等压扩散下CO2对不同变质程度煤中CH4置换效应的影响

为了研究等压扩散条件下不同变质程度煤中CO₂置换CH₄特征规律,选择无烟煤、瘦煤和气肥煤3种煤样,进行了不同等压扩散压力下的等压扩散置换实验。实验结果表明:随着煤变质程度的增加煤吸附CH₄和CO₂的能力表现出逐渐增强的趋势,且CO₂的吸附量大于CH₄的吸附量;随着实验点扩散压力的增加,CO₂对CH₄的绝对置换量和置换率均随之增加,CO₂对CH₄的注置比却随之降低。在实验煤样变质程度范围内,CH₄置换率与煤变质程度和CO₂注置比均呈负相关关系。研究成果对井下注CO₂置换煤层CH₄的工程技术和理论具有指导意义。      

ScCO2-H2O作用下不同煤级煤化学结构变化的实验研究

超临界二氧化碳（ScCO₂）–H₂O–煤地球化学反应可造成煤物理结构和化学结构的改变,对煤层注CO₂增采甲烷的有效性尤为关键。为了探讨ScCO₂-H₂O-煤反应对不同变质程度煤化学结构的影响,选择3个不同煤化程度煤样,在自主研制的ScCO₂-H₂O-煤地球化学反应模拟实验装置中模拟1000m埋深条件下煤样与ScCO₂和去离子水反应240h,并对反应前后的煤样分别进行了X射线衍射和拉曼光谱实验,对比分析了反应前后煤样晶体结构和碳有序度的变化特征。测试结果表明:ScCO₂-H₂O反应破坏了煤的晶体完整性和碳有序度,改变了煤的大分子结构,且对低阶煤和中–高阶煤具有不同的影响,反应提高了低阶煤的平行定向程度,使其结构更加紧凑,减小了面网间距,而使中–高阶煤中无序单元增加,面网间距增大。该研究结果为CO₂-ECBM项目实施中ScCO₂-H₂O作用对煤储层吸附解吸特征和孔渗特征影响的研究奠定了微观尺度基础。      

沁水盆地南部深部煤层超临界CO2吸附特征及其控制因素

为揭示深部煤层超临界CO₂（ScCO₂）吸附特征及其控制机理,以沁水盆地南部余吾矿、寺河矿、成庄矿的3号煤为研究对象,通过自制等温吸附仪进行了不同温度（45℃,62.5℃,80℃）、最高压力达到CO₂超临界压力以上时的等温吸附实验。研究结果表明:高温高压条件下ScCO₂吸附曲线不同于常温常压下CO₂吸附曲线,随压力升高ScCO₂过剩吸附量和绝对吸附量分别呈4段式和3段式变化,ScCO₂达到过剩吸附量峰值出现的压力点具有随温度升高向高压增高的特征;ScCO₂过剩吸附量远低于绝对吸附量,无法采用Langmuir吸附模型进行解释;温度对ScCO₂吸附抑制明显,水分对ScCO₂吸附没有起到抑制作用,灰分含量较高对ScCO₂吸附量有明显抑制作用,煤中高镜质组含量和高R_max对ScCO₂吸附具有较明显的促进作用;超临界状态下煤对ScCO₂的吸附量大小由微孔和过渡孔所控制,且与微孔比表面积大小有关,高变质煤对ScCO₂的吸附能力降低可能是因微孔中矿物充填所致。      

超临界CO2注入煤层对顶板岩石纵波速度及力学响应特征研究

深部煤层CO₂地质封存与CH₄强化开采(CO₂–ECBM)技术在提高煤层气采收率的同时可实现碳减排,具有能源和环境双重效益。超临界CO₂(ScCO₂)、水和煤层顶板之间的地球化学反应可改变其物理力学性质,增加CO₂泄漏的风险。以沁水盆地胡底煤矿3号煤层顶板岩石为研究对象,开展“ScCO₂–水–岩”地球化学反应模拟实验,探讨CO₂煤层封存条件下ScCO₂–水–顶板岩样地球化学反应过程及其对岩石纵波速度和力学性质的影响。结果表明:ScCO₂–水–岩之间化学溶蚀反应造成岩样Ca、Mg元素显著降低,促使岩样表面形成孤立状溶蚀孔,并随着反应时间的持续,进而形成大量的“溶蚀坑”和“溶蚀缝”;增加了岩样结构不连续性,使得声波传播路径增大、能量损失加剧,导致纵波波速降低;ScCO₂–水–岩反应后岩样的峰值强度和弹性模量降低,泊松比升高,且三者之间的变化率与反应时间之间呈现Logistic函数的变化关系。对于胡底煤矿而言,ScCO₂–水–岩反应过程中顶板力学性质的弱化不足以造成盖层的破裂和CO₂泄漏,但在评价煤层CO₂封存安全性时,还应考虑煤层吸附膨胀应力对顶板的影响。      

利用XRD法探讨邢台隆东井田煤变质规律

邢台隆东井田煤变质情况复杂,直接影响煤的工业利用。利用X-射线衍射(XRD)法探讨了区内不同变质程度煤的基本结构单元特征及煤变质规律。结果显示:垂向上,随着煤层埋藏深度的增加,层片间距d₀₀₂值逐渐减小,层片堆积高度L_c和层片直径L_a值逐渐增大;平面上,离岩浆侵入体越近,煤层的层间距d₀₀₂值越小,反之d₀₀₂值越大。在煤种分布上,因受岩浆热源的影响,井田内煤种以旧城为中心向外呈带状分布,旧城附近为无烟煤,向外逐渐过渡为贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤和气煤。区内煤变质作用主要受区域变质作用影响,并叠加了岩浆热变质作用。      

超临界状态下煤岩吸附/解吸二氧化碳的实验

查明超临界状态下煤岩对CO₂的吸附/解吸特征,能为煤层气开采现场注CO₂的注入参数选取提供理论依据。以山西屯留矿的瘦煤和寺河矿的无烟煤为研究对象,借助ISO-300型等温吸附实验仪分别进行了不同温度(35℃、45℃、55℃)、最高压力达到CO₂临界压力以上时的吸附/解吸实验。结果表明:超临界状态下,随着压力升高,容量法测得的吸附量存在最大值,不代表煤样的绝对吸附量,而是Gibbs吸附量;根据煤岩在高压下吸附CO₂的本质,计算出超临界状态下煤岩吸附/解吸CO₂的真实量。超临界状态下煤岩吸附CO₂的真实量与压力之间符合langmuir吸附曲线,随着吸附压力的升高,Gibbs吸附量与绝对吸附量之间的差值越来越大;随着温度的升高,煤样的饱和吸附量降低;同样条件下,高变质程度的无烟煤对CO₂的饱和吸附量大于瘦煤;超临界状态下煤样对CO₂的绝对吸附等温线和绝对解吸等温线是可逆的。      

超临界CO2参与下煤储层原位微生物甲烷化物理模拟研究

超临界CO₂能够破坏煤分子结构,提高生物甲烷的产量。为研究微生物在超临界CO₂参与的煤储层原位条件下的产气潜力,以新疆地区某煤层气区块目标煤层的初始储层压力、温度和气体组分作为原位储层条件,通过自主设计的煤储层原位厌氧发酵装置,模拟煤储层原位储层条件下的厌氧发酵过程,并对生物气产量、煤的官能团结构和微生物群落结构进行了分析。研究结果表明,在超临界CO₂参与的煤储层原位条件下,生物甲烷产量达到了32.9 mL/g,CO₂的生物转化率为17.4%。FTIR光谱表明,原位条件下微生物对苯酚、醇、醚、酯中含氧基团的降解能力要强于常规条件下的厌氧发酵。超临界CO₂参与下的储层原位厌氧发酵系统中,多种产甲烷代谢途径的产甲烷菌(氢营养型、乙酸营养型和甲基营养型)逐渐向单一的氢营养型产甲烷菌演化。高压环境下,细菌群落中芽孢杆菌Solibacillus silvestris成为水解产酸发酵阶段的优势菌。该研究为煤层气生物工程的现场实施和碳减排提供了实验基础。      

深部煤层CO2注入过程中煤体积参数变化的模拟实验

CO₂注入煤层会改造储层孔裂隙结构,对提高CO₂埋藏和强化甲烷抽采能力产生重要影响。为探究CO₂注入后的煤体结构演化规律,选择山西沁水盆地寺河矿无烟煤和新源矿焦煤样品进行模拟实验,通过测试并分析CO₂注入前后煤体积参数的变化,得到以下结论:CO₂的注入可以溶蚀煤中矿物,增加连通孔隙体积并引起有机质的膨胀;矿物溶蚀对孔隙体积变化的贡献不显著,却导致大量封闭孔转换为连通孔,其中大于40μm的大孔孔隙体积增幅最大;有机质的膨胀量较大,其对孔隙的挤压作用可能会降低煤体的连通性;CO₂注入对煤体结构的改造作用受煤级和模拟埋深条件的共同影响。      

不同含水性无烟煤CO2吸附行为及其对地质封存的启示

深部煤层CO₂地质封存是助力“碳达峰碳中和”战略的重要途径,煤层含水性对以CO₂吸附封存为主的深部煤层CO₂地质封存能力影响显著。以无烟煤为例,开展了45℃下干燥、平衡水、饱和水煤样高压CO₂等温吸附实验,校正了饱和水煤样过剩吸附曲线,利用改进的D-R吸附模型拟合得到三者吸附能力与吸附热,对比了不同含水条件下CO₂绝对吸附曲线,阐释了饱和水增强无烟煤吸附能力的微观作用机理。结果表明:(1)干燥、平衡水、饱和水煤样CO₂吸附能力分别为56.72、45.19和48.36 cm3/g,吸附热分别为29.42、26.23和27.24 kJ/mol。(2) CO₂密度小于0.16 g/cm3(6.48 MPa)时,无烟煤CO₂绝对吸附量大小顺序为干燥煤样、饱和水煤样和平衡水煤样,而CO₂进入超临界状态后,顺序变为饱和水煤样、干燥煤样和平衡水煤样。(3)水分子优先占据高能吸附位是平衡水煤样吸附能力减弱的主要原因,而煤?水体系与CO₂相互作用强于CO₂与H₂O竞争吸附下的煤?CO₂相互作用是饱和水煤样在CO₂超临界阶段吸附能力高于干燥煤样的根本原因。(4)吸附封存是煤层CO₂地质封存的主要形式,深部煤储层条件下,煤层饱和水对超临界CO₂增储作用更为明显,高压注水是提高深部煤层CO₂地质封存潜力,改善煤储层渗透性的有效手段。      

深部煤层CO2注入煤岩力学响应特征及机理研究进展

为揭示CO₂注入煤岩力学响应特征及机理,回顾了CO₂注入煤岩力学性质影响因素、CO₂注入对煤岩大分子-孔隙-裂隙结构改造作用和煤岩力学参数的统计模型、理论模型与智能预测模型.结果表明:CO₂注入煤岩力学性质受控于煤阶、CO₂压力、水分、围压和时间等因素,CO₂注入压力的增高、水的加入及时间的延长均会进一步降低煤岩力学性质,而围压对CO₂注入力学性能弱化具有一定改善作用.CO₂水溶液通过溶胀作用、萃取作用和塑化作用促使煤岩大分子结构重组,通过微晶结构改变、化学溶蚀和非均匀变形改造煤岩孔隙结构,通过化学溶蚀、膨胀应力和化学-应力耦合作用诱发煤岩结构损伤,均不同程度引起煤岩力学性能弱化.在CO₂注入煤岩力学参数预测模型中,类Langmuir模型、广延指数模型和修正的粘聚力模型具有明确的物理意义,而智能预测模型具有更高的预测精度,预测准确度可达99%以上.本次研究为科学评价CO₂-ECBM安全性和促进深部煤层CO₂高效注入奠定了理论基础.      

高温高压下超临界二氧化碳作用对花岗岩力学性质影响的试验研究

为了研究二氧化碳基增强型地热系统核心及邻近区域中超临界二氧化碳(ScCO₂)作用对岩石力学性能的影响,设计了纯ScCO₂与干燥花岗岩作用,ScCO₂、水蒸气与干燥花岗岩作用,ScCO₂与在水中浸泡了24 h后的花岗岩作用3种试验条件,每种试验条件下均开展了210、240、270℃温度下的试验。对ScCO₂作用后的岩样以及一个未经处理的对比样先后开展纵波波速测试以及单轴压缩试验,获得了岩石的纵波波速、单轴抗压强度以及弹性模量。纵波波速试验结果表明,在上述3种试验条件下,花岗岩样的波速会都会发生一定程度的降低。单轴压缩试验结果表明,ScCO₂作用后的岩石单轴抗压强度及弹性模量都几乎没有受到影响,但是从破坏模式看,未经处理的岩石以张拉破坏为主,处理后的岩石以剪切破坏为主,并且随着温度的升高剪切破坏越明显。试验结果说明,在不存在水或者仅有微量水存在的情况下,ScCO₂的作用对岩石产生轻微损伤,岩样的刚性减弱、塑性增强,导致其纵波波速有少量的下...     

CO2注入对煤储层应力应变与渗透率影响的实验研究

以沁水盆地成庄矿煤样为研究对象,利用实验室自主研发的CO₂注入与煤层气强化开采实验模拟装置进行不同有效应力和CO₂吸附压力下的煤岩渗透率测试。实验结果表明,煤岩的裂隙压缩系数受到CO₂吸附的影响,初始状态下、亚临界CO₂吸附和超临界CO₂吸附煤样裂隙压缩系数分别为0.066、0.086和0.089。引起裂隙压缩系数改变的原因主要有两方面:CO₂和煤中矿物反应提高了煤基质的不连续性;CO₂软化了煤基质同时降低了煤岩的力学性质。利用考虑吸附应变以及内部膨胀系数的渗透率模型对实测渗透率进行拟合,发现有效应力和内部膨胀系数成正比。CO₂吸附压力和有效应力的增大均提高了煤岩的内部膨胀系数,这影响了煤岩孔裂隙的开度,降低了煤储层的渗透率,并最终降低CO₂在煤储层中的可注性。