不同煤级煤的微孔介孔演化特征及其成因

为了探讨煤的微孔介孔演化特征及其成因,在华北二叠纪煤盆地,采取7个不同煤化程度的煤样,分别采用低压CO₂吸附法和液氮吸附法对各煤样的纳米孔隙进行表征;基于密度泛函理论、DA（Dubinin—Astakhov）、DR（Dubinin—Radushkevich）、BET、BJH等方程计算孔隙表面参数;分析煤的微孔（孔径<2 nm）和介孔（孔径2~50 nm）的孔径分布、孔容和比表面积随煤级变化的规律;并探讨微孔形成的主控因素及介孔的形成机制。研究结果表明:微孔孔容和比表面积与煤的镜质体反射率高度正相关,微孔在吸附中占绝对支配性主导地位;微孔孔径分布曲线呈双峰分布,不同煤级煤样的曲线形态相似,极微孔随煤级增加最快;介孔比表面积和孔容随煤级增加逐渐下降,介孔孔径分布呈单峰分布,随着煤级的增加,煤的BET比表面积先减少后增加,呈U形分布;微孔的形成应主要受控于煤的类微晶参数和芳香层片间的堆垛结构,而介孔的形成应主要受控于煤侧链的变化和煤的基本结构单元间隙。      

煤储层纳米孔隙结构及其瓦斯扩散特征

研究煤复杂发育的孔隙结构对揭示煤层气体赋存机理及扩散运移规律有重要意义.为了研究煤的纳米孔隙结构,利用SEM、液氮吸附、小角X射线研究了不同煤阶煤的纳米孔隙在形式和分布上的非均匀性.实验煤样煤基质中的孔呈多峰分布,且孔径范围主要集中在2~10 nm.煤样低温液氮吸附实验测得煤样的吸附量为3.676 cm3/g,煤样的比表面积为1.416 m2/g.以最可几孔径作为研究对象,在实验压力范围内,吸附压力越大,最可几孔径变大的越多;瓦斯气体在纳米级孔隙结构中的扩散模式以过渡型扩散为主,微孔更发达的煤样中,扩散更接近Knudsen型扩散,中孔更发达的煤样中,扩散更接近Fick型扩散;Knudsen数与温度呈负相关关系,温度高于250 K后,Knudsen数趋于稳定,与压强呈正相关关系,压强越大,扩散越容易.      

姚桥矿7号煤层垂向孔隙结构及分形特征研究

煤孔隙结构特征对煤储层流体的赋存与运移起关键作用。为研究姚桥矿7号煤层的孔隙特征,采用刻槽取样法自下而上等距采样,选取不同深度的9个样品,通过低温液氮吸附和低场核磁共振等实验方法进行测试,结合分形理论,系统分析了7号煤层的孔隙结构特征,探讨了各孔隙参数和分形维数在垂向上的变化趋势。研究表明：样品低温液氮吸脱曲线可分为L1、L2和L3三种类型,低场核磁共振T₂谱均呈三峰分布;煤样孔隙微孔和过渡孔较为发育,微孔和过渡孔提供主要的比表面积、孔体积,BET比表面积为0.722～1.199 m²/g,BJH比表面积为0.941～1.535 m²/g,BJH总孔容为0.002 97～0.004 76 cm³/g,比表面积与孔体积垂向上呈不规则“M”状分布,平均孔径为12.832～15.100nm,在垂向上呈倒“M”状分布;低温液氮吸附实验分形维数可分为表面分形维数和结构分形维数,表面分形维数D₁为2.306～2.374,结构分形维数D₂为2.592～2.624,低场核...     

水浸干燥后煤的孔隙结构及瓦斯吸附特性变化规律

在富含水煤系或水力措施后的煤层中,受水溶液的浸泡,煤的孔隙结构及吸附特性发生改变,为了深入研究其变化规律,在实验室利用蒸馏水对2种不同变质程度煤样进行了长时间（60 d）浸泡,采用低温N₂吸附实验和CO₂吸附实验测试水浸前后煤样的孔隙结构变化规律,采用高压容量法测试水浸前后煤样的瓦斯吸附特性。结果表明,水浸干燥后煤体孔容和比表面积总体呈降低趋势。其中,低温N₂吸附实验结果表明,煤体中大中孔的比表面积最高可降低48.9%;CO₂吸附实验结果表明,水浸干燥后2种煤样的微孔孔容和比表面积也呈不同程度的降低趋势。将水浸煤样孔隙结构变化分为3个阶段,即矿物质溶出“增孔”阶段、煤基质局部膨胀变形“缩孔”阶段和煤基质整体溶胀变形“扩孔”阶段。此外,水浸干燥后煤对瓦斯的吸附能力下降,主要是由于水浸促使煤体产生膨胀变形,且导致微孔隙相互连通,从而降低了煤体微孔孔容和比表面积,降低瓦斯吸附能力。研究成果对进一步掌握富含水煤系或水力化措施后煤层的瓦斯抽采具有指导意义。      

脉冲超声波激励对煤的孔隙全尺度改造效应

为深入研究脉冲超声波激励对煤体孔隙结构的改造效应,利用含瓦斯煤体超声波激励实验系统,开展超声波功率800和1 000 W持续、交互脉冲下煤的超声波激励实验,综合低压CO2吸附、低温N2吸附和高压压汞等实验,研究煤的大孔(>50 nm)、介孔(2～50 nm)、微孔(<2 nm)全孔径段的孔隙参数演化规律。实验结果表明：脉冲超声波对煤的孔隙具有扩孔效应,煤的孔容占比以微孔和大孔为主,介孔占比最小,煤中各孔径段比表面积大小为：微孔>介孔>大孔;与未超声、持续超声激励煤样相比,脉冲超声波激励煤的各孔径段孔容和比表面积均有所提高;随脉冲次数增加,煤的孔容增幅和比表面积增幅呈正线性增大,其中大孔的孔容和比表面积增幅较为显著。脉冲超声波激励煤样形成水锤压力阶段和滞止压力阶段的持续转换,增加了煤的孔隙结构损伤程度。研发脉冲超声波发射器结合水力化技术,可提高煤的孔隙发育程度,增加煤体渗透性,提高瓦斯抽采效率。     

珠藏向斜煤样孔隙结构的差异性及其对渗流能力的影响

利用压汞、低温氮吸附、扫描电镜等手段,分析了织纳煤田珠藏向斜主煤层3件煤样(青山,国安,红岩脚)的孔隙结构与渗流能力。结果表明,3件煤样均以过渡孔为主,大孔与微孔占较大比例,中孔所占比例较低,孔比表面积都集中在过渡孔和微孔上;较大孔隙为开放性孔,较小直径的孔隙主要为半开放性孔,退汞效率高,孔隙连通性较好;青山煤样和国安煤样孔径-孔容分布的连续性较好,煤层气解吸-扩散能力可能更强;红岩脚煤样大孔段孔径分布连续性极差,部分孔隙孤立发育;青山煤样大孔段孔径分布连续性相对较好,发育未被充填的微裂隙和植物细胞孔。孔隙-裂隙的这一发育特征,可能是造成青山煤空气渗透率相对高于红岩脚煤的内在原因。     

两淮煤田煤储层吸附孔孔隙结构及分形特征

为了定量表征两淮煤田(淮南和淮北煤田)煤储层吸附孔孔隙结构特征,基于低温氮气吸附实验数据及FHH模型计算了吸附孔分形维数D_1(相对压力0~0.5)和D_2(相对压力0.5~1),讨论了分形维数与孔隙结构、物质组成以及煤变质程度之间的关系。结果表明,研究区煤样低温氮气吸附回线可以划分为3类:Ⅰ类,孔隙以"墨水瓶"或"细瓶颈"形孔为主,煤样具有比表面积大、平均孔径小的特点;Ⅱ类,孔隙多为开放性较好的平行板状孔,煤样比表面积和总孔体积较低;Ⅲ类,孔隙以狭缝形孔为主,煤样总孔体积和平均孔径较大。D_1与比表面积呈较强的正相关关系,代表孔表面积分形维数,D_2和平均孔径、微孔含量分别呈高度的线性正相关和负相关,代表孔结构分形维数,不同吸附脱附曲线类型煤样的分形维数D_1呈现出Ⅰ类Ⅲ类Ⅱ类的规律,D_2则呈现出Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类的规律,D_1、D_2与水分、灰分均呈正线型相关,与煤的R_(o,max)的关系并不明显。     

褐煤孔隙结构及比表面积特征

为揭示褐煤孔隙结构及比表面特征,选取全国主要褐煤产地样品,进行煤岩显微组分含量测定和低温氮吸附实验,从吸附曲线形态、比表面积、孔径结构分布刻画煤储层微孔隙特征,探讨孔径结构与比表面积的关系,分析BET比表面积与煤岩显微组分的相关性。结果表明:褐煤低温液氮曲线形态大致可以分为无吸附回线、有拐点的吸附回线和无拐点的吸附回线3类;BET比表面积随BJH总孔体积的增加呈线性增加趋势,在2~10 nm范围内的孔径和比表面积关系可以分为正相关、负相关和复合相关3种;显微组分组和比表面积的相关性较弱,但比表面积与细屑体含量具有较好的线性关系。      

低温氮吸附法判识构造煤的实验研究

煤体结构是煤与瓦斯突出防治和煤与瓦斯共采的重要地质因素之一。为了区分煤体结构在地应力作用下的破坏程度,采集了淮北矿业股份有限公司桃园煤矿8283采煤工作面煤样,基于自相似原理和实验室内对煤样的加压模拟实验,通过煤基质纳米级孔隙在低温氮吸附-解吸曲线上的响应对比分析,建立了低温氮吸附法判识煤体结构的方法,并对淮北矿业股份有限公司桃园煤矿10号煤层内1026和1035工作面煤体宏观结构及微观孔隙发育特征进行了对比研究。结果表明,煤体微观孔隙结构变化与构造煤发育程度密切相关;随着煤体破坏程度的提高,在吸附-解吸曲线上表现为吸附量明显增大,纳米级孔隙的比表面积和比孔容明显增加,平均孔径略有增加;构造煤解吸曲线上有明显的陡降点,而原生结构煤的解吸曲线不具有这个特征。     

高煤级Ⅲ无烟煤吸附甲烷的特征及其机制

对福建、京西地区高煤级Ⅲ无烟煤煤样分别进行了30℃条件下的甲烷等温吸附试验。结果显示,高煤级Ⅲ无烟煤对甲烷的吸附量要低于相同条件下的烟煤和高煤级Ⅰ、Ⅱ无烟煤。通过综合分析煤样的低温液氮吸附试验结果及其孔隙特征,结合煤结构理论和前期研究成果,分析认为:高煤级Ⅲ无烟煤的孔隙发育不均衡性、比表面积与孔容极小性以及芳香度高度缩合性,导致了其对甲烷的吸附空间大大减少,对甲烷的吸附量显著降低。研究成果对于丰富完善煤吸附气体理论,指导高煤级Ⅲ无烟煤地区矿井瓦斯治理及地面煤层气勘探开发都具有重要意义。      

煤的比表面积 孔体积及其对煤吸附能力的影响

在液氮温度下，通过测试煤样在气体饱和蒸气压力范围内对N2的吸附过程及吸附量，用BET降BJH理论模型计算出煤的孔体积和孔表面积。同时，对煤样进行等温吸附CH4试验，根据试验结果,探讨了煤的孔体积，孔比表面积及与孔类型的关系，及其对煤吸附能力的影响，即煤对CH4的吸附能力与总孔体积，总孔比表面积，微孔比表面积呈正相关。     

基于氮吸附法的页岩有机孔隙结构表征

页岩的微观孔隙结构对页岩气的赋存至关重要,气体吸附法可以较好对页岩的微观孔隙结构进行表征。通过测量丁页1井不同深度样品的矿物含量、RO值和TOC含量,结果表明丁页1井龙马溪组页岩样品的矿物含量比较稳定,有机质成熟度变化不大,均为过成熟。通过低温氮吸附法计算样品的比表面积和微、介孔容积和孔径分布,结果表明：（1）样品的平均孔径为2.8 ~ 4.9 nm,10 nm以下的孔隙提供了大部分的微、介孔容积。微、介孔容积为0.00136 ~ 0.0108 cm3/g,平均0.004 cm3/g,比表面积为2.54 ~ 13.69 m2/g,平均6.68 m2/g;（2）微、介孔容积、比表面积和TOC三者之间有很强的正相关性。通过计算TOC含量为0时的微、介孔容积和比表面积推算无机孔和有机孔之间的比例和其对比表面积的影响,发现有机孔提供了大部分的微、介孔容积,有机孔还是比表面积的主要贡献因素;（3）样品的吸附曲线符合IPUAC分类中的第IV型吸附曲线,样品的脱附曲线反映样品孔隙形态随TOC含量的增加,由楔形孔（不定型孔）变为连通的墨水瓶型孔（狭缝型孔）或墨水瓶型孔。     

应用高温甲烷吸附实验研究川东北地区五峰组页岩甲烷吸附能力

页岩甲烷吸附能力是决定页岩气井开采方案的重要参数,对评估页岩气藏潜力意义重大。干酪根类型、总有机碳含量、矿物组成、成熟度和孔径等是影响页岩吸附性能的因素,但针对高温高压下过剩吸附现象对页岩甲烷吸附能力影响的研究还需开展进一步的探索。为揭示四川盆地东北地区五峰组页岩甲烷吸附能力,本文通过场发射扫描电镜、低温氮气吸附和高压甲烷吸附实验,研究了高温高压下页岩的甲烷吸附能力,并分析了页岩孔隙结构等对页岩吸附能力的影响。结果表明:①五峰组页岩孔隙结构非均质性强,发育有机孔隙、粒(晶)间孔隙、粒(晶)内孔隙和粒(晶)间溶孔等多种孔隙;②比表面积平均为19.1282m^2/g;孔体积平均为0.0195cm^3/g;孔径平均为5.2226nm;③修正后的饱和吸附气量为2.56m^3/t;④五峰组页岩甲烷吸附性能受控于比表面积、孔体积;有机质含量越大、有机质热演化程度越低,其甲烷吸附性能越强;⑤孔隙结构是影响页岩甲烷吸附能力的重要内因。同时指出低压条件下的实验吸附曲线不适合直接评价页岩甲烷吸附能力。     

沁水盆地南部中高阶煤高压甲烷吸附行为

煤层气吸附作用是发生在煤基质内表面的物理过程,而煤岩复杂孔裂隙网络为高压甲烷吸附提供了丰富的空间。开展沁水盆地南部高阶煤30℃高压甲烷等温吸附实验,结合煤岩煤质参数与孔隙特征参数,通过改进的D-R模型分析了煤岩性质、孔隙特征与吸附参数的相关性。煤岩性质对最大吸附能力和吸附热参数的影响是多因素叠加的综合效应,而最大吸附能力与微孔体积,吸附体积校正参数与大中孔比表面积呈较好的正相关性,表明甲烷分子在煤基质内表面会根据孔径尺度大小呈现不同的吸附方式。据此提出高压甲烷在煤基质微孔中呈紧密堆积状态而在大中孔中呈多层分子堆叠状态的新认识,为进一步研究煤层气吸附机理提供了新的思路。      

煤岩演化程度对煤储层孔裂隙结构的控制作用

为研究煤岩演化程度对孔裂隙结构发育的影响,运用压汞、低温氮吸附/解吸、镜质组反射率测试和SEM、荧光显微观察等手段,分析煤岩变质程度对孔隙度、BET比表面积、BJH总孔体积、裂隙结构和密度等的影响。结果表明:随变质程度升高,煤岩孔隙度呈先增大后减小再略微增大的波动变化特征;微孔占比随煤岩镜质组反射率升高呈“U”形变化特征,小孔占比变化与之相反;煤岩BET比表面积和BJH总孔体积均随煤级升高呈“U”形变化特征;中高变质程度煤岩中B、C、D型裂隙密度随煤级的升高都呈“U”形变化,并在R_o,m=1.1%左右出现最小值,裂隙密度下降阶段中D型裂隙密度降低最快。结合镜质组反射率分析发现,煤岩孔(裂)隙的发育与煤岩演化的4次跃变有着密切关系。     

陆相页岩微观孔隙结构特征及对甲烷吸附性能的影响

页岩的微观孔隙结构对其甲烷吸附性能及页岩油气潜力具有重要影响,前人研究主要集中在海相页岩。该文以四川 盆地川西坳陷上三叠统须家河组五段为例,开展了陆相页岩的探索研究。首先通过低温氮气吸附实验对页岩样品的微观孔 隙结构特征进行了研究,计算了页岩的比表面积、孔径分布、孔体积和平均孔径等孔隙结构参数;然后通过高压甲烷等温 吸附实验,研究了页岩样品的甲烷吸附特征;最后探讨了页岩微观孔隙结构特征对甲烷吸附性能的影响。结果表明,须五 段页岩平均孔径为7.81~9.49 nm,主体孔隙为中孔,也含有一定量的微孔和大孔,孔隙形状以平行板状孔为主,含有少量 墨水瓶形孔。页岩比表面积高出常规储层岩石许多,有利于气体在页岩表面吸附存储,孔径在2~50 nm的中孔提供了主要 的孔体积,构成了页岩中气体赋存的主要空间。在85℃条件下,页岩甲烷吸附的兰氏体积为1.21~4.99 m3/t,不同页岩样品 之间的吸附性能差异明显。页岩的兰氏体积与比表面积之间呈现良好的正相关关系,比表面积与黏土矿物含量呈正相关, 而与总有机碳含量关系不明显。页岩的兰氏体积与微孔和中孔体积之间都具有良好的正相关关系,微孔体积和中孔体积与 总有机碳含量之间存在一定的正相关关系,但是正相关性的程度没有微孔体积和中孔体积与黏土矿物含量之间的关系强 烈。陆相页岩有机质热演化程度相对较低,因此有机孔发育有限：但另一方面同时黏土矿物含量较高,所以其内部发育大 量微孔和中孔,从而构成可观的比表面,影响甲烷吸附能力。