基于蒙特卡洛方法的无烟煤中甲烷分子吸附量模拟研究

瓦斯压力、温度和含水率对煤中瓦斯吸附量具有重要影响,从微观角度进行无烟煤中甲烷分子吸附量研究对准确测定煤层原始瓦斯含量、防治瓦斯灾害、保障煤矿安全生产以及开发利用煤层气能源具有重要意义.本文以山西红旗一坑无烟煤为研究对象,构建了无烟煤大分子结构模型,采用巨正则系综蒙特卡洛方法(GCMC),通过288~308 K下对甲烷分子吸附热计算,验证了模型有效性,据此分析了瓦斯压力、温度和含水率对无烟煤中甲烷分子吸附量影响规律.研究结果表明:(1)温度和含水率一定时,随瓦斯压力增加,无烟煤中甲烷分子吸附量与Langmuir吸附模型一致;(2)含水率和瓦斯压力不变条件下,无烟煤中甲烷分子吸附量随温度升高线性减少,瓦斯压力在0.01~8 MPa范围内,随着瓦斯压力增加,温度对无烟煤中甲烷分子吸附量影响程度先减小后增大;(3)含水率在0~6.494%范围内,无烟煤中甲烷分子吸附量随含水率增加线性减少.     

依据密度测井资料评估煤层的含气量

煤层甲烷长期以来认为是对采煤工作的危害，只是近十多年来才被认为是一种潜在的能源。煤层不仅是甲烷的储层，而且是甲烷的源岩。煤的物理结构是一种双重孔隙结构，即煤层中含有由基质孔隙和裂缝孔隙组成的孔隙系统。煤层中的气（甲烷）主要吸附在基质孔隙的内表面，是吸附气，而不是存在于骨架粒间的孔隙空间内，因而传统的评价天然气储层含气量的方法虽然不能适合于评估煤层的气含量。本文利用密度测井资料和煤样煤质化验资料确定     

煤及煤层气储层导电特性研究综述与展望

随着人类对天然气资源需求的剧增,煤层气勘探开发已备受业界重视.煤层气勘探开发的诸多技术均移植于常规天然气.常规天然气储层的含气饱和度与电阻率间具有良好的相关性.对于煤层气储层,煤层含气量与电阻率间是否具有相关性、其影响因素主要有哪些,对电阻率预测煤层含气量至关重要.本文翔实调研了国内外煤及煤层气储层导电性研究的相关文献,系统总结了煤体结构、煤的变质程度、温度及水分等对煤体导电性的影响特征,并细致梳理了含气煤储层吸附和解吸过程中电阻率变化规律.系统总结得知,现有研究成果多集中在煤体导电性的研究方面,煤层含气量与煤储层导电性间的内在定量关系尚不清晰.借助于煤岩样标定电阻率测井,进而来分煤阶、分煤体结构来研究煤层气储层导电性是本领域发展的趋势.     

温度作用下煤层瓦斯解吸渗流规律数值模拟

如何提高煤层气渗透率是目前煤层气开采研究中的重要课题。基于煤层瓦斯渗流规律数学模型,利用COMSOL Multiphysics软件,对流-固-热耦合条件下的非等温煤层气解吸、渗流变化规律进行了数值模拟。结果表明,在注热条件下,煤层气渗流压力随着温度的增加而下降,且下降速度加剧,压力差越大,气体从高压区域流向低压区域的渗流速度越快。气体在煤层中径向流向井口,井口附近压力的梯度增大,气体渗流速度较快;在未受到加热影响的区域,煤层气不受外加热量影响,煤层气解吸速率保持不变;注热后煤层温度升高,可以加快煤层气渗流速度、提高渗透率、增加煤层气产量。研究成果可为煤层中注热开采煤层气的工程实践提供相应的理论依据。     

煤层甲烷碳同位素分布特征及分馏机理

煤层甲烷碳同位素分布范围很宽, 并且和常规煤成气相比, 煤层气中甲烷碳同位素存在强烈的分馏效应, 使煤层甲烷碳同位素变轻. 煤层甲烷碳同位素与煤的R_o相关性很差, 以致无法根据煤层甲烷碳同位素值来判断煤系烃源岩的成熟度. 煤层甲烷碳同位素变轻的程度差别很大, 且明显受地下水动力条件的影响: 水动力越强, 煤层甲烷碳同位素偏轻的程度就越大, 反之就越小. 前人试图用煤层气解吸-扩散-运移-分馏来解释煤层甲烷碳同位素偏轻的现象, 但不能圆满解释碳同位素的空间展布. 根据大量的实验和实际数据, 指出流动的地下水对游离气的溶解作用-游离气与吸附气的交换作用是煤层甲烷碳同位素分馏的机理. 煤系中的水对煤中游离态甲烷的溶解作用更容易把¹³CH₄带走, 留下更多的¹²CH₄, 使游离气中¹²CH₄会相对富集, 游离气中12CH4再与煤中的吸附气发生交换, 部分¹²CH₄变成吸附气, 把吸附气中部分¹³CH₄交换出来变成游离气, 交换出来的¹³CH₄再被水优先溶解带走. 这种过程是不停地在发生, 通过累积效应, 引起煤层气¹²CH₄大量富集, 煤层甲烷碳同位素变轻. 通过水溶气的模拟实验研究, 证实了流动的水可以对甲烷碳同位素产生明显的分馏作用, 容易把重碳同位素的甲烷溶解带走.     

鄂尔多斯盆地东缘煤层气成因机制

鄂尔多斯盆地东缘煤层气开发在过去近20年的时间,并没有取得实质性进展,确定气体成因和来源对煤层气勘探选区及开发具有指导意义.本文测试了37组煤层气碳同位素数据,讨论了鄂尔多斯盆地东缘煤层气成因,并从煤的热成熟度和盆地水动力条件方面讨论了煤层气成因的机制.结果表明,鄂尔多斯盆地东缘甲烷碳同位素分布在70.5‰～36.19‰,由北向南明显呈偏重趋势,边浅部为次生生物气与热成因混合气,而中深部为热成因气,这一现象的形成主要受控于盆地的煤阶展布规律和地下水动力场.首先,从全国煤的热成熟度与煤层甲烷成因关系得出,鄂尔多斯盆地东缘以中煤阶煤为主,镜质体反射率Rmax分布在0.5%～2.0%,如果具备适当的水动力条件可形成次生生物气与热成因气混合的煤层气藏;与此同时,鄂尔多斯盆地东缘边浅部煤层埋藏浅,露头发育,大气降水及其他地表水携带细菌补给煤层,使煤中有机化合物发生新陈代谢生成甲烷和二氧化碳,在存在圈闭机制的区域,如柳林和韩城,现今含气量比较高.     

陆相泥页岩含气量测井资料预测新方法研究（英文）

页岩气藏实现经济开采的关键条件之一是其具备充足的含气量。本文针对延长地区(以下简称YC)陆相非均质泥页岩,开展了泥页岩含气性实验测试及理论分析,确定了影响泥页岩含气量的关键因素,根据泥页岩体积模型及气体状态方程,确定了泥页岩游离气预测模型。由等温吸附实验确定的Langmuir体积常数和压力常数受到实验温度和压力条件及样品性质的限制,难以应用于实际泥页岩的吸附气量预测。为此,根据实验结果与热动力学原理,本文研究了地层温度、总有机碳含量(TOC)以及矿物组分对Langmuir体积常数和压力常数的作用,分别建立了Langmuir压力常数温度校正方程和Langmuir体积常数的温度、TOC及石英含量校正方程,将等温吸附试验建立的Langmuir方程的应用范围外推至任意储层温度、压力及岩性条件;建立了利用测井资料预测泥页岩含气量的计算方法,并将该方法应用于延长陆相泥页岩地层含气量预测分析中,预测结果经实验数据标定,表明本文所述方法具有较高精度。     

煤层气赋存的分形特征研究

本文利用红外热成像手段,对微小煤样内的甲烷吸附区进行了观察,并评估其吸附特征与在煤中的分布规律.研究表明煤中存在不同尺度与甲烷吸附能力的甲烷富集区,吸附/解吸甲烷时,甲烷富集区比邻近区域具有更明显的升温/降温现象.通过图像处理的方法对不同吸附压力条件下的红外热像图中的甲烷富集区进行提取,采用盒维数进行统计发现甲烷富集区符合分形规律.试验表明随着吸附压力升高,甲烷富集区的分形维数增大,分布初值减小.对两个不同煤田的煤层气富集区进行统计表明：从微米级到千米级尺度范围内,甲烷富集区分布具有分形特征,且分形维数均在1.5~2.00之间.     

神经网络在煤层瓦斯含量预测中的应用

随着我国煤炭资源开采深度增加,瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出等与瓦斯(煤层气)含量有关的安全事故日趋增多.煤的导电性是煤受到的应力大小、煤层瓦斯含量和煤中含水量等多因素的综合反映,由此借助电学方法来建立煤层瓦斯含量与煤导电特性之间的数学模型,进而达到预测煤层瓦斯含量的目的.通过采用自主研制的煤电阻率测试系统,对大佛寺井田低变质原生结构煤进行了应力大小、恒定压力下作用时间、煤含水量以及煤吸附甲烷量等多种因素对煤电阻率的影响的研究.结果表明：应力大小是影响煤电阻率变化的主要因素,同时煤层瓦斯含量对煤电阻率也有较大的影响,最后基于BP神经网络对煤层瓦斯含量进行反演,建立了煤层瓦斯含量的预测模型,其预测结果对未开采区煤层瓦斯含量的预测具有一定的参考意义.     

钻井液条件下煤芯煤层气解吸-扩散模型及逸散量求取

现行各类煤芯煤层气逸散量推算方法, 均未考虑煤芯煤层气在不同钻井液环境下解吸过程的差异, 可能导致煤层含气量测定结果出现偏差. 为此, 本文将钻井液条件下煤芯煤层气解吸视为一个变压解吸过程, 以Langmuir方程和Fick第一定律为基础, 综合考虑钻井液条件下影响煤层气解吸扩散的主要因素, 通过物理模拟实验和理论探讨, 建立了考虑游离气在内的钻井液条件下煤芯煤层气解吸-扩散模型及逸散量数值模拟求取方法. 结果显示: 数值模拟能够较为准确地拟合t-Q_t物理模拟曲线, 提钻过程最终解吸量数值模拟值和物理模拟值总体较为接近. 通过对实测解吸数据求取逸散量发现, 当逸散时间较长时, 数值模拟结果普遍大于直接法计算结果. 作者由此认为, 采用中国目前方法推得的煤芯煤层气逸散量普遍偏低, 有必要在深入研究基础上考虑对中国现行国家标准予以修订.