受载原煤中瓦斯的扩散规律

为研究受载原煤中瓦斯的扩散规律,以原煤煤样为实验对象,利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合实验系统,在恒温的三轴加载条件下,进行了加载-吸附-解吸-再加载直至煤样破坏过程中的瓦斯解吸实验。研究结果表明,受载原煤的解吸量随时间变化规律符合颗粒煤瓦斯解吸的数学模型;在恒温恒围压下,随轴压的增大,受载原煤瓦斯的解吸量呈下降趋势;当轴压大于峰值强度后,瓦斯解吸量随轴压迅速增大;受载原煤煤样压密、线弹性阶段瓦斯解吸-运移速度随应力增大而线性减小;当煤样处于屈服阶段和峰值破坏阶段瓦斯解吸-运移速度随应力增大呈指数式增长。研究成果对瓦斯抽采,瓦斯突出机理研究有一定的理论价值。      

煤体结构差异的吸附响应及其控制机理

为了研究不同煤体结构煤的吸附行为差异和作用机理, 以焦作煤田为研究区, 对煤体破坏严重的糜棱煤和原生结构煤的岩石学组成、吸附性和孔隙性进行了测试, 结果表明: 煤体破坏后, 吸附、解吸能力增大; 温度增加, 煤的吸附能力均为下降, 解吸能力增加.相比于原生结构煤, 随着温度增加, 糜棱煤吸附能力下降趋势和解吸能力增大趋势比原生结构煤更为明显.研究认为: 煤体破坏后, 不同孔径段的孔隙数量均有增大, 使得煤样容纳气体的能力增大.特别是大中孔含量的增大, 导致了糜棱煤样更容易发生解吸.另外, 煤体破坏后的煤级增高、镜质组含量增大和惰质组含量减小也对吸附能力增大具有重要作用, 而灰分含量不是决定两类煤吸附性差异的主要因素.      

受载含瓦斯原煤解吸规律实验研究

依托自行研发的含瓦斯煤热–流–固–力耦合吸附/解吸实验系统,测定了不同围压和孔隙压力组合条件下,煤样加载破坏过程中不同加载阶段的瓦斯解吸量,并对实验数据进行了拟合,分析了轴压、围压和孔隙压力对含瓦斯原煤解吸规律的影响。结果表明:在煤样整个加载破坏过程中,受载原煤瓦斯解吸量呈现先减小后增加的“V”型变化趋势,且最小出现在屈服强度阶段,最大出现在脆性破坏阶段;受载原煤瓦斯解吸量随围压的增大而减小,随吸附平衡压力的增大而增大。      

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。     

不同变质煤的瓦斯膨胀能演化特征及其突出预测启示

为了提高煤与瓦斯突出(突出)预测的准确性,选取6种不同变质程度的煤样,开展高压压汞实验、等温吸附实验,计算瓦斯膨胀能,分析不同变质程度煤的瓦斯膨胀能演化特征及其与突出预测指标间的关系。结果表明：不同变质程度煤的孔隙结构与吸附性的差异,导致煤体所含的瓦斯膨胀能存在差异。煤的总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能随瓦斯压力的升高而增大,增加趋势逐渐变缓;相同瓦斯压力下,煤的变质程度越高,总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能越大。煤的游离瓦斯膨胀能随瓦斯压力升高呈指数增大;相同瓦斯压力下,游离瓦斯膨胀能随单位质量煤体孔隙体积的增加而增大。当R_max>1.6%,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能与初始释放瓦斯膨胀能突出临界指标42.98 mJ/g基本相等,进一步验证了游离瓦斯在突出触发阶段起主要作用,也为突出预测临界压力值采用0.74 MPa的合理性提供了科学依据。当R_max为0.6%～1.6%时,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能小于42.98 mJ/g,夸大了煤体所具备的突出潜能,会加大防突工作量。当R_max<0.6%,0.7...     

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。      

远红外作用下不同含水率煤体吸附/解吸能量变化规律

煤体对气体进行吸附/解吸过程的本质是气体分子和煤基质表面分子或原子相互作用的过程，而发生相互作用的本质是能量变化，为了深入研究远红外作用下煤层气吸附/解吸过程及能量变化规律，利用自主研制装置进行远红外作用下不同含水率煤样对CO₂的吸附/解吸实验，然后利用远红外热辐射原理所得的吸附/解吸能量公式对实验结果进行计算，得到不同含水率煤体吸附/解吸过程能量变化规律。结果表明:在远红外作用下，解吸率虽然随含水率增大呈下降趋势，但是下降幅度明显减小，远红外作用可以降低水分对煤层气吸附/解吸能力的影响；远红外作用下不同含水率煤体对气体吸附/解吸过程是一个物理变化，从能量角度可以解释该过程，其变化规律与等温吸附/解吸过程相吻合。研究结果丰富了煤层气增产技术理论。      

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。     

无烟煤孔隙结构特征及其吸附特性研究

选取焦作矿区无烟煤四种不同煤体结构煤作为研究煤样,通过低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构分布特征,同时对所采集的煤样分别进行高温高压平衡水分条件下CH_4气体的等温吸附实验,分析了孔隙结构、平衡水分与CH_4吸附特性之间的作用关系。研究结果表明:与原生结构煤相比,构造煤的BJH总孔容、微孔比表面积、BJH总孔比表面积随着破坏程度增大而增大。高温高压平衡水分条件下,无烟煤不同煤体结构煤表现出了吸附能力新特性,即随无烟煤破坏程度增加,朗格缪尔体积V_L呈现先增大后减小的变化趋势。不同煤体结构煤的孔隙结构由于构造应力作用而发生变化,引起平衡水分含量的不同,从而导致对CH_4的吸附能力不同。分析表明,无烟煤不同煤体结构煤表现出的吸附新特性,是特有的孔隙结构和平衡水分含量差异综合作用的结果。在不同的埋藏条件下,某一因素会占主导作用,吸附增量变化取决于主控因素控制。     

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。     

An Experimental Study on the Conductivity Changes in Coal during Methane Adsorption-Desorption and their Influencing Factors

During the processes of methane adsorption and desorption, the internal structure of coal changes, accordingly leading to changes in electrical conductivity. In this paper, using low rank coal seams of the Yan’an Formation in the Dafosi field as the research subject, the relationship between coal resistivity, methane adsorption quantity, and equilibrium pressure is analyzed through proximate analysis, mercury injection tests, low temperature liquid nitrogen adsorption tests, and coal resistivity measurements during methane adsorption and desorption. The results show that during the process of pressure rise and methane adsorption, the conductivity of coal increases, resulting from heat release from methane adsorption, coal matrix swelling and adsorbed water molecules replaced by methane, but the resistivity reduction gradually decreases. The relationship between coal resistivity and methane adsorption quantity and equilibrium pressure can be described by a quadratic function. During the processes of depressurization and desorption, the resistivity of coal rebounds slightly, due to decalescence of methane desorption, coal matrix shrinkage and water-gas displacement, and the relationship coincides with a linear function. Methane adsorption leads to irreversible changes in coal internal structure and enhances the coal conductivity, and resistivity cannot be restored to the initial level even after methane desorption. The resistivity and reduction rate of durain are higher than those of vitrain, with relatively greater homogeneous pore throat structure and fewer charged particles in the double electric layer. In addition, moisture can enhance the conductivity of coal and makes it change more complexly during methane adsorption and desorption.     

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。      

中国部分煤储层解吸特性及甲烷采收率

根据常压下的解吸实验和煤层气参数井实测数据分析,我国煤的解吸特笥变化较大,解吸率主要受煤层埋深及煤级的影响。最侍解吸深度一般在４００～６００ｍ之间,镜质体反射率小于３％时,随煤级的升高而增大;大于３％时,则相反。我国煤储层的吸附时间长短琚煤级没有特定关系,但在某些地区工层的含气量高低有关,甲烷含量低则吸附时间长,尤其是小于８ｍ＾３／ｔ时急剧增长。从现有资料看,我国煤储层的吸附时间一般不超达９ｄ。煤     

高煤阶煤储层解吸曲线定量表征及解吸参数研究

为了定量研究煤层气井解吸特征,文章通过煤样解吸实验获取解吸曲线并进行拟合回归得到了煤样解吸曲线定量表征公式。结果表明：煤样解吸曲线可以用来定量表征;解吸体积常数可表征煤样的最大解吸量,解吸时间常数表征解吸气体体积达到最大解吸气体积一半时所用的解吸时间;煤样初始解吸速率等于解吸体积常数与解吸时间常数之比,煤样解吸速率随着解吸体积常数增加而增加,随着解吸时间常数增加而降低。解吸时间常数与吸附时间成线性正相关关系,解吸时间常数越大,煤样解吸速率越小;在工程上可以用解吸体积常数代替解吸气量和残余气量之和;解吸时间常数随气体压力和裂缝指数增加而降低,随镜质组、惰质组含量增加而先增加后降低,与粘土矿物含量关系不明显;解吸体积常数随气体压力、惰质组含量增加而增加,与粘土矿物含量关系不明显,随着镜质组含量增加而降低,随裂缝指数先降低后增加。     

河北开滦矿区晚古生代煤对CH_4/CO_2二元气体等温解吸特性

研究了河北开滦矿区不同变质程度的煤对不同配比CH4/CO2二元气体等温解吸特性,并用扩展Langmuir方程的推论计算了CH4/CO2二元气体各组分在吸附相中的浓度,分析了其变化特征。结果表明:在开滦矿区煤对CH4/CO2二元气体解吸过程中,中等变质程度煤(Ro=1.21%)对混合气体的吸附能力大于低变质程度煤(Ro=0.58%),且混合气体中CO2浓度越大,总吸附量越多。吸附相中CH4的相对浓度是逐渐降低的,CO2的相对浓度是逐渐升高的。开滦矿区中等变质程度煤相对于低变质程度煤,用CO2气体置换煤层中CH4,可以获得较高的单位压降CH4解吸率,注入CO2的量越多、相对浓度越高,其置换效果就越好,更适于往煤层注入CO2提高煤层气产量技术的实施。     

高、低阶煤润湿性对甲烷吸附/解吸的影响

为研究不同煤阶煤体润湿性对煤层气吸附/解吸的影响,采集寺河煤矿3号煤与大佛寺煤矿4号煤样品进行接触角测量及吸附/解吸实验,通过热力学计算分析等量吸附热特征。结果表明,大佛寺4号煤水润湿性远好于寺河3号煤,原因在于大佛寺4号煤为低变质长焰煤,其所含羧基、羟基等含氧官能团数量较多,同时具有物质组分亲水性好及孔裂隙较发育的优势。煤体润湿性影响煤自身含水率大小,间接影响煤层气吸附/解吸特征。大佛寺4号煤与寺河3号煤润湿性、含水率、解吸率及采收率间关系复杂,受临界含水量制约,存在温度临界点。等量吸附热对比发现煤体亲水性不利于煤层气的吸附。煤层气吸附放热远小于解吸吸热,存在解吸滞后,且解吸滞后程度随着吸附/解吸量增加而逐渐减弱,低阶煤的减弱趋势更加明显。      

国外煤层气成因与储层物性研究进展与分析

从煤层气生成机制及其地质控制、煤储层孔隙结构与吸附/解吸行为、煤储层裂隙系统及其对渗透率的影响三个方面,有重点地总结了国外有关煤层气成因和煤储层物性研究的新进展。笔者认为:国外在煤层气次生生物成因、煤层气生成矿物金属元素催化作用、煤层气固溶态赋存形式、含气量测定不确定性、煤层气近临界和超临界吸附、吸附能及其非均质性、裂隙矿物成因及其对成藏过程的指示作用、煤储层渗透率随煤层气解吸的变化规律及其控制因素等方面的研究,极大地深化了对煤层气成因和煤储层物性的理解与认识;煤岩学、煤地球化学、岩石力学等的结合是国际上煤层气地质研究手段的重要发展趋势,而煤层气成因与特殊赋存形式、含气量精确测定与评价、超临界吸附与吸附能分布、解吸过程中煤储层渗透率变化特征及其地质控制等的研究,显示出国外煤层气成因和煤储层物性研究的重要前缘方向。     

鄂尔多斯盆地东南缘上古生界煤储层非均质性及其意义

鄂尔多斯盆地东南缘陆续发现一批高产井,显示了上古生界煤层气资源勘探开发的潜力。然而,受煤储层非均质性影响,同一区块相邻井组甚至同一井组不同单井的产气效果表现出较大差异,因此深化对煤储层非均质性的认识是实现高效勘探开发的客观途径。该文从岩石学、物性、吸附性、含气性等特征方面对煤储层非均质性进行了研究,结果显示,区内3号、5号、11号煤层分布稳定,厚度较大,是煤层气勘探与开发的主要目的层;煤层以半亮煤和半暗煤为主,镜质组含量较高,具有较好的可压裂性;以低灰-中灰的瘦煤、贫煤为主,部分地段发育少量无烟煤,煤级较高;煤岩孔隙度和渗透率均较低,吸附性强,吸附时间较短且解吸率较高,有利于煤层气的产出,但需要加强煤储层改造措施研究;含气量平均在11 m~3/t以上,最高可达19.73 m~3/t,含气饱和度平均在61%以上,表明资源密度较大且具有较高的地层能量,有利于煤层气解吸产出。     

基于地质建模的保德Ⅰ单元煤层气井产能响应特征

煤层气资源条件及储层物性特征是煤层气勘探开发的基础,开展煤层气藏地质建模,厘清煤储层在空间上的展布特征,解释单井产能差异,可为煤层气选区、布井提供理论依据。以山西保德Ⅰ单元为研究对象,基于煤心含气量实测数据和试井渗透率测试,采用支持向量机算法（SVM）和变形F-S渗透率计算公式建立研究区含气量和渗透率反演模型,完成162口煤层气井含气量和渗透率测井数据的分析。进一步采用随机建模方法建立研究区含气量和渗透率模型,由模型计算结果表明:4+5号煤层的含气量为2.0~5.2 m3/t,平均3.3 m3/t,8+9号煤层含气量为2.4~9.2 m3/t,平均5.1 m3/t;4+5号煤层渗透率为（0.8~9.8）×10-3 μm2,平均6.1×10-3 μm2,8+9号煤层渗透率为（2.8~11）×10-3 μm2,平均7.3×10-3 μm2;保德Ⅰ单元总体表现为低含气量、高渗透率的煤层气藏开发单元。基于建立的地质模型,进一步分析研究区煤层气储层等效含气量、资源丰度、含气饱和度等平面展布规律,对比分析2口典型井（B1-X1和B1-X2）的地质条件,发现B1-X1井各项参数均优于B1-X2井。从过井剖面和生产曲线可以看出,影响两井产能差异的因素主要包括资源条件和储层物性条件,其中后者起决定性作用,B1-X1井条件明显优于B1-X2井。综合分析可以得出,渗透率差异是影响煤层气开采的关键参数,而煤层气资源丰度和吸附饱和度是评价煤层气井维持高产和长时间稳产的重要因素,煤层气开发前需查明煤储层主要地质条件和物性参数,为煤层气开发工程设计提供依据。