基于扫描电镜、孔隙-裂隙分析系统和气体吸附的煤孔隙结构联合表征

为了定量表征煤的孔隙结构,研究煤孔隙特征与吸附性能的内在联系,采用低温液氮吸附法（LP-N₂GA）、CO₂吸附法、扫描电镜（SEM）和孔隙-裂隙分析系统（PCAS）对6种不同变质程度煤样进行孔隙相关分析.煤样孔隙分布相似时,煤样对N₂和CO₂的吸附能力、孔隙率的近似概率密度和孔隙面积（中孔）与煤的挥发分呈负相关,煤样孔隙的分形维数与煤的挥发分呈正相关.煤样的孔隙分布差异较大时,煤样对N₂和CO₂的最大吸附容量与孔隙分布有关.建立了煤纳米孔结构的联合表征模式,该表征模式能够更有效地研究和分析煤中的孔隙,包括孔隙数目、孔隙面积、孔隙周长、平均形状因子、孔隙率、分形维数和孔径分布,将SEM-PCAS与气体吸附方法相结合对煤的孔隙结构进行定量联合表征的模式是可行的.      

构造煤纳米级孔隙特征及其对含气性的影响

煤孔隙对储层含气性具有重要影响,构造煤储层尤甚。采集淮南煤田潘一矿13号煤层中4种煤体结构的煤样进行低温液氮实验,运用最小二乘法原理并采用FHH分形模型,系统地分析了煤储层纳米级（1.7~20nm）孔隙结构特征及其与分形维数之间的关系。结果表明:煤体破坏程度增强致使BJH孔容和BET比表面积增大,过渡孔与微孔含量增加;构造煤中毛细凝聚开始发生在2~3 nm并随着相对压力的增大而逐渐增强;对气体吸附做主要贡献的是孔径为5nm的孔隙,糜棱煤中此类孔隙最多致使含气性最好;研究区内除原生结构煤外,其他煤储层纳米级孔隙分形维数均大于2.6,平均孔径与分形维数呈明显负相关且相关性系数在0.9以上,表明此类孔隙具有明显的分形特征,孔隙结构复杂程度较高。综合孔隙特征表明:构造煤中孔隙结构越复杂且5nm附近吸附孔隙含量越高,含气性越强。      

高压氮气置换甲烷对煤基质孔隙的影响

为探究高压气体吸附-解吸试验对煤基质中孔隙发育规模和结构的影响,选取安鹤矿区鹤壁六矿二1煤层煤样进行了高压氮气置换甲烷吸附-解吸试验,采用低温液氮吸附方法分别测定了高压氮气置换甲烷前后煤的低温液氮吸附解吸曲线,利用BET、BJH和QSDFT 3种分析模型,对煤基质中1.14~300 nm的孔隙规模、分布与结构特征进行了对比分析。分析结果显示煤样的孔容、比表面积和孔隙结构在高压气体置换过程中均发生了变化,孔隙BET比表面积从12.746 0 m2/g降低到7.227 0 m2/g,总孔容从0.009 0 cm3/g降低到0.006 6 cm3/g;孔隙发育规模与孔径分布均发生明显变化,但孔隙形态基本保持不变,孔径分布的变化主要表现为微孔孔容与比表面积的降低为主,而中孔和大孔基本保持不变。      

韩城矿区构造煤纳米级孔隙结构的分形特征

构造变形可以引起煤纳米级孔隙结构的变化,变形机制的不同对孔隙结构的影响程度也不同。煤的孔隙非均质性极强,传统实验方法难以准确地描述孔隙结构的复杂性,而分形理论提供了描述这一复杂性的量化方法。基于渭北煤田韩城矿区不同类型构造煤的低温氮吸附实验,采用分形FHH方法,定量表征了构造变形对煤纳米级孔隙结构的影响程度。结果表明:韧性变形煤比脆性变形煤的孔隙分形维数高,孔隙结构复杂,非均质性增强,导致毛细凝聚效应增强,吸附滞后突出;构造煤分形维数随着平均孔径的降低和中孔含量的升高而增大,说明构造变形程度越大,平均孔径越小,孔隙结构越复杂。研究认为,分形维数定量反映了煤构造变形的强弱,可以指示煤中纳米级孔隙结构的变形程度。      

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。     

低煤阶煤中甲烷扩散性能分析

甲烷在煤基质中的扩散性能是影响煤层气产出的重要储层参数。采用云南东南部地区新近系中新统小龙潭组褐煤样品,开展了低煤阶煤中甲烷等温吸附实验。基于等温吸附实验获得的吸附量与时间的关系数据,应用一元孔隙结构气体非稳态扩散模型,计算了煤中甲烷气体扩散系数,揭示了煤中甲烷扩散规律和控制机理。研究结果表明,低煤阶煤中气体扩散规律服从Langmuir方程,煤中甲烷有效扩散系数和扩散系数随着压力的增高而增大;吸附时间常数随着压力的增高而减小,服从负指数函数规律。4个实验煤样Langmuir有效扩散系数和扩散系数分别是（1.71~5.46）×10-4 s-1和（2.17~6.91）×10-12 m2/s,Langmuir压力为0.63~1.97 MPa。在相同温度和压力条件下,干燥煤样的有效扩散系数和扩散系数大于平衡水分煤样,随着温度的增高,其有效扩散系数和扩散系数增加,煤中气体扩散性能增强。      

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...     

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。     

构造煤与原生结构煤中甲烷扩散性能差异性分析

原生结构煤受构造应力破坏后形成不同类型煤体结构煤,其孔隙结构、吸附/解吸、扩散和渗透能力等将发生变化,从而影响煤层气的赋存与产出.通过对沁水盆地赵庄井田3号煤层原生结构煤与构造煤样品进行甲烷等温吸附实验、低温液氮和二氧化碳吸附实验,分析了构造煤与原生结构煤的吸附?解吸性能及孔隙结构特征;应用单孔和双孔非稳态扩散模型,揭...     

煤的吸附性能及影响因素

为了研究煤的储气性能,笔者对124个煤样进行等温吸附试验、煤岩测试、工业分析、压汞试验和低温液氮测试．研究表明：(1)煤变质对煤吸附能力具有控制作用,反射率从0．3％～4．25％,可燃基的Langmuir体积是11．25～47．16cm^2／g;(2)平衡水煤样吸附量与镜质组含量呈正相关、与惰质组含量呈负相关、与孔隙比表面积、微孔比表面积、微孔孔体积呈正相关;(3)水分、温度对煤的吸附能力有负面影响．煤变质程度不同,吸附曲线的变化趋势不同：气煤随着温度和压力增加吸附量一直增大,说明压力的影响起主导作用;无烟煤在温度小于60℃、压力小于15MPa之前,随着温度和压力同时增加吸附量增大,说明压力的影响起主导作用,之后,吸附量减小,说明温度的影响大于压力的影响。     

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。     

中–高煤级煤岩孔隙发育特征

煤层气的吸附、解吸、扩散、运移与煤储层孔隙发育情况密切相关,煤岩孔隙特征实验研究至关重要。离心法获取煤样毛管压力资料快速简便,无毒无害,通过离心取代常规压汞来表征并划分中-高煤级煤岩孔隙结构类型,将二者实验结果进行对比,同时结合扫描电镜实验探究孔隙发育成因。结果表明:依据煤级高低可将煤岩孔隙结构划分为3类,从类型Ⅰ到类型Ⅲ,孔隙发育情况由大-中孔向微-小孔过渡,气体储运模式由吸附扩散向游离渗流过渡;离心与压汞在表征煤岩孔隙发育特征上具有一致性;不同种类的煤孔隙成因导致煤层气在各类煤储层中的储运方式存在差异。      

华北南部构造煤纳米级孔隙结构演化特征及作用机理

构造煤是在构造应力作用下,煤体发生变形或破坏的一类煤,在世界主要产煤国家皆有分布。构造变形不同程度的改变着煤的大分子结构和化学成分,而且也影响到构造煤的纳米级孔隙结构(<10 0 nm ) ,它是煤层气的主要吸附空间。通过构造煤显微组分和镜质组油浸最大反射率的测定,采用液氮吸附法对不同变质变形环境、不同变形系列构造煤的纳米级孔隙分类、孔隙结构特征进行了深入系统的研究,并结合高分辨透射电子显微镜和X射线衍射对大分子结构和孔隙结构的分析,结果表明:不同类型构造煤纳米级孔径结构自然分类,可将孔径结构划分为过渡孔(15～10 0 nm )、微孔(5～15 nm )、亚微孔(2 .5～5 nm )和极微孔(<2 .5 nm ) 4类。低煤级变形变质环境中随着构造变形的增强,不同类型构造煤过渡孔孔容明显降低,微孔及其下孔径段孔容明显增多,可见亚微孔和极微孔,过渡孔的比表面积大幅度降低,而亚微孔的却增加得较快。从脆韧性变形煤至韧性变形煤,总孔体积、累积比表面积、N2 吸附量随着构造变形的增强,这些结构参数均迅速增加,但中值半径进一步下降。非均质结构煤孔隙参数与弱脆性变形煤相当。中、高煤级变形变质环境形成的各种类型构造煤与低煤级变质变形环境相比,孔隙参数的变化基本一致。但不同类型构造煤的变化又有所区别     

深部中-高煤级煤储层孔隙结构与吸附性

为了探讨中-高煤级深部煤层孔隙结构特征和吸附性,以陕西宜川和山西柿庄地区埋深100~1 800 m的中-高煤级样品为研究对象,对样品进行了煤岩煤质分析以及压汞法、核磁共振、低温液氮和等温吸附等测试,结果表明：(1)随着深度的增加,煤层吸附孔含量增多,渗流孔含量减小,渗透性降低,储层物性变差。(2)比表面积和总孔体积在1 000 m附近出现高值区域,随后才出现如前人所述的随深度逐渐降低的趋势,这与小孔的贡献率一致,可见比表面积和总孔体积并非完全由微孔决定,小孔作用显著。(3)深部煤层吸附性是压力的正效应与温度的负效应共同作用的结果,随着压力的增高,吸附量明显增加,温度每升高1 ℃,吸附量平均减少0.25 cm³/g;兰氏压力并不是简单地随温度递增而递增,而是存在随温度变化的拐点(35 ℃),大于拐点温度时,兰氏压力才呈现增高趋势。     

不同煤级煤及其萃余物吸附性能的研究

采用不同溶剂对褐煤、焦煤、低级无烟煤(Ro,max2.62%)以及中级无烟煤(Ro,max3.74%)等四个煤级煤样进行分级超声萃取,然后对原煤和萃余物进行平衡水预湿的方法,进行了等温吸附实验,并结合孔隙结构测试和水分含量变化,分析了溶剂萃取后萃余物的吸附性能变化及其影响因素。研究发现:(1)平衡水条件下,原煤对甲烷的吸附能力要大于萃余物,萃取后,尽管煤的组成和孔隙结构发生了变化,但并不能改变不同煤级煤吸附甲烷的能力的对比关系;(2)原煤和各级萃余物都发生了到某一压力后,吸附量随着压力增加而下降的现象,褐煤及其萃余物甚至出现负值,这可能是由超临界状态下吸附相的体积忽视后带来的效应和煤基质在压力、水分作用发生膨胀以及随着压力增加,水分在吸附孔隙中占据吸附点位的增多,造成甲烷有效吸附点位的减少等综合作用的结果。研究认为,在讨论影响不同煤化作用的煤吸附能力的因素时,应该首先考虑到煤级对吸附能力的影响;对煤化程度相近的煤,其他因素如孔隙结构和水分的变化对吸附的影响才显现,但对不同煤级煤吸附性的主要影响因素也不尽相同。在煤层气吸附研究中,吸附量下降现象应该是一个共性,其机理的解释和寻求正确的吸附相体积校正,以及一定压力下,煤基质在水分作用下发生膨胀对吸附性的影响的规律描述,都是亟待解决的重要问题。     

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。      

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。     

黔西上二叠统煤的孔隙特征及其控制因素

作为一种多孔介质,煤的孔隙性质直接影响煤层气的富集和扩散,因而对煤孔隙特征的研究至关重要。通过压汞测试和低温氮吸附测试数据,系统分析了黔西上二叠统煤的孔隙形态、孔隙类型及孔径分布特征,并从煤岩显微组分及煤级方面探讨了该区煤储层孔隙发育的控制因素。研究结果表明:黔西煤样孔隙度为1.4%～9.5%,且由北至南有减小趋势;孔隙类型以吸附孔为主,其中高煤级煤孔隙以一端封闭型孔居多,与低煤级区相比,其渗透性和连通性较差,但黔西地区整体优于沁水盆地;煤级是影响煤储层孔隙变化的主控因素,随着煤级增加,孔隙度呈现由低到高的变化趋势。