研究，认为煤层埋藏史类型以及发生于燕山运动中期的第２次生气作用是控制煤层气生成保存条件的重要地质因素，进而指出区内阳城－沁水，沁源－沁县和安泽等地区可能最具有煤层气勘探前景。