有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用

为了探究有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用及其应力敏感性的各向异性,对5块高煤级煤样进行了覆压孔渗实验,揭示了有效应力对煤储层渗透率的控制机理。以3.5 MPa模拟原始地层压力发现,煤岩在平行主裂隙和层理面方向具有最高的初始渗透率,垂直层理面方向初始渗透率最低;有效应力从3.5 MPa增加到15.5 MPa的过程中,渗透率呈现出良好的幂函数降低趋势;渗透率伤害/损失的各向异性表明平行主裂隙方向渗透率伤害率和损失率最大,且不同方向应力敏感性受裂隙的宽度及其展布方向的控制;裂隙压缩系数随应力的增加呈现降低趋势,但由于高煤级煤岩压缩难度大,裂隙压缩系数的各向异性不明显。有效应力对渗透率控制的实质为通过减小煤储层孔裂隙体积降低渗透率,从而对各个方向上的渗透率均造成较大的不可逆伤害。      

晋城无烟煤储存游离态CO2理论容量及其影响因素

深部煤层游离态CO₂理论存储容量随深度增加而变化。基于山西沁水盆地南部煤样测试基本数据,对游离态CO₂煤层存储容量进行计算,并分析其随深度变化规律。基于建立的煤层游离态CO₂存储容量计算模型显示,煤储层游离态CO₂存储容量受孔隙度、含气饱和度、地层温度、地层压力等共同作用的影响。CO₂注入后改变煤储层物性会导致理论存储量有不同程度增加,但存储量增值与实验煤样颗粒大小有关;应力作用下煤储层孔隙度随埋深呈负指数降低规律会显著降低CO₂存储容量,含气饱和度增大会显著增大存储量。      

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。      

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。      

含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性影响实验

为了查明含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性的影响,对煤层气井储层改造及排采工作提供指导,利用自主设计的实验装置开展了黔西松河矿龙潭组1+3号、15号煤干燥、含水及饱水条件下液测、气测渗透率应力敏感性实验,分析了煤样渗透率、渗透率损害率、渗透率不可逆损害率、应力敏感性系数变化特征。研究结果表明:随着含水饱和度升高,中阶煤液测渗透率应力敏感性增强,加卸载造成的渗透率不可逆损害率增大。含水饱和度升高导致初始气测渗透率降低,干燥煤样孔裂隙闭合程度高,饱水煤样因束缚水饱和度高,具有较强的气测渗透率应力敏感性。干燥煤样、含水煤样适宜采用幂函数表征无因次气测渗透率与有效应力的关系,饱水煤样则更适合采用负指数函数表征两者关系。中阶煤储层压裂及排采过程中应重视储层保护,当煤储层含水性较弱时,应优先考虑采用CO₂或N₂泡沫压裂方式进行储层改造。      

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.      

CO2强化煤层气产出与其同步封存实验研究

长期以来针对CO₂-ECBM已做了大量研究工作,然而有限的工业试验没能达到预期目的,使得这一煤层气强化技术推广应用欠缺。近些年随着各国碳中和路线的制定,CO₂封存逐渐受到重视,煤储层可否作为CO₂的封存空间、可否实现CO₂驱替CH₄和封存同步进行,又重新回归人们的视野。为此,以新疆准南区块目标煤层样为研究对象,采用不同CO₂与CH₄混合比例气体进行煤的吸附/解吸实验,探索混合气体比例对CO₂-ECBM和CO₂吸附封存潜力的影响。结果表明,随着混合气体CO₂比例减少,CH₄驱替效果降低,其中40%CH₄+60%CO₂混合气体的CO₂残余量最多,在解吸至0.7 MPa时已有83.05%的CH₄产出,而83.62%的CO₂吸附残余在煤中,表明其C...     

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。      

煤基CO2地质封存对顶板裂缝导流能力影响实验研究

煤基CO₂地质封存是温室气体减排的重要方式,但也存在地下CO₂泄露的安全风险。为了评估煤基CO₂地质封存的安全性,采集沁水盆地南部胡底矿3号煤顶板泥质粉砂岩样品,模拟实验研究“CO₂-H₂O-岩”反应中柱状试样人工裂缝形貌、全岩矿物组成与CO₂导流能力变化。结果表明:方解石脉溶蚀、次生矿物充填与外部有效应力共同影响试样裂缝导流能力。原始渗透率为0.016×10–3μm2的低渗试样,方解石脉溶蚀导致实验前期渗透率升高;随着反应进行,有效应力主导下裂缝闭合,渗透率呈“先升后降”变化趋势;原始渗透率为3.785×10–3μm2的高渗试样,H₂CO₃不断溶蚀裂缝壁面长石等矿物,并产生高岭石等次生矿物混合充填于裂缝中,使渗透率持续降低。煤基CO₂地质封存过程中,较高的注入压力导致顶板产生人工裂缝;CO₂注入施工结束后,次生矿物充填及有效应力增大使裂缝导流能力快速下降,因此,煤中封存CO₂沿顶板裂缝长期泄露的风险较低。      

基于分形理论的煤岩裂隙网络渗透率模型

煤储层裂隙是煤层气渗流的主要通道,决定了煤储层的渗透性及煤层气产能,研究裂隙结构特征与煤储层渗透性的关系对准确预测煤层气产能具有重要理论及实践意义。基于经典立方定律渗透率模型,同时考虑分形理论、裂隙网络结构特征及有效应力,构建包含复杂弯曲裂隙特征的分形渗透率模型,将分形渗透率模型与S&D(Shi-Durucan)模型相结合,建立真三轴应力作用下的裂隙煤渗透率模型。开展真三轴应力条件下的气体渗流实验,将构建的渗透率模型与试验结果及S&D模型拟合数据对比,该渗透率模型与实验结果具有良好的一致性,能够体现出三向应力加载条件下应力对渗透率变化的影响趋势,与S&D模型相比更能反映煤岩渗透率的各向异性特征。基于该渗透率模型,定量分析了煤岩裂隙结构参数对其渗透率的影响。结果表明,煤岩渗透率与孔隙率φ(0.05～0.41)、分形维数D_f(2.37～2.81)、最大裂隙长度l₍max_{3.5～8.0 cm}、比例系数β(0.010～0.065)呈正幂律关系;与迂曲度分形维数D_Tf(2.005～2....     

CO2/N2二元气体对甲烷在煤中吸附影响的分子模拟研究

二元气驱技术(CO₂/N₂-ECBM)已成为煤层气增产的重要手段,明确CO₂/N₂在煤层中的竞争吸附规律以及对煤层物性的影响具有重大意义。利用分子模拟软件Materials Studio建立延川南煤层气实际区块温度、压力条件下的煤分子模型。基于巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法研究CO₂/N₂交替驱替煤层气技术中各注入阶段对CH₄吸附的影响,明确CO₂、N₂对煤层孔渗物性的影响规律。结果表明:在CO₂注入阶段,煤层中甲烷迅速解吸;煤中气体吸附总量上升,煤基质膨胀效应增强,导致煤的孔隙体积降低。而转N₂注入后,由于N₂分压作用使得CH₄、CO₂吸附量呈现出不同程度的降低;当ω_N2/ω_CO2≤0.6时煤分子中气体总吸附量迅速降低,而当N₂饱和吸附后气体总吸附量保持稳定。煤层孔渗物性随着气体吸附总量呈现出迅速增大后趋于平缓的趋势。此外,ω_N2/ω_CO2>0.6后N₂吸附率迅速降低,这会使得产出气中CH₄纯度较低,导致后期提纯成本大大增加。因此,当ω_N2/ω_CO2=0.6左右时,CH₄解吸量为最大值,煤孔隙率较高,最有利于煤层气的开发。      

Impact of transition from local swelling to macro swelling on the evolution of coal permeability

Laboratory observations have shown that coal permeability under the influence of gas adsorption can change instantaneously from reduction to enhancement. It is commonly believed that this instantaneous switching of permeability is due to the fact that the matrix swelling ultimately ceases at higher pressures and the influence of effective stresses take over. In this study, our previously-developed poroelastic model is used to uncover the true reason why coal permeability switches from reduction to enhancement. This goal is achieved through explicit simulations of the dynamic interactions between coal matrix swelling/shrinking and fracture aperture alteration, and translations of these interactions to perrmeability evolution under unconstrained swellings. Our results of this study have revealed the transition of coal matrix swelling from local swelling to macro-swelling as a novel mechanism for this switching. Our specific findings include: (1) at the initial stage of CO₂ injection, matrix swelling is localized within the vicinity of the fracture compartment. As the injection continues, the swelling zone is extending further into the matrix and becomes macro-swelling. Matrix properties control the swelling transition from local swelling to macro swelling; (2) matrix swelling processes control the evolution of coal permeability. When the swelling is localized, coal permeability is controlled by the internal fracture boundary condition and behaves volumetrically; when the swelling becomes macro-swelling, coal permeability is controlled by the external boundary condition and behaves non-volumetrically; and (3) matrix properties control the switch from local swelling to macro swelling and the associated switch in permeability behavior from reduction to recovery. Based on these findings, a permeability switching model has been proposed to represent the evolution of coal permeability under variable stress conditions. This model is verified against our experimental data. It is found that the model predictions are consistent with typical laboratory and in-situ observations available in lietratures.     

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。      

Impact of Gas Adsorption Induced Coal Matrix Damage on the Evolution of Coal Permeability

It has been widely reported that coal permeability can change from reduction to enhancement due to gas adsorption even under the constant effective stress condition, which is apparently inconsistent with the classic theoretical solutions. This study addresses this inconsistency through explicit simulations of the dynamic interactions between coal matrix swelling/shrinking induced damage and fracture aperture alteration, and translations of these interactions to permeability evolution under the constant effective stress condition. We develop a coupled coal–gas interaction model that incorporates the material heterogeneity and damage evolution of coal, which allows us to couple the progressive development of damage zone with gas adsorption processes within the coal matrix. For the case of constant effective stress, coal permeability changes from reduction to enhancement while the damage zone within the coal matrix develops from the fracture wall to further inside the matrix. As the peak Langmuir strain is approached, the decrease of permeability halts and permeability increases with pressure. The transition of permeability reduction to permeability enhancement during gas adsorption, which may be closely related to the damage zone development in coal matrix, is controlled by coal heterogeneity, external boundary condition, and adsorption-induced swelling.     

CO2相变致裂本煤层增透技术研究

研究液态CO₂相变特征和煤体对气相CO₂和CH₄的吸附规律,在不同煤质、温度和平衡压力条件下,实验得出在无烟煤和焦煤的煤体中CO₂竞相吸附的能力是CH₄的1.8~2.4倍。研究发现,液态CO₂在0.2 s内完成相变过程,体积瞬间膨胀至794倍。通过理论研究建立了采用不耦合致裂条件下的爆破孔初始冲击压力峰值、裂隙圈有效半径和爆破致裂钻孔孔径3个主要爆破参数变量的数学模型。采用液态CO₂瞬间相变出口压力为200MPa的致裂器,进行致裂爆破本煤层增透现场实验研究,研究得出距离致裂爆破孔2m和3m的控制孔在爆破后单孔瓦斯抽采纯量提高至6倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度提高至5倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度保持在35%~55%,而距离致裂爆破孔4m的控制孔在爆破5d后瓦斯抽采效果衰减至爆破前的水平。现场试验得出初始冲击压力峰值200MPa和钻孔孔径0.094m时,本煤层致裂爆破裂隙圈有效半径为3m。     

煤储层应力敏感性试验及其评价新方法

煤储层应力敏感性是影响煤层气井产能的关键地质因素,在煤层气井排采过程中如何降低或避免煤储层应力敏感性对渗透性的影响是值得考虑的问题。通过不同应力下煤储层渗透性试验,研究了有效应力作用下煤储层渗透率的变化规律;在对已有应力敏感性评价参数分析的基础上,提出了新的应力敏感性系数S₁与S₂,揭示了有效应力对煤储层渗透性的影响规律。研究结果表明:煤储层渗透率随有效应力的增加按负指数函数规律降低,在煤层气开发中煤储层表现出明显的应力敏感性;试验煤样应力敏感回归系数a为0.099~0.115 MPa-1,平均为0.108 MPa-1,应力敏感性系数S₁为0.383~0.436,平均为0.414,应力敏感性系数S₂为0.572~0.666,平均0.625;应力敏感性系数S₁与S₂具有整体性与唯一性,可以结合应力敏感回归系数a进行煤储层渗透率应力敏感性评价。      

煤层CO2地质封存的微观机理研究

煤层CO₂地质封存可实现CO₂减排和增产煤层气双重目标,是一种极具发展前景的碳封存技术。相对于其他封存地质体而言,煤的微孔极其发育,煤层CO₂封存机制与煤中气、水微观作用关系密切,其内在影响机理尚不清楚。以2个烟煤样品的系统煤岩学分析测试为基础,构建了煤的大分子结构及板状孔隙空间模型,进一步采用分子动力学方法模拟了不同温、压条件下、不同煤基质类型表面的CO₂和水的润湿行为,揭示煤层CO₂注入后引起的水润湿性变化规律,初步阐明煤层CO₂封存的可注性、封存潜力、封存有效性等影响因素及微观作用机理。结果表明：(1)影响煤润湿性的主要因素是煤中极性含氧官能团,其含量越高煤的润湿性越强;(2)煤中注入CO₂后,CO₂通过溶解作用穿透水分子层与水分子发生竞争吸附,从而减小水在煤表面润湿性;(3)随注入压力增大和温度降低,煤表面CO₂吸附量增多,对氢键破坏作用增强,润湿性减弱越明显;(4)亲水性煤层CO<...