基于CT技术的不同煤体结构煤的孔隙结构分析

为了有效地分析不同煤体结构煤中孔隙结构的变化特征,从实现精细化、无损化和定量化入手,应用μCT225kVFCB型高精度CT试验分析系统,分析了4类煤样(原生结构煤、碎裂煤、鳞片煤和糜棱煤)大孔级孔隙分布特征。通过显微CT切片,结合扫描电子显微镜图像,直观观测了不同煤体结构煤的孔隙类型和显微构造,分析了构造变形对煤孔隙结构的影响规律。结果表明:不同煤体结构煤孔隙直径一般小于5μm,但后期构造应力改变了煤的孔隙结构。与原生结构煤相比,碎裂煤阶段遭受脆性破裂,形成大量外生孔和微裂隙,面孔隙率和平均孔径最大;糜棱煤阶段发生塑性流变,糜棱质发育,充填孔隙,面孔隙率和平均孔径最小。     

基于显微CT的构造煤渗流孔精细表征

利用显微CT技术对重庆市中梁山南矿构造煤的渗流孔进行了精细定量表征。研究发现：构造煤孔隙直径一般小于10 μm,但不同类型构造煤的孔隙分布特征有着明显差别。随着构造变形的增强,煤的孔隙数量、面孔隙度逐渐增大。原生-碎裂煤的孔隙以原生孔为主;碎裂煤脆性破坏加剧,角砾孔增加;碎粒煤碎粒孔和微裂隙发育,平均孔径加大;鳞片煤受到强烈剪切作用,煤颗粒在脆性破碎的基础上,同时具有韧性变形特征,包括局部揉皱和粉末状糜棱质,充填部分孔隙,造成平均孔径下降。构造煤孔隙三维建模表明,随着应力作用的增强,构造煤的孔隙度、孔比表面积、孔体积及最大连通孔隙团不断增高。     

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。     

不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其研究意义

煤层气的赋存和产出与煤储层孔隙系统的发育程度有关,原生结构煤层受到破坏变形后其孔隙结构特征将发生明显的变化,从而影响煤层气的吸附/解吸和扩散过程。通过对沁水盆地赵庄井田3号煤层不同煤体结构样品进行低温液氮、低压二氧化碳吸附分析和等温吸附试验,分析了不同破坏强度煤的孔隙结构和吸附性变化规律;应用试验数据和数值分形模型,揭示了不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其对煤中甲烷吸附、扩散的影响。结果表明：随着煤体结构破坏强度的增大,煤的比表面积和孔隙容积均增大,50～300 nm的孔隙所占比例逐渐降低,2～50 nm的微孔和中孔以及小于2 nm的超微孔增加,超微孔为煤中主要吸附孔,孔径主要分布在0.45～0.65 nm和0.80～1.0 nm。N₂、CO₂和CH₄的吸附量随煤体结构破坏程度的增大而增加,吸附性由大到小顺序为原生结构>糜棱结构>碎粒结构>碎裂结构。微孔、中孔和大孔孔隙结构分形维数表明,构造变形后的煤孔隙结构将被简单化,破坏程度较强的煤具有较粗糙的孔隙表面(对应较高的D₁)和较为...     

基于低温液氮实验的不同煤体结构煤的孔隙特征及其对瓦斯突出影响

采集淮南煤田3个不同矿区13-1煤层、焦作矿区中马村煤矿二1煤层不同分层的不同煤体结构煤样进行低温液氮吸附试验,分析研究了不同煤体结构构造煤的孔隙特征。由此将构造煤的低温液氮回线划分为H1、H2、H3三类,构造煤的孔隙划分为4类：两端开口的孔,一端开口的孔,墨水瓶形孔和狭缝形孔。碎裂煤中主要为一端开口的圆筒形孔和两端开口的圆筒形孔;碎粒煤和糜棱煤则主要包含狭缝形平板孔、墨水瓶形孔和一端开口的圆筒形孔。研究表明：构造煤对气体的吸附一般发生在孔径3.3 nm左右的孔隙;随煤体破坏强度增大,比表面积和孔体积的分形维数均在增大。综合孔隙特征研究结果,对糜棱煤、碎粒煤煤层分布发育地区容易引发瓦斯突出的机制进行了探讨。     

基于显微CT巷道围岩孔隙结构试验研究

矿井巷道围岩的孔隙结构是影响巷道围岩稳定性的一个重要地质因素,在对山西煤炭运销集团所属矿井巷道围岩稳定性控制调研的基础上,以常见的炭质泥岩、砂质泥岩、细砂岩、粉砂岩、中砂岩、K2石灰岩作为研究对象,对其进行了显微CT无损伤探测,采用Matlab软件对岩样的显微CT图像进行了数字图像处理和三维重构,并对其孔隙孔径和孔隙率等孔隙结构参数进行了研究.结果表明:显微CT为研究巷道围岩的孔隙结构提供了一种新方法,孔隙孔径在1.47～11.76μm时,巷道围岩的孔隙率随着孔隙孔径的增加呈负指数规律减少.     

不同变质程度煤体孔隙结构非均质性表征

采用多重分形理论,对不同变质程度煤样的低温液氮吸附实验数据进行研究,探讨煤样孔隙多重分形特征、分形参数与孔隙参数和变质程度之间的关系。结果表明:不同变质程度煤样孔径分布均存在明显的多重分形特征,随着变质程度的增加,煤样的微孔比表面积占比逐渐增大,且比表面积占比最高的孔径段随变质程度的升高而降低;煤样中孔径越小非均质性越明显,较大孔径分布较均一,煤样孔隙的联通性与变质程度无明显相关关系;奇异指数a_0与谱宽△a均与变质程度呈正相关关系,而参数R_d与变质程度呈反相关关系,即变质程度越高煤样内部孔径分布越不均匀,且煤样内部小概率子集个数占有率越低。     

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。     

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。     

NaCl溶液对电脉冲致裂煤体孔隙结构影响的实验研究

利用搭建的高压电脉冲致裂煤体增渗实验系统,对蒸馏水和不同浓度NaCl溶液浸泡后的贵州林华无烟煤进行电脉冲击穿实验,并结合扫描电镜、能谱分析和压汞分析等测试方法,研究了不同浓度NaCl溶液处理后,电脉冲击穿煤体的孔隙结构变化特征。实验结果表明,煤体在NaCl溶液浸泡的过程中,大量的导电离子Na+和Cl-进入煤体内部的原生孔隙裂隙,有效的改善了煤体的导电性,与蒸馏水浸泡的煤体相比,NaCl溶液浸泡的煤体在电脉冲击穿后破碎的程度更充分。同时,随着NaCl浓度的增加,电脉冲击穿煤体的比表面积、孔容、孔径以及孔隙度均有一定程度的增加,特别是大孔和中孔孔容增加显著,孔隙的连通性变好,有效地改善了煤体孔隙结构。     

煤体结构与甲烷吸附/解吸规律相关性实验研究及启示

甲烷(CH_4)在煤体中的流动包含"渗流—扩散—吸附/解吸"3个环节,相比粉状煤,采用块状煤体进行CH_4吸附/解吸实验能够更有效地表征煤层中气体的流动状态。为此,依托渭北煤田韩城矿区煤样,利用自行设计的块煤吸附/解吸实验装置,研究了低压下块状同体积原生结构煤、碎裂煤和糜棱煤的CH_4等温吸附/解吸特性;采用显微CT和扫描电镜分析了3种煤样的孔裂隙结构和显微构造,探讨了煤体结构对CH_4吸附/解吸的影响。结果表明:不同煤体结构煤的CH_4吸附/解吸特性有显著差异。结构致密的原生结构煤,孔隙度较低,导致CH_4吸附/解吸平衡时间长,吸附量低,解吸率低;相比原生结构煤,脆性变形碎裂煤张裂隙发育且相互贯通,孔隙度变大,连通性好,导致CH_4吸附/解吸平衡时间变短,吸附量升高,解吸率增大;韧性变形糜棱煤孔隙数量虽增多,但裂隙被揉皱闭合,形成孤立分布的孔隙结构,渗透性变差,导致CH_4吸附/解吸平衡时间最短,解吸速率最快,说明大多数CH_4仅吸附在块煤内构造变形作用下形成的粒间孔隙中。可知,碎裂煤储层是煤层气开发的有利区域;而致密原生结构煤和糜棱煤储层可尝试通过多尺度压裂、注热等技术手段实施储层改造以增加煤体裂隙通道,达到气井增产增效的目的。     

温吸附过程中不同煤体结构煤能量变化规律

煤吸附甲烷的过程中总是伴随动能及热量的变化,能量的变化是吸附的内在动力。对反映等温吸附过程中能量变化的相关特征参数的计算进行了推导,通过不同煤体结构煤的等温吸附实验,得到了不同温度下的相关吸附数据,计算出了不同煤体结构煤吸附甲烷过程中的能量变化值,并讨论了吸附过程中能量变化的微观机制。研究表明,糜棱结构煤的吸附能力最强,其次为碎粒结构煤、碎裂结构煤和原生结构煤;吸附势随吸附空间的增大而减小,吸附首先在微孔孔隙中进行,微孔的吸附势远大于中孔大孔的吸附势;吸附势和表面自由能总降低值的规律表现为糜棱结构煤>碎粒结构煤>碎裂结构煤>原生结构煤,揭示了煤吸附甲烷过程中的能量控制机理。     

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。     

联合微米CT和高压压汞的致密储层孔喉网络结构差异定量评价

阐明致密储层孔喉网络结构特征对明确油气富集主控因素,预测有利储层分布具有重要意义。联合微米CT和高压压汞技术,构建包括主流孔喉半径、幂指数、孔隙连通率和多重分形维数在内的孔隙结构参数,对鄂尔多斯盆地延长组长8—长6段孔喉半径分布、孔喉网络非均质性和连通性及其差异进行定量评价。结果表明,长6和长8段样品孔径分布特征较好,长6段主流孔隙半径为2.27 μm,幂指数最小,储集能力最强。长8段样品0.1~0.5 μm的喉道比例最高,对储层可动流体分布的控制作用最强。不同层段样品非均质性差异明显,在半径大于1 μm区间内,长7段非均质性最弱,孔隙结构最好。长7和长6段样品的孔隙连通性要好于长8段,配位数和孔体积的有利匹配能提高储层孔隙连通性。     

煤孔隙结构构造变形的压汞法和小角X射线散射表征

依托渭北煤田韩城矿区煤样,采用压汞法和小角X射线散射技术(SAXS),结合孔隙分形表征,从分形特征的角度探讨了构造变形对煤孔隙结构的影响程度。结果表明,煤的孔隙分形维数定量表征了构造煤孔隙结构的差异性变化及其非均质性。强构造变形煤具有较高的渗流孔分形维数(DHg),孔隙结构及表面非均质性较高,而渗透率较低,说明强烈构造变形所导致的复杂孔隙结构是构造煤储层低渗透的原因之一。吸附孔孔隙表面分形维数(DSAXS)随着构造变形的增强而增大,表明变形作用造成煤孔隙表面结构在微观上变得复杂。研究认为,分形维数可以指示煤中孔隙结构的构造变形程度。     

不同温度作用下油页岩内部孔隙结构精细表征

利用显微CT试验分析系统和压汞仪,对取自抚顺西露天矿的油页岩试样经过高温作用热解后的孔隙结构进行度量表征,得出:(1)300～600℃温度段是抚顺油页岩内部有机质热解的主要阶段;(2)在显微CT能分辨的孔隙尺度(1.94μm)范围内,油页岩的孔隙不发育;在压汞法测定的孔隙尺度(7nm～1.94μm)范围内,油页岩的孔隙较为发育。高温作用后,油页岩内部的有机质不断发生热解,各孔径阶段的孔隙不断形成,孔隙结构也在发生变化,各孔径阶段的孔隙逐渐连通,超大孔(1.94μm)和中孔(0.1～1μm)的孔隙率逐渐增大,小孔(0.01～0.1μm)和微孔(0.01μm)的孔隙率也基本处于增大的状态,为油气物质的产出提供通道。     

重复脉冲强冲击波对肥煤孔隙结构影响的实验研究

利用自行搭建的重复脉冲强冲击波煤体致裂实验平台,以肥煤为研究对象,在2种实验条件下分别对2块煤样进行了重复冲击实验,采集每块煤样在不同冲击次数下的样品,通过扫描电镜、压汞、核磁共振、氦孔隙度和空气渗透率等实验,对煤的孔隙结构和渗透性变化特征进行了研究。结果表明：随冲击次数的增加,整体上煤的孔容、比表面积、孔隙度、孔径分布范围均有增大趋势;大孔和中孔孔容增加显著,孔隙度增幅高达74%,孔径分布范围由最初的分散孤立逐渐变得连续;开放孔增多,孔隙连通性增强,渗透性增加,孔隙结构得以改善。分析认为重复脉冲强冲击波可以有效地改善煤的孔隙结构,提高煤储层的渗透性,有利于煤层气的产出。     

基于分形表征的粗糙微纳米孔隙瓦斯气体传输方程

为揭示煤体孔隙内表面粗糙微结构对瓦斯传输的影响机制,准确研究粗糙孔隙中的瓦斯气体传输规律,运用自相似特性分形理论推导出了微纳米孔隙内壁面粗糙元有效平均高度和孔隙有效半径的精确数学表达式;采用Optical Tensiometer设备对取自煤体孔隙内壁表面进行3D形貌结构量化分析,将所得关键参数代入相对粗糙度表达式求得对应值为0.352;结合流体速度滑移效应和分子扩散传输机理,推导出了粗糙微纳米孔隙中的瓦斯气体滑流修正传输方程和非连续流扩散传输方程,再通过等效转换原则推导出微纳米孔隙内的视渗透率模型;考虑到煤体纳米级孔隙难以进行精确测量表征和规避孔隙连通性对气体传输的影响,选取结构规整的纳米级圆孔阳极氧化铝薄膜作为气体流动通道载体;基于气体压差穿透实验原理,利用实验室PMI微渗透率设备进行了纳米级孔隙薄膜的渗透性实验,将实验结果所测得的渗透率数据与本文理论模型计算值进行了对比分析。研究结果表明:基于分形表征建立的粗糙微纳米孔隙瓦斯气体传输方程合理可靠,考虑孔隙粗糙度对瓦斯流动的影响是应该且必须的,以分形理论表征的孔隙相对粗糙度公式比前人所提出的孔隙粗糙度经验性公式更为精确,研究结果可为在分形拓扑领域中构建自仿射粗糙微通道的气体流动模拟研究工作中提供借鉴。