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。     

液氮冷浸前后煤体的微观结构精细化表征方法研究

随着煤层增透技术的发展，液氮冷浸致裂煤体促进瓦斯抽采的研究取得了广泛关注。为研究液氮冷浸对不同煤质煤体微观结构的改造效果，分别采用电镜扫描仪、压汞仪和低温氮吸附仪对液氮冷浸前后不同煤质煤样（贫煤、肥煤和无烟煤）的微观结构进行了联合表征，对比分析了液氮冷浸对不同煤质煤样孔体积、比表面积分布情况的影响。结果表明：液氮冷浸煤体产生的热应力大于煤的抗拉强度，导致煤的微结构破坏，出现微裂隙萌生或颗粒脱落等现象，显著增加煤的透气性；液氮冷浸后不同煤质煤样的总孔体积和比表面积均增大，肥煤总孔体积增长率最小，其次是无烟煤，贫煤总孔体积增长率最大；液氮冷浸促使煤样内部微孔、小孔、中孔及宏孔/裂隙的孔体积均增大，促使煤样内部大孔贯通形成宏孔/裂隙，导致大孔的孔体积减少；液氮冷浸后各煤样的孔比表面积均集中分布在10～100 nm，并有明显的峰值特征；液氮冷浸促使贫煤、肥煤和无烟煤煤样的吸附量增大，且处于中高压区(0.4

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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。     

煤体解吸甲烷规律及解吸后微结构特征研究

在新兴能源产业提质增效的迫切要求下,积极推进煤层气产业发展对于缓解目前国内能源现状具有重要意义。地层应力约束下煤储层吸附解吸瓦斯特征直接关系到瓦斯抽采作业的布置方式。基于此,对应力约束状态下煤体对甲烷的吸附和解吸特征进行了试验研究,同时对解吸甲烷后煤体内部结构特征进行了CT扫描测试和分析。结果表明：煤体对甲烷的吸附量与孔隙压力几乎呈线性关系,符合Langmuir模型|80℃是煤体解吸甲烷较为合理的温度点|解吸甲烷后煤体内部会形成较多孔隙,发育较多的次生裂隙,不同层位孔隙率在6.32%～9.38%之间,平均孔隙度可达7.4%|在不同类别孔隙中,孔径低于30μm的孔裂隙比例高达76.36%|总体上,煤体中孔径较小的孔裂隙结构是甲烷解吸、扩散以及运+移的主要通道。     

基于低温液氮浸溶处理的淮南矿区松软中阶煤孔隙特征

为了研究低温液氮浸溶处理对淮南矿区中阶煤孔隙结构及其分形特征影响,采用不同液氮浸溶时间处理煤样,通过压汞法和液氮吸附法对煤体的孔隙结构加以测定,结合分形理论从多角度分析不同浸溶时间下煤体孔隙的发育规律及其尺度特征。结果表明：随着液氮浸溶时间的增加,煤体总孔容由198.089×10-3 cm3/g上升至371.553×10-3 cm3/g,总比表面积则由4.984m2/g下降至4.496 m2/g,效果显著;煤体吸附孔减小,渗流孔增加,吸附孔的孔隙连通性增加形成更大级别的孔隙,逐渐向渗流孔转变;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数与液氮浸溶时间呈现负线性相关,液氮浸溶对于渗流孔分形维数比对吸附孔分形维数的影响程度更为显著;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数随着液氮浸溶时间的增大逐渐降低,表明了煤体内部孔隙随着液氮浸溶时间的增大结构复杂程度降低,孔隙之间的贯通性增强,煤体孔隙度和渗透性的增加;综合分形维数随着煤体平均孔径和总孔体积的增加而减小,随着总比表面积的增加而增加,随着液氮浸溶时间的增加,煤体综合分形维数下降,煤体的吸附能力有所减弱,渗流能力有所增强,有助于提升淮南矿区低渗煤层煤层气抽采效果。     

瓦斯压力对煤体吸附特性及结构影响实验研究

为深入研究煤体在不同压力条件下吸附瓦斯特性及煤体孔隙结构变化特征,利用核磁共振(NMR)技术对煤体吸附瓦斯进行实验研究。实验结果表明:实验煤样的微小孔峰面积中大孔峰面积裂隙峰面积,表明煤样的微小孔最为发育,煤体孔径以微小孔为主,空隙之间的连通性不强,瓦斯不易流通;随着压力的增加,当瓦斯压力达到一定程度后,煤体会产生新的孔隙,微小孔隙相连通构成了微孔或者中孔,中孔相互连通形成了裂隙,为下一步解吸瓦斯的流通提供了条件,出现瞬时的瓦斯快速解吸;煤样瓦斯吸附解吸特征按照峰值前后分为上升阶段、变化剧烈阶段和基本不变阶段,总体规律上,煤体瓦斯吸附量随着瓦斯压力的增大而增加;在不同的瓦斯压力作用下,核磁共振T_2谱图核磁信号幅度发生显著变化,T_2谱图分布面积与瓦斯压力呈线性关系逐渐增长,即煤体孔隙度随瓦斯压力增加而增加。     

功率声波激励下无烟煤孔隙变化及裂隙发育研究

为了最大程度的提高煤层气的抽采效率和抽采量,采用超声波激励煤层气储层致裂来提高储层透气性。通过核磁共振技术来检测超声波致裂煤体过程中煤体内部孔隙孔径和数量的演化规律,并使用热成像、数字式照相机和P波岩石测量系统来监测和分析煤体裂隙发育过程。实验表明:随着超声波致裂的进行,煤体内部孔隙的孔径和数量都有增加,孔隙率提高了120.5%;整个致裂过程分成3个阶段进行,不同孔径孔隙起裂按时间排序为"微孔→中孔→大孔和裂隙";P波测试证明超声波能够激励煤体内部和表面形成裂隙网,大幅提高煤体透气性,由于任何含水的孔隙都是超声波致裂的起裂点,较于传统的致裂措施超声波致裂影响范围更广,需要的能量也更少。     

低温循环致裂煤体孔隙结构演化规律试验研究

针对我国单一低透气性煤层常规钻孔瓦斯抽采困难的问题,提出了低温循环致裂增透方法。该方法将液氮等低温介质注入煤体,实现煤体的降温冻结;之后冻结煤体从周围煤岩吸热融化,循环地注入低温流体可使煤体产生交变的冻结-融化现象,从而改变煤体的孔隙结构和渗透性。采用冻融机对饱水煤样进行了共20次循环的冻融试验,并利用核磁共振测试方法,分析了低温循环冻融作用下煤体孔隙结构特征的演化规律。研究结果表明:随着冻融次数的增加,煤样的中、大孔占比、总孔隙度、有效孔隙度和渗透率显著增加,表明多次冻融能使煤体孔隙数量增加,尺寸变大,连通增强,从而形成交织贯通的孔裂隙网络,使煤体透气性大幅增强。     

高压电脉冲对烟煤微观孔隙结构的影响作用

煤体微观孔隙结构特征对瓦斯解吸流动至关重要,本文利用高压脉冲放电碎煤实验系统,对山西红柳煤矿的烟煤进行高压电脉冲击穿实验,结合扫描电镜和液氮吸附法分析煤样击穿前后孔裂隙的表面形态特征和孔结构的分布特征.同时在分形理论的基础上,应用盒子覆盖法分析了扫描电镜图像的分形特征,结合FHH方程计算了击穿前后煤样孔隙的液氮吸附分形...     

红外热效作用对煤体孔隙结构影响试验研究

结合我国现阶段煤层气开采效率低、产量少等问题,提出了利用远红外辐射作用开采煤层气新方法。通过进行红外热效作用对煤体孔隙结构影响试验研究,结果表明:红外辐射对煤体微观状态下的致裂、促进孔隙发育等效果能够影响煤岩比表面积变化,进而影响宏观的吸附性能;煤体在红外辐射作用下有利于裂隙的扩展发育,能够增加煤层气解吸运移通道,提高煤层气的解吸运移效率。     

液氮浸融对不同预制温度煤体损伤特性试验研究

为研究液氮对不同预制温度煤体浸融后的表面裂隙扩展规律和孔隙损伤特性,分别采用显微镜观测、超声波波速测试以及核磁共振测试技术对不同预制温度煤体液氮浸融前后其表面裂隙扩展规律、内部微裂隙发育规律、内部孔隙发育过程及孔径分布变化规律进行试验研究。试验结果表明,液氮浸融过程中随着预制温度的升高,煤体表面产生热应力随之增大,煤体特征裂隙面积增比也随之增大,且热应力增加与煤表面特征裂隙面积增比呈显著相关关系。煤体预制温度越高液氮浸融后煤体内部超声波波速下降越明显,且煤体孔隙度增比越大,微裂隙、孔隙发育越良好。液氮浸融过程中煤体孔裂隙发育存在两个阶段:第1阶段中,微小孔隙向中大孔隙的转化数量大于微小孔自身新生数量,表现为液氮浸融后煤体微小孔数量减少,中大孔数量增加。随着煤体预制温度升高变为第2阶段,微小孔隙新生数量大于其向中大孔隙的转化量,表现为液氮浸融煤体后全孔隙段孔隙数量均增加。液氮浸融不同预制温度煤体后其特征裂隙增比-声波波速变化率-孔隙度变化率3者之间存在正相关关系。以上结果表明,煤体预制温度因素对液氮浸融后煤体表面裂隙发育及孔隙损伤特性影响显著,且液氮浸融不同预制温度煤体其表面裂隙扩展和内...     

逆断层区域煤体孔隙结构及瓦斯吸附解吸特征研究

为了研究逆断层对煤体孔隙结构和瓦斯吸附解吸特征的影响,以贵州新春煤矿1503回采工作面为研究对象,选取与逆断层不同距离煤体煤样分别开展扫描电镜试验低温液氮吸附试验,得出煤体距离逆断层越近,受逆断层构造影响越严重,煤样孔容、比表面积提高,在相对压力0.4～0.5的区域低温液氮吸附回归曲线内存在轻微的拐点,说明煤样中存在丰富的墨水瓶孔;通过研究与逆断层不同距离煤体瓦斯吸附解释规律,得出瓦斯解吸量均随着平衡压力的升高而增大,在相同解吸平衡压力下,距离逆断层最近的煤体结构被改造越强烈,瓦斯吸附性能相对最强,瓦斯吸附量和吸附速率越大,并且解吸能力也相对越强。     

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。     

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。     

贫煤孔隙特征及其对瓦斯解吸的影响

为了研究贫煤孔结构特征对瓦斯解吸规律的影响,采用低温液氮吸附法针对5个贫煤煤样的纳米级(100nm)孔隙结构进行了分析。同时根据瓦斯解吸实验,将实验结果与煤的孔隙结构特征相结合,分析纳米级孔隙结构对煤体瓦斯解吸的影响。结果表明:贫煤的小孔(10~100nm)和微孔(10nm)发育,微孔主要占据了孔隙的比表面积,决定瓦斯解吸特性,在相同平衡压力条件下,瓦斯解吸量随比表面积的增加而增加,呈现出较好的线性关系;孔比表面积是影响解吸量的主要因素,而孔容与瓦斯解吸量的关系不明显。研究结果对煤矿瓦斯涌出量预测具有重要意义。     

液氮致裂烟煤渗透率及其应力敏感性研究

为了研究液氮致裂条件下烟煤渗透率及其应力敏感性演变规律,取许疃煤矿自然含水率烟煤进行了多次液氮致裂实验,分析了液氮致裂前后不同应力条件下渗透率变化特征,探究了液氮致裂作用对煤应力敏感性影响规律。结果表明:恒定围压下渗透率随着有效应力减小,呈现出先减小后增大的趋势,符合二次函数分布;多次液氮致裂能有效提高煤体渗透率,渗透率随致裂次数的增加而增加,但增长速率逐渐变缓;定义了渗透率离散度来表征改变气体压力所引起渗透率值改变的波动范围,渗透率离散度经过第一次液氮致裂后有明显增加,而其余几次液氮致裂波动范围很小;在同一气体压力下,围压敏感性系数随着围压增大而减小,渗透率损害率随着致裂次数和气体压力增大而增大;第一次液氮处理对煤体渗透率和应力敏感性影响最为显著,后几次液氮处理影响较小。     

合阳矿区煤体孔隙结构对瓦斯吸附-渗流特性影响的实验研究

为了研究合阳矿区煤体的孔隙结构对瓦斯吸附-渗流特性的影响,采用低温液氮吸附实验、压汞实验及扫描电镜实验相结合的方法测试了该矿区原生结构煤和软分层煤全孔径孔隙结构特征。结果表明:低温液氮吸附实验得出软分层煤样比原生结构煤样脱附曲线的拐点更加明显,软分层煤样含有更多的狭缝平板孔和墨水瓶孔孔隙。压汞实验测得软分层煤样总孔容是原生结构煤样总孔容的2倍多,应力破坏作用使得软分层煤样中孔、小孔及微孔孔容增大,而大孔孔容减小。扫描电镜实验显示软分层煤的储层物性发生了改变、惰质组破裂产生角砾且孔隙表面有多个气孔密集发育。通过分析得出,合阳矿区煤体孔隙结构中多以微孔和小孔为主,利于煤层瓦斯吸附而不利于渗流扩散。     

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。     

结合孔隙结构分析热蒸汽对煤体瓦斯解吸的影响

为了探究热蒸汽对煤体瓦斯解吸能力的影响,以阳泉新元煤矿贫煤为研究对象,采用压汞法分析了热蒸汽处理前后煤体的孔隙结构演化,结合吸附—解吸试验,用解吸率和解吸时间临界值表征热蒸汽和水分对煤体瓦斯解吸的影响。结果表明:(1)热蒸汽处理后煤体的总孔容、滞后环面积、孔隙率、渗透率及平均孔径均有增大,煤体小孔向大孔发育,闭合孔隙向开放孔隙转变,孔隙结构的连通性明显提升;(2)煤体瓦斯解吸率随着平衡压力增大而增大;热蒸汽的使用有效促进煤体残余吸附瓦斯的解吸,消除了煤体中水分抑制瓦斯解吸的影响,瓦斯解吸率明显增大;(3)热蒸汽作用下煤体瓦斯解吸时间效应临界值明显降低,解吸达到平衡所需的时间缩短,解吸效率显著提升。该研究为煤层注热强化煤层气开采提供了一定的理论依据。     

循环冷加载条件下受载煤样结构损伤规律

煤体是具有孔隙、裂隙结构的固体介质,孔隙的贯通程度、裂隙的宽度是煤层渗透能力的重要指标,为了使煤体裂隙结构发生损伤而达到增透的目的,对三轴受载煤样进行注液氮冷加载实验,利用液氮注入钻孔煤实验装置系统对煤样施加4 MPa围压,分别进行多周期冷加载作用,通过高倍相机、金相显微镜、声波测速仪和CT成像系统观测煤样表面裂隙宽度、波速衰减率及内部结构损伤情况。根据单轴压缩实验的应力-应变曲线,分析煤样结构随冷加载周期的变化规律。结果表明:(1)煤样裂隙结构损伤程度随冷加载周期的增加而增大,损伤速率随注液氮周期的增加呈现先增加后降低的非线性变化规律;(2)煤样经6周期注液氮冷加载后表面发生颗粒脱落,经过7周期注液氮冷加载后发生宏观碎裂;(3)冷加载对煤样原生裂隙损伤效果显著,并沿着层理方向延伸。液氮冷加载能使煤体结构发生显著损伤,这为冲击地压灾害防治与瓦斯治理提供了新的方法。