晋城地区煤层气解吸及碳同位素分馏特征

通过晋城地区煤心样的解吸实验,计算获得该区煤层甲烷的解吸率为65.0% ~ 96.2%,预测煤层气井应具有较高的采收率。煤层吸附时间为0.33~8 d,表明生产井短时间内可以达到产能高峰。罐装煤样气体解吸过程可分为两个阶段,第一阶段气体解吸速率较高,第二阶段解吸速率较低。解吸过程中甲烷碳同位素变重的趋势同样可分为先快后慢两个阶段。煤储层气体解吸过程中发生的同位素分馏效应导致井口气样甲烷碳同位素值在一定范围内波动。波动持续时间越长,预示该井的开采稳定性越好,可以获得长期稳定的产气量。通过对煤样解吸气量与甲烷碳同位素的相关分析,获得了总解吸量预测方程,根据该方程可以预测生产井的可采储量。     

煤基质中甲烷扩散动力学特性研究

甲烷在煤基质中的质量传递过程可用费克第一定律或费克第二定律来模拟。本文通过等温吸附-解吸实验的动力学数据,以费克第二定律为理论基础,对煤基质球形单元模型建立了试验求取扩散特性的方法。晋城煤样等温吸附及解吸实验的数据处理结果表明,吸附-解吸速率均随压力及煤样气含量的增加而增加;吸附速率与解吸速率随压力的变化曲线基本相同。      

煤体结构对煤层气吸附-解吸及产出特征的影响

煤的孔隙、物理化学结构差异对煤层气的吸附-解吸及产出特征有巨大影响。基于对不同煤体结构煤的孔隙、结构、力学性质的认识,利用现场实测资料,分析了煤体结构对煤层气产出的影响。结果表明:构造变形使煤的孔容和比表面积增大,吸附能力增强。含气量和损失量呈正相关关系;在含气量相同的情况下,逸散速率相对大小依次为:原生结构煤<碎裂煤<碎粒煤<糜棱煤。原生结构煤和碎裂煤的临界解吸压力大于糜棱煤。在0~45 min、45~95 min、95~185 min,平均解吸速率关系为:原生结构煤<碎裂煤<糜棱煤,而在185~485 min内,平均解吸速率关系反生改变,即:糜棱煤<原生结构煤<碎裂煤。在含气量大致相等时,原生结构煤和碎裂煤的解吸量及解吸时间明显大于糜棱煤。      

老虎台矿泥浆环境煤的瓦斯解吸机制研究

为了研究老虎台矿泥浆环境煤的瓦斯解吸机制,探讨了泥浆钻孔取心过程煤的瓦斯解吸状态,按照煤心管内的煤的瓦斯压力与管壁泥浆压力大小关系得出瓦斯解吸的四个阶段,并系统研究了相应阶段煤的瓦斯解吸特征;在此基础上研究了影响老虎台矿泥浆环境煤的瓦斯解吸控制因素,从提钻速率、瓦斯压力和粒径等因子深入分析了对泥浆环境煤的瓦斯解吸的影响,得出提钻速率愈小,泥浆环境下瓦斯逸散量愈大;在相同瓦斯压力条件下,煤样瓦斯解吸Q-t曲线呈"S"形态,一定时间后,瓦斯解吸量将不再增加,且瓦斯逸散量与瓦斯压力具有同步增大的趋势;煤样粒径在增加的同时,煤样瓦斯解吸初速度呈现不断减小的趋势,且粒径达到某一数值后,曲线收敛,煤样瓦斯解吸初速度趋于稳定。最后对老虎台矿煤样,在泥浆压力6.00MPa,瓦斯压力2.00MPa,提钻速率0.2m/s条件下开展瓦斯解吸实验,得出煤层瓦斯解吸规律曲线呈"S"形态展布,经多项式拟合得出瓦斯解吸规律Q-t模型。研究结果为地勘时期煤的瓦斯解吸测试,分析瓦斯逸散提供指导。     

孔隙压力对煤岩基质解吸变形影响的试验研究

煤层气开采过程中,伴随着煤层气不断地吸附、解吸和渗流,煤体产生变形,极易导致煤和瓦斯突出事故。以晋城天地王坡煤矿为例,通过实验室内试验,模拟煤层气在复杂地层漫长的形成和逐渐开采过程,得到了孔隙压力与解吸量、应变的变化关系,并拟合得出其相应关系表达式,揭示了一些新的规律:(1)初期解吸速度较快,解吸量随时间的增长而不断增加,后期解吸速度减缓,解吸量逐渐趋于稳定;(2)孔隙压力与解吸量、应变呈现抛物线曲线关系,随孔隙压力的升高,吸附和膨胀变形占主导,其值均在增大;(3)存在最小孔隙压力值,随孔隙压力的增大,解吸时间增长,孔隙压力越小,吸附解吸规律越不明显,对于晋城天地王坡煤矿3#煤样,该值在1.0MPa左右;(4)不同加载方式对解吸量和变形量影响较大,先部分加载吸附后全部载荷解吸结果同比加全部载荷吸附解吸结果高13%～77%。试验结果可为煤层气(CBM)抽放安全和煤与瓦斯突出防治提供理论依据。     

韩城示范区煤层气解吸规律及其地质影响因素

煤层气解吸特征是影响煤层气采收率及排采效果的关键要素之一。基于对韩城煤层气示范区62 件煤芯的解吸实验和 相关测试,分析了煤层气解吸特征及规律,探讨了解吸特征与煤级、煤质、煤岩显微组成等的相互关系。结果表明,研究 区煤层气解吸率多在90%~95% 之间;吸附时间为0.03~10 d,82% 的煤样小于6 d。煤芯气体解吸具有阶段性,气体解吸速 率的降低主要由煤芯平均含气量的变化引起,初始解吸速率及其衰减特征与煤岩孔隙结构及其连通性有关。解吸率与煤级 相关性不明显,但随灰分产率增加而显著降低。镜质组含量的增加提高了煤层气解吸率,惰质组则相反。吸附时间随固定 碳含量、水分含量的增加而缩短,但有一定离散性,与灰分产率、显微组分含量之间关系则不明显。     

基于支持向量机与地球物理测井资料的煤体结构识别方法

煤体结构作为煤层勘探开发研究的重点参数之一,影响着煤层产能,有效识别煤层煤体结构至关重要。本文利用支持向量机算法,以地球物理测井资料为基础进行煤体结构识别,并以沁水煤田柿庄北区3号层为例,对该区块进行煤体结构类型分类,利用支持向量机的双二分类与"一对多"分类两种建模模式,建立基于测井曲线的煤体结构识别模型,再利用交叉验证评价模型的泛化性,并对该模型用未参与建模数据进行准确性评价。结果表明,应用支持向量机算法的两种模式能有效识别煤体结构,模型具有泛化性与准确性,且"一对多"分类模式精度更高,在对有利产出煤和不利产出煤的区分上效果突出,对有利产出煤的具体类型区分上具有准确性,可对后续压裂施工提供指导。总体上,基于支持向量机算法和地球物理测井资料建立的煤体结构识别模型对煤层气勘探开发有指导意义,具有实际应用价值。     

沁水盆地柿庄北深部煤层煤体结构发育特征

煤层结构疏松,易于垮塌,对煤层气的开采影响较大。针对沁水盆地柿庄地区的深部煤层,选择人工伽马、声波时差、自然伽马和井径等测井曲线,并结合煤层顶底板的破碎程度,判识了柿庄北3号和15号煤层的煤体结构。结果显示: 3号煤的粉煤平均厚1 m,所占比例平均为17.85%,发育在煤层顶部或底部;15号煤的粉煤厚度平均为0.89 m,所占比例平均为20.81%,粉煤分层较多,粉煤相对较发育,且多位于煤层的顶底和夹层附近。本区断层对煤层煤体结构影响并不大,粉煤发育可能主要受褶皱的影响。粉煤厚度随埋深加大呈现先减小后增大的趋势,拐点在1 200~1 300 m。由此可见,柿庄北区块煤体结构复杂,在开采煤层气过程中,应注意粉煤的发育分布。      

煤岩类型对煤储层吸附/解吸特征影响及实践意义

宏观煤岩类型差异是影响煤层气吸附/解吸特征及煤层气井产能的重要因素之一。针对保德区块BX-2井8+9号煤4种不同宏观煤岩类型样品,开展工业分析、显微组分、润湿性及等温吸附/解吸实验研究,探讨了煤岩类型对煤层气吸附/解吸特征的影响及其机制。结果表明:暗淡煤、半暗煤、半亮煤和光亮煤的镜质组含量逐渐增大,水分和灰分含量逐渐降低,亲水性逐渐减弱,Langmuir体积逐渐增大;光亮煤和半亮煤具有更强的吸附能力,同时具有更高的启动压力、转折压力和敏感压力,解吸过程中对应的有效阶段区间宽度更大,更有利于煤层气开发。宏观煤岩类型对吸附/解吸特征的影响机制主要体现在不同煤岩类型煤组分和润湿性的差异。基于宏观煤岩类型分层厚度占比参数,对BX-2井解吸特征参数进行了加权平均计算,并将该井煤层气解吸阶段划分为缓慢解吸、快速解吸和敏感解吸3个阶段,将排采阶段划分为排水降压、不稳定产气、稳定产气和产气衰减4个阶段。排水降压阶段应控制排水速度,减少应力敏感效应对渗透性的伤害;不稳定产气阶段应适当控制套压,尽量扩大解吸半径;稳定产气和产气衰减阶段应适当增大生产压差,利用解吸效率高的优势延长产气高峰期和稳产期。      

云南恩洪向斜煤层重烃异常成因探讨

恩洪向斜煤层重烃气浓度极端异常,但重烃气来源至今不甚清楚。为此,本文通过对恩洪向斜煤样自然解吸阶段的 密集取样和分析测试,对重烃气成因进行了探讨。结果显示,恩洪煤样自然解吸气组分分馏规律明显,重烃气浓度随解吸 时间延长而显著增高;在自然解吸过程中,甲烷碳同位素组成略有变重,重烃气碳同位素组成没有明显变化,烷烃气碳同 位素始终呈现为正碳同位素系列;自然解吸气组分浓度与碳同位素组成之间具有良好的相关关系,但甲烷与重烃气的相关 趋势截然相反。因此,恩洪向斜煤层气主要起源于煤中有机质的热成因,但不排除部分甲烷具有次生生物成因的可能性。     

煤储层物性对甲烷碳同位素分馏的影响

煤层气作为一种吸附气,在储层中解吸扩散运移时甲烷碳同位素发生分馏。笔者通过采集山西晋城和新疆昌吉不同演化程度的煤样进行解吸试验,系统记录整个解吸过程中甲烷碳同位素组成的变化情况,研究了储层物性对甲烷碳同位素分馏的影响。结果表明：对于基质致密的煤样,解吸气体的δ13C1随时间增加逐渐变重,其变化的速率具有先快后慢的阶段性特点。对于基质疏松的煤样,解吸气体的δ13C1随时间增加先轻后重,这是由于取芯操作及煤样解吸过程中的基质收缩变形破坏了煤体原生结构,从而对正常的同位素分馏效应产生了影响。随着成熟度的增高,煤中微孔丰度增加,气体解吸扩散过程中受的限制增强,同位素分馏效果更显著。压裂裂缝的存在影响了煤层甲烷碳同位素的分馏效果,使得试采过程中井口气样δ13C1的变化规律不明显。     

自吸水分对煤中瓦斯解吸的综合影响

为研究自吸水分对煤中瓦斯解吸的影响,利用自主设计的实验装置,实现了水分在煤中的自发渗吸,单独研究了水分对瓦斯的置换效应,并对不同含水率条件下煤中瓦斯的置换解吸量、卸压解吸量以及残余瓦斯含量进行了测定。结果表明:水分能够促进煤中吸附态瓦斯发生置换解吸,且含水率越大,置换解吸量越大;卸压解吸过程中,相同时间内含水煤样瓦斯解吸量小于干燥煤,且随着含水率升高,解吸量逐渐减小;充分解吸后含水煤样的残余瓦斯含量小于干燥煤,在4%~10%含水率,随着含水率升高,残余瓦斯含量逐渐降低;针对晋城矿区永红煤矿的无烟煤,自吸水分对瓦斯解吸整体上表现为促进作用,水分对瓦斯解吸的影响是置换效应与水锁效应综合作用的结果。      

中阶构造煤等温吸附/解吸特征及机理

选择四个不同变形程度的中阶煤样品作为研究对象,通过开展煤样的等温CH4吸附/解吸实验、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测试分析,研究了构造煤等温吸附/解吸性随煤变形程度的演化特征及其地球化学机理.结果表明,构造煤等温CH4吸附和解吸曲线随压力升高均呈现先快速增大后逐渐稳定的变化趋势,符合I型等温线...     

构造煤中煤层气扩散-渗流特征及其机理

煤层气产出一般要经过解吸、扩散和渗流三个阶段,而煤层气在变形较强的构造煤中的扩散过程不同于在原生结构煤或变形较弱的煤体中的扩散。外界压力的变化只是构造煤吸附与解吸整个过程的一种外在因素,构造煤的变形和结构变化以及吸附势场的转换才是构造煤吸附与解吸的内在因素,是导致解吸过程不可逆性的根本原因。当构造煤体与CH4等多元气体间的吸附平衡状态遭到破坏时,变形较强的构造煤在降压后会产生解吸滞后现象;而变形较弱的煤,分子结构中的气体会很快解吸,第一阶段是气体解吸作用,第二阶段是游离气体从微孔向较大孔隙扩散的过程,气体扩散速率主要由第二阶段决定。构造煤气体扩散机理主要是由孔隙形状、大小、连通性和多元气体性质和状态所决定的。韧性变形煤的微孔隙比较发达,所以韧性变形煤以Knudsen扩散为主,脆性变形煤的中、大孔隙所占比例较大,而且脆性变形煤的孔隙之间具有很好的连通性,所以脆性变形煤以Fick型扩散为主,脆-韧性变形煤以及接近脆-韧性变形煤的脆性变形煤和韧性变形煤均以过渡型扩散为主。在试井渗透率比较中,一定变形程度的脆性变形煤>韧性变形煤,脆性变形煤中以过渡孔为主,其余为微孔,测不出亚微孔和极微孔,脆性变形还增加了各孔隙之间的相互连通性。韧性变形煤中过渡孔比表面积所占比例下降,微孔和亚微孔增高,扩散主要发生在微孔和过渡孔中,所以韧性变形煤的试井渗透率低于脆性变形煤的试井渗透率。     

常规取心过程中页岩含气量解吸测定分析及建议

我国页岩气储层埋深大,普遍采用常规取心方式。根据页岩储层条件及孔隙结构分析,解吸法可以更为准确的测定页岩含气量。统计发现,页岩气与煤层气在累计解吸气量与解吸时间的关系中比较一致,在解吸速率和解吸时间的关系中存在较大差距,因此,采用回归法计算损失气的方法不能在页岩气解吸中盲目使用,需谨慎选择稳定解吸点计算损失气。分析认为,通过三阶温度解吸分步骤计算损失气能够完善整个测定过程;同时,针对不同压力条件地层,损失时间的计算要根据实际储层压力、泥浆压力、大气压力进行计算,保障常规取心过程中损失气及页岩含气量的准确性。      

吸附–解吸状态下煤层气运移机制

带吸附作用的煤层气运移规律一直是煤层气地质学界关注的焦点问题之一。为研究吸附-解吸状态下的煤层气运移机制,推导了气体吸附-解吸方程并分析了多孔介质扩散-渗流理论,开展了煤层气运移实验并对实验结果进行了分析。研究结果发现:煤体孔隙结构对煤层气运移具有"容阻效应","容储""阻降"二重特性并存构成了煤基质的基本功能;气体运移过程中煤体对CO₂和CH₄吸附能力的差异体现在吸附响应时间、吸附速率增长率、吸附平衡时间和最大吸附体积等4项指标;煤层气运移过程中扩散和渗流两种方式并存,当裂隙及大孔内气体压力较中-微孔隙系统气体压力高时,气体运移速率以渗流为主,否则以扩散为主。      

变轴压加载煤体变形破坏及瓦斯渗流试验研究

为探究煤岩在变轴压加载下的变形破坏和瓦斯渗流演化规律,以原煤煤粉压制的煤体试件为研究对象,采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行了5种不同轴压加载路径下的煤体三轴压缩及瓦斯渗流试验。研究结果表明,煤体变形可分为压密、稳定发展、非稳定破裂发展和破裂后4个阶段;压密阶段试件的应变变化速率主要与张开性结构面和裂隙有关,与轴压加载区间无关,稳定发展阶段虽然轴压加载速率不同,但在相同的轴压加载区间,轴向应变变化速率基本相同;变轴压加载前期煤体渗透率与轴压的加载速率呈负相关变化,中后期渗透率变化速率与轴压加载速率相关性不大。研究结论对指导冲击地压以及煤与瓦斯突出的监测预警有着重要意义。     

斜发沸石对钾离子的吸附/解吸动力学研究

以KCl为钾源、新疆某地所产斜发沸石为吸附剂,研究斜发沸石对K+的动力吸附与解吸效果,并探讨吸附时间、K+初始浓度与吸附量的关系。用pH=5的HCl溶液和(Ca2++Mg2+)浓度/(mmol.L-1)为1.6,3.2,6.4,12.8,19.2,25.6的混合溶液对饱和吸附了K+的斜发沸石进行解吸,实验结果表明:沸石对K+的吸附在4min能达到最大吸附率的96%,30min内达到平衡。Langmuir吸附等温式能对吸附曲线进行很好的描述。单位质量沸石对K+的最大吸附量为44.53×10-3,以阳离子交换吸附为主。pH=5的HCl溶液对K+的解吸量最小,随解吸溶液中(Ca2++Mg2+)浓度增加,解吸滞后系数减小,解吸速率远小于吸附速率。解吸量的自然对数与解吸时间的自然对数呈现明显的线性关系,用指数方程对(Ca2++Mg2+)浓度为25.6mmol/L的解吸曲线进行拟合,R=0.998,拟合方程为qt=3.890t0.210。理论上将吸附的K+全部解吸出来需要74.4d。     

地质勘查阶段查明瓦斯突出三要素的途径与方法

矿井瓦斯突出的三要素是煤体结构、瓦斯含量和瓦斯压力。煤及煤层气地面勘查阶段可以获取煤体结构描述、煤层（总）气含量、甲烷含量、煤层气自然解吸速率和衰减系数、煤层压力、地应力、煤层渗透率等参数。地面钻孔与煤矿井下测取这些参数的方法和原理虽然存在差异,但这些参数都是煤层原地物性特征的反映,故应该利用地面钻孔的实测数据和资料,广泛收录、整理对预测瓦斯突出有益的信息。建议在地质勘查阶段查明瓦斯突出三要素,将预防瓦斯灾害工作从地质勘查的源头做起。     

织纳煤田晚二叠世构造煤区域分布及构造控制

为查明织纳煤田构造煤分布规律，通过整理分析贵州织纳煤田比德向斜、三塘向斜、珠藏向斜、阿弓向斜和关寨向斜等14个含煤构造单元共200余个煤田钻孔取心资料，并辅以测井曲线分析，综合分析6、16和27号等主采煤层的煤体结构区域分布特征及构造控制因素。研究表明:自西向东，织纳煤田内构造煤比例逐渐增大，西部主要为原生结构煤和碎裂煤，东部以碎粒煤和碎粉煤为主；构造煤的分布主要受构造演化和4条深大断裂影响，多期性构造运动造成煤体多期次变形，其中，燕山期是煤层发生构造变形的主要阶段，喜马拉雅期对早期构造变形进行了叠加改造；深大断裂影响了区域应力场分布，遵义-惠水断裂对构造煤的形成和分布影响最大，主燕山早期自东向西的区域性应力场受到遵义-惠水断裂阻挡，在煤田东部褶皱、断裂作用剧烈，发育逆冲、逆掩断层等构造，对煤体结构破坏严重，碎粒煤和碎粉煤发育。研究取得的认识对织纳煤田瓦斯灾害防治和煤层气勘探开发具有指导意义。移动阅读