中高阶煤储层分形特征对瓦斯吸附的影响研究

为研究中高阶煤(Vdaf25%)的分形特征对煤层瓦斯吸附规律的影响,针对不同矿区6种中高阶煤样,采用高压容量法测试了煤样的瓦斯吸附能力,利用Langmuir方程拟合得到了表征煤样吸附能力的参数Langmuir体积(VL)和Langmuir压力(PL)。同时,根据电镜扫描(SEM)实验,对煤体表面孔隙特征进行了分析,并利用基于Kolomogrov容量维的分形理论计算得到了煤样孔隙分布的分形维数。在此基础上,研究了分形维数对中高阶煤瓦斯吸附的影响。研究结果表明:不同煤样孔隙结构差异显著,煤体表面孔隙分布具有明显的非均质性和分形特征;煤体变质程度对分形维数具有重要影响,煤化作用使得孔隙结构更加复杂;煤体表面分形对VL和PL的影响不同,VL随着分形维数的增加呈线性增加,而PL与分形维数的关系符合二次曲线,说明煤体表面越复杂,煤体越易于吸附瓦斯。     

低煤阶煤纳米孔特征及其对吸附解吸影响

以不同煤体结构低煤阶煤样为例,采用低温N2吸附和冰点CO2气体吸附试验,分析了煤储层的纳米级孔隙结构特征;结合现场解吸试验,分析了不同煤体结构煤储层的含气量和解吸速率;从煤储层纳米级孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附解吸控制机理。结果表明:碎粒结构煤的超微孔较原生结构煤发育,碎粒结构煤的自然解吸时间显著短于原生结构煤;常压下甲烷气体吸附在墨水瓶形等复杂超微孔内难以解吸,当通过高温和粉碎煤样后超微孔内的吸附气解吸,呈现出残余气碎粒结构煤大于原生结构煤。     

二氧化氯作为煤储层压裂液破胶剂的可行性实验研究

针对煤层温度低、高黏压裂液无法及时破胶返排的难题,探讨二氧化氯作为压裂液破胶剂的可行性及其对煤层气开采的影响。实验选择清洁压裂液、交联冻胶压裂液和二氧化氯溶液对不同煤阶煤样进行处理,对处理后煤样再分别进行光学显微镜、等温吸附和压汞等测试。结果表明:残留的压裂液会对煤层造成污染伤害,二氧化氯不但具有良好的低温破胶作用,同时还可以提高大孔和中孔的孔容比,使得孔隙连通性得到改善,进而提高储层渗透率;经二氧化氯处理后煤样的朗格缪尔体积显著降低,表明了煤的亲甲烷能力显著降低,从而使得煤层气临界解吸压力、含气饱和度与采收率均得到不同程度的提高。研究表明二氧化氯可以作为煤储层压裂液的破胶剂。     

基于低场核磁共振技术的酸化煤样孔隙特征研究

为研究酸化作用后煤体的孔隙结构特征,采用低场核磁共振技术和X射线衍射实验方法,测试了高阶煤自然煤样和酸化煤样的孔隙结构和矿物含量,并根据分形理论对比研究了2种煤样孔隙的分形维数,探讨了酸化作用原理.研究结果表明:自然煤样和酸化煤样中微孔和过渡孔都占较大的比例;煤样酸化后,其孔隙率增大,最小孔径和最大孔径都变大;酸化作用...     

不同溶剂对高阶煤的表面性及孔隙性的改造机理研究

为了探索新型有机压裂液中有机溶剂对高阶煤的作用效果,采用不同类型的有机溶剂对山西长治的高阶煤进行溶剂萃取,借助接触角和低温液氮吸附试验的测定结果,分析了不同溶剂改造下高阶煤表面性和孔隙性的差异性变化及其原因。研究结果表明:有机溶剂作用后,煤-水接触角显著变大,表面张力明显减小,说明处理后煤样的疏水性增强;不同溶剂作用后,煤样的BET比表面积和BJH孔容不同程度地增大,其中,丙酮改造后的煤样增幅最大;有机溶剂对煤样均有扩孔作用,且对微孔的扩孔效果最为明显;相比而言,二硫化碳、丙酮和过氧乙酸作用后的煤样的开放孔、大孔含量显著增多,孔隙连通性明显改善,而四氢呋喃、三乙胺和乙醇溶剂对煤样孔隙性的改善程度相对较弱。     

压裂液腐蚀效应下煤体力学损伤规律及增透效果研究

为了提高低渗透煤层增透效果,提出采用表面活性剂协同酸液的腐蚀煤体技术改进煤层传统水力压裂技术,利用腐蚀性压裂液增强压裂液在煤体中的破坏效果,揭示腐蚀煤体力学变化特性,并将基于压裂液腐蚀的煤体增透技术在煤矿现场进行工业化应用,考察煤层增透及瓦斯抽采效果。研究结果表明：经过压裂液腐蚀的煤样破坏过程分为4个阶段：裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段及裂纹加速扩展阶段,腐蚀压裂液深入煤岩内部的孔洞和裂隙中,与其中的黏土矿物和无机盐矿物等杂质矿物反应,造成煤岩孔洞和裂隙的破坏,导致煤样内部出现了不贯通裂隙,在经过腐蚀处理后,煤样破坏过程中进入裂隙稳定扩展阶段所受的应力变小,煤样强度降低,经过十二烷基磺酸钠(SDS)协同腐蚀处理后煤样强度最低,煤样产生裂隙所受的应力值最低,表明SDS对腐蚀效果破坏煤体结构具有积极作用。通过工业性试验可得,同普通水力压裂孔对比,酸化腐蚀压裂孔维持在高浓度、高流量的时间长,衰减得慢。压裂影响区域导向孔瓦斯抽采体积分数最高达到76%;与平均瓦斯浓度相比,水力压裂钻孔瓦斯抽采体积分数提高了8%,钻孔间距从6 m扩大到11 m,节约了煤矿瓦斯治理成本。     

氧化剂处理前后煤孔隙分形特征研究

为了探究氧化剂对煤孔隙分形特征的影响,采集了千秋矿低阶煤、沙曲矿中阶煤和中马村矿的高阶煤样,使用二氧化氯和过硫酸铵对不同煤阶的煤样进行预处理,利用压汞法对氧化剂处理前后煤样的孔隙结构进行分析,并计算了其孔隙分形维数,同时分析了分形维数与曲折度和孔隙度的关系。结果表明:随煤阶升高,孔隙分形维数逐渐降低;经氧化剂处理后,煤样孔隙分形维数、曲折度和孔隙度均有不同程度的增大,表明氧化剂能够提高煤孔隙的复杂性同时有利于煤层气的解吸运移,且二氧化氯比过硫酸铵的促进效果更加明显;随孔隙分形维数增大,曲折度先减小后增大,孔隙分形维数D=2.80约为趋势线转折点,孔隙度则呈下降趋势。     

清洁压裂液与水对煤层渗透率影响对比试验研究

针对煤矿井下采用不同压裂液增加煤层透气性的工程问题,开展了多组有效应力作用下烘干、含水与含清洁压裂液3种煤样的渗透率对比试验,并利用多孔介质和流体力学理论分析了压裂液影响煤层渗透率的机理。研究结果表明：饱和清洁压裂液煤样渗透率比饱和水煤样渗透率平均高出177.83%,随着有效应力增加,煤样渗透率均呈指数关系降低;压裂液对煤层渗透率的影响受表面张力影响,表面张力大,液体会在煤体内占据更多瓦斯运移通道,从而降低煤层透气性,与清水相比,清洁压裂液有效降低了煤体内部孔隙表面液体张力,增大了瓦斯运移通道,提高了煤层渗透率,有利于煤层气的抽采。     

表面酸液改性作用下的煤体瓦斯吸附特性

为研究煤体表面酸液改性对瓦斯吸附特性的影响,通过酸液浸泡方式对煤样进行改性。采用等温吸附仪对各改性煤样瓦斯吸附规律开展实验研究,并利用高压压汞仪测试各煤样的孔隙结构特征。研究结果表明：酸液改性对煤体孔隙结构有显著影响,酸化作用能够打通煤体内部孔隙,煤样经酸液浸泡后其吸附孔数量减少,中孔和大孔数量增加;随着酸液浸泡时间的增加,煤体瓦斯吸附能力曲线呈现先快后慢的非线性变化;酸液作用下,煤体瓦斯吸附能力减小,吸附速率降低。     

不同软硬煤的结构差异性研究

为研究不同软硬煤的微结构差异性特征,以山西潞安王庄煤矿为工程背景,针对6种不同软硬煤样,采用电镜扫描(SEM)分析了表面形貌特性,并结合低温液氮吸附法研究了软硬煤的孔隙结构特征,对不同变质变形程度煤样的微结构差异性进行了对比分析。研究结果表明:构造变形对软煤的表面结构有显著影响,软煤较对应的硬煤表面更粗糙,拥有更复杂的表面孔隙结构;煤化作用对孔隙结构具有差异显著,煤的孔径随变质程度的增加而逐步变小;孔总比表面积随煤化程度的加深而变大,所有煤样微孔比表面积所占比例均超过了60%,比表面积主要由微孔贡献;软煤的平均孔径始终小于对应的硬煤,而孔比表面积始终大于相应的硬煤;构造变形使得煤体结构变得更复杂,构造软煤具有超前演化特征。     

西山煤田不同变质程度煤孔隙结构分形特征及影响因素研究

为研究煤的多孔介质属性及其分形特征,以山西沁水盆地西山煤田为研究对象,采用扫描电镜(SEM)分析了煤表面孔隙结构特征。基于SEM图片,通过盒维数法计算得到了不同煤样表面孔隙分形维数,并分析了其影响因素。研究结果表明:煤表面具有显著的分形特征,分形理论能够较好地描述煤孔隙结构复杂程度;在本测试煤样中,不同煤样分形维数值在1.33～1.92范围内变化;变质程度、水分、埋深、坚固性系数(f值)对煤孔隙分形维数有显著影响,随Ro和埋深的增加煤体表面孔隙趋于复杂化,分形维数值不断增大;而水分和灰分的存在使得煤体表面变得相对光滑,能够减小分形维数值。分形维数是衡量煤孔隙复杂程度的有效参数,在煤矿现场瓦斯防治中,对于具有高分形维数的煤体,应该引起重视。这类煤体往往破坏程度较高,具有强吸附性,孔隙连通性差,瓦斯抽采困难,在煤炭开采过程中,容易导致煤与瓦斯突出、瓦斯涌出等灾害。     

构造煤纳米级孔隙对瓦斯吸附能力的影响研究

为研究煤的纳米级(100 nm)孔隙对瓦斯吸附能力的影响,对3种不同煤样的原煤和构造煤孔隙结构进行研究,并建立温度-压力综合吸附模型分析煤体的吸附瓦斯能力。研究结果表明:纳米级孔隙(孔径小于100 nm)是煤对瓦斯吸附强的决定因素,纳米级孔隙微孔的比表面积是影响瓦斯吸附量的主要因素;在相同温度压力下,古汉山矿煤样瓦斯吸附量是薛湖矿煤样和平顶山矿煤样的1.3～1.8倍和1.02～1.2倍;微小孔的孔容与瓦斯吸附量呈现出明显的正相关;通过建立温度-压力模型预测瓦斯吸附量是可行的。     

不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征

煤的吸附能力是决定煤层含气量的重要参数。采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤4个不同煤体结构的高煤阶煤样,通过等温吸附试验分析了不同煤体结构煤样在不同温度和压力下的吸附性能;同时对不同煤体结构煤样进行了低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构特征,从煤体孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附控制机理。结果表明：煤样升压吸附符合Langmuir等温吸附方程,饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高,随着温度的增高而降低。随着煤体破坏程度的增高,孔容和比表面积也相应增大,孔容主要由中孔贡献,比表面积主要由微孔贡献,糜棱煤的孔容和比表面积在不同孔径阶段均最大,其次为碎粒煤、碎裂煤和原生结构煤;低温液氮吸附实验结果与等温吸附试验反映一致规律,这些说明,在同一地质条件下,煤体结构破坏越严重的地区煤层含气量越高。     

表面活性剂对煤体孔隙结构影响的实验研究

为研究表面活性剂对煤体孔隙结构的影响,选用不同浓度的十二烷基苯磺酸钠溶液处理煤样,进行低温氮吸附实验。结果表明:表面活性剂处理后的煤样的平均孔径逐渐减小,两者呈负指数关系;表面活性剂处理后的煤样的总比表面积降低,与表面活性剂浓度呈幂函数关系,微孔的比表面积占比减小,中孔与过渡孔的比表面积占比增大;表面活性剂处理后的煤样的总孔体积也降低,两者符合幂函数关系,各孔径下孔体积占比变化不明显;表面活性剂处理后的煤样的分形维数增大,两者符合幂函数关系。     

基于压汞法的赵庄矿不同煤体结构煤的孔隙特征研究

选取赵庄矿3号煤层4种不同煤体结构煤的煤样,采用压汞法研究分析其煤体孔隙特征。实验表明,随着煤体破坏程度的增大,大孔孔容占比呈下降趋势,中孔、小孔孔容占比呈上升趋势,煤岩渗透性随之减小。原生结构煤、碎裂煤存在相当数量的封闭孔或孔径在纳米级以下,孔隙连通性差;碎粒结构煤孔隙连通性稍好,退汞效率在4种煤体结构中最高。     

基于渗水试验的煤岩压裂液静态滤失特征分析

压裂液滤失是制约煤储层压裂造缝效率、诱发储层物性伤害的关键,厘定压裂液静态滤失特征尤其是空间渗滤非均质性对于煤储层压裂液滤失机制深化、降滤失剂材料改进具有实际意义。为此采用大尺寸煤岩试样开展渗水试验研究,查明了清洁、冻胶压裂液在原生结构煤体、碎裂构造煤体中的渗水习性。研究结果表明,静态滤失过程中煤岩压裂液渗水系数和渗透速度受到压裂液体系、驱动压差及煤体结构的综合影响,整体上随着累计渗滤液量的增加均呈现出负幂指数形式的降低,清洁压裂液在原生结构煤体中初滤失现象明显。研究结果还表明,压裂液渗滤侵入原生结构煤岩导致裂缝两侧煤岩封闭性孔隙回弹响应,以及压裂液侵入构造煤岩开放孔隙内的甲烷气体置换效应,是导致煤岩压裂液静态滤失中渗滤驱动压差、渗滤速度降低的关键微观机制。     

脉动水力压裂煤层微观结构变化及其工程实践

为了研究脉动水力压裂煤层微观结构变化,对取自杨柳矿、顾桥矿和丁集矿的煤样进行脉动水力压裂实验室实验,通过压汞实验和CO_2气体吸附测试分析原煤样和水力压裂作用下煤样孔隙特征变化规律。结果表明:原煤大孔隙阶段的孔隙连通性明显优于中孔隙阶段;煤体孔隙度、孔隙总体积、总表面积和微孔比例随着煤阶的升高而增加,中孔比例随着煤阶的升高而减小,大孔比例则随着煤阶的增加呈"减少-增加"趋势。脉动水力压裂作用后,孔隙度明显增加,而水分对孔隙连通性影响较小。脉动水力压裂使煤样孔隙总表面积、微孔体积和微孔比例减小,总孔隙体积、中孔比例、大孔体积和大孔比例增大。     

基于低温氮吸附法的酸化煤样孔隙分形特征研究

为研究并改善富含矿物质煤体孔隙结构特征,基于X射线衍射和低温氮吸附实验测试了贫瘦煤酸化前后碳酸盐矿物质含量及孔隙结构参数,并根据孔隙分形理论利用FHH模型求得了酸化前后不同孔段的分形维数。结果表明:酸化可以有效溶解煤体孔隙中的矿物质并溶蚀煤基质,减少煤体孔隙中微孔所占比例,增加中孔和大孔的比例,增强了孔隙结构之间的连通性,同时减少了煤的比表面积,有利于吸附态瓦斯向游离态进行转化;煤样低压段分形维数大于中高压段的分形维数,煤体孔隙中微孔结构较中孔大孔结构更加复杂,煤样经酸化后孔隙分形维数变小,煤样孔隙结构趋于简单化。     

华北区域不同煤阶样品孔隙结构特性研究

为探求华北区域煤样的孔隙发育特征,采用压汞法对采自此区域不同煤阶样品孔隙结构和分形维数进行研究。研究结果表明,煤体孔容和比表面积分别由大孔和微孔发育情况所决定,且100nmD1000nm范围内中孔相对不发育;随着Ro,max变化,煤体孔容和比表面积均呈现两端高大中间低的曲线形态;煤样中大于50.4~95.4nm孔径具有分形特征,此孔径范围主要包括部分过渡孔、中孔和大孔,并且随着Ro,max的增加,分形维数整体呈现降低的趋势。     

液氮冻融对煤体孔隙演变和吸附行为的影响研究

为探究液氮冻融对煤体孔隙结构和吸附行为的影响,采用低温氮气和二氧化碳吸附法对冻融前后煤样孔隙结构进行表征,并开展了不同冻融次数下甲烷等温吸附实验。结果表明:冻融后煤样的滞后指数HI降低,孔隙系统的连通性得以改善,有利于煤中气体的运移;2~100 nm孔隙在冻融后均有不同程度的增加,一些孔隙演变为比自身孔径更小甚至小于2 nm的孔隙;冻融后微孔孔径分布发生了变化,微孔孔容和微孔吸附量增加;随着液氮处理次数增加,对甲烷最终吸附量的影响不断减弱,达到4次处理后,液氮处理对煤体最终吸附量的影响几乎达到饱和;煤样经不同次数的液氮处理后朗格缪尔参数V;和p;均增加,p;越大越有利于煤层气的开采。