水化学性质对煤粉聚集沉降的影响实验

煤粉问题制约着煤层气井高效开发,煤粉聚集会导致储层渗透率和产气能力降低。为了查明水矿化度和水化学类型对煤粉聚集的影响,针对水化学类型为NaHCO₃、Na₂SO₄、CaCl₂和MgCl₂和水矿化度为3 000mg/L、6 000mg/L、12 000mg/L、18 000mg/L的水溶液,开展了不同矿化度和水化学类型的水对煤粉聚集影响的实验。从煤粉聚集沉降情况观察、煤粉悬浮液中煤粉质量浓度及煤粉粒度分布,探究了煤粉在不同矿化度和水化学类型的煤粉悬浮液中的聚集沉降特征。结果表明：随着煤粉悬浮液静置时间的增长,各水化学性质煤粉悬浮液的颜色均不同程度的变浅,逐渐出现分层。在矿化度为3 000～18 000mg/L的煤粉悬浮液中,随着悬浮液矿化度的增加,煤粉在悬浮液中的聚集性增强。在四种水化学类型的悬浮液中,煤粉在CaCl₂和MgCl₂煤粉悬浮液中聚集最强,在NaHCO₃煤粉悬浮液中聚集最差。根据扩展DLVO理论,煤粉悬浮...     

临汾区块煤层气井排采中产出煤粉特征

基于煤层气井产出煤粉浓度的现场连续监测,采用煤粉浓度监测仪、激光粒度测试仪、反射偏光显微镜、X射线衍射、电子扫描电镜带X射线能谱仪,研究了临汾区块煤层气井排采过程中产出煤粉的浓度、粒度、成分和表面特征,分析了煤粉特征的影响因素,探讨了煤粉产出机理。结果表明,临汾区块平均煤粉浓度随排采阶段的变化趋势是排水降压阶段<憋压排采阶段<气水合采阶段;不同开发层段产出的煤粉浓度变化趋势是单采5号煤<合采5号和8号煤<合采（4+5）号、（8+9）号煤。煤粉颗粒粒径分布范围广,为0.5~1 000 μm,多集中在100 μm以下。煤粉成分以无机矿物和镜质组为主,无机矿物以硬石膏、黄铁矿和伊利石为主。将煤粉颗粒分为光滑表面和粗糙表面两种,光滑表面的煤粉颗粒以C元素为主,粗糙表面的煤粉颗粒以Fe、S、O元素为主。煤粉产出与煤中矿物含量、镜质组含量以及构造煤发育程度和排采阶段有关。      

哈尔滨尘暴天气沉降物的物质组成及其对物源的限制

本文对哈尔滨尘暴事件（2011年5月11日）的干沉降和湿沉降粉尘进行了粒度、REE和Sr-Nd同位素组成分析。同时,为了限制尘暴粉尘的源区,还对东北沙地（科尔沁沙地和呼伦贝尔沙地）进行了表土采样。结果显示,干沉降粉尘呈双峰态粒度分布,众数值分别为3.6 μm和28 μm,而湿沉降呈单峰态粒度分布,众数值为6 μm。哈尔滨尘暴事件粉尘的粒度分布模式可与黄土高原黄土、红黏土及世界上其他地区的长距离搬运粉尘相对比。这些尘暴粉尘来自遥远的源区。干沉降和湿沉降粉尘表现出相同的REE模式和Sr-Nd同位素组成,它们来自科尔沁沙地和浑善达克沙地。现代尘暴事件的干沉降与湿沉降粉尘相同的物质来源暗示了黄土高原黄土的细颗粒和粗颗粒组分有相同的风尘源区。     

基于超级分子膜的煤层气井控煤粉方法

针对煤层气井煤粉堵塞卡泵问题,提出利用超级分子膜（SMF）形成的三维空间网状结构阻止大颗粒煤粉运移来进行煤层气井控煤粉的方法。以沁水盆地3号煤为对象开展了SMF控煤粉效果室内实验,结果表明:超级分子膜能有效将煤粉吸附成体积较小煤粉团并沉降,达到控煤粉目的;存在对应不同煤粉含量的超级分子膜合理用量,煤粉质量分数为1%~10%时,SMF中的A剂体积分数为5%~15%,与煤粉混合液用量比为15:1~4:1,SMF中的B剂体积分数为6%~9%,与A剂用量比为1:1~3:1;当煤粉团堆积过多时,加入酸性破胶剂破环网状结构,使煤粉团恢复单个颗粒煤粉集中排出。该方法工艺操作简便,可周期进行,是一种理论上可延长煤层气井检泵周期10倍以上的控煤粉技术。      

煤粉分散稳定性的影响因素分析

针对煤层气排采过程中煤粉产出易造成卡泵、埋泵等问题,以韩城区块太原组11号煤为研究对象,采用阴离子分散剂十二烷基硫酸钠SDS,以煤粉粒径、分散剂用量、煤粉浓度等作为影响因素,探究了分散剂对煤粉分散稳定性的影响规律,分析了分散剂与煤粉之间的相互作用机理。结果表明:不同粒径煤粉悬浮液煤粉分散效果不同,随着煤粉粒径增大,SDS悬浮液煤粉浓度出现不同程度下降;适宜的SDS分散剂用量,低的煤粉浓度,有利于煤粉在悬浮液中稳定分散,SDS分散剂质量浓度1.5~2.5 g/L,煤粉质量浓度小于30 g/L时较为适合煤粉稳定分散;分散剂的加入改变了悬浮液黏度,黏度的升高增加了携粉能力,同时不会影响洗井工艺中洗井液的返排。      

煤层气开发中煤粉产出机理及管控措施

煤粉问题是制约煤层气连续稳定排采的关键因素之一。以韩城煤层气区块为研究区,采用煤层气井现场监测、实验测试分析、物理模拟实验、现场工程应用相结合的方法,从煤粉产出的影响因素及成因、煤粉产出规律及管控措施方面,开展了煤粉产出机理及管控措施的系统研究。研究结果表明:影响煤粉产出的因素分为煤储层物性静态地质因素与煤层气开发动态工程因素两类。指出了不同煤体结构煤产出煤粉的倾向性及特征不同。碎粒煤和糜棱煤产出的煤粉体积分数高,产出煤粉量大。产出煤粉的成分以无机矿物和镜质组为主。在煤层气不同排采阶段,产出煤粉的体积分数和粒度特征具有明显的阶段性变化。在煤粉产出机理研究的基础上,结合煤层气井生产实践,从地质预防、储层改造、设备优选、生产预警、排采控制和工艺治理方面,提出了一套煤粉管控措施体系。应用于韩城区块煤层气井的煤粉管控,取得了良好效果。      

基于煤层气高效开发的煤粉凝聚–沉降机制研究进展

大量低产低效井严重阻碍我国煤层气产业发展,其中,煤粉沉降导致的裂缝堵塞、管柱结块是气井稳产时间短、产气量降低甚至不产气的重要因素。系统梳理国内外煤层气井产出煤粉物质组成、生成机理、悬浮运移和产出控制等研究最新进展,总结煤粉凝聚–沉降及分散行为控制机理及关键问题,提出研究展望。煤粉问题伴随煤层气勘探开发全过程,涉及地质选区评价、工程压裂施工和排采管理控制的各个方面。煤粉包括因煤体结构破坏生成的原生煤粉和工程施工形成的次生煤粉,在气井产出中以有机碎屑和黏土矿物组成的混合物为主,部分样品黏土矿物含量高。煤粉悬浮运移受控于储层条件下煤岩结构和表面性质、nm~μm级煤粉颗粒的相互作用、有机质和黏土矿物的作用、通道内的气水流动等因素。煤粉能够适度稳定产出是排采管控的关键,涉及地层水环境对煤粉表面润湿性、表面电性和空间位阻效应的影响及作用机制,以及分散剂离子加入对煤层气的解吸和渗流能力影响等。围绕煤粉“黏附–润湿–凝聚–沉降全过程开展实验模拟”和“煤粉分散稳定性优化及流动实验”研究,以及煤粉理化性质精细表征、凝聚沉降机理分析和分散行为界定,提出适合煤粉稳定运移控制的流速,形成保持煤粉悬浮产出的基础性依据,为保障煤层气–水–煤粉稳定高效产出提供理论和技术支撑。      

富甲烷天然气溶解实验及水溶气析离成藏特征

对不同温度（90~200 ℃）和压力（20~120 MPa）条件下的富甲烷天然气在碳酸氢钠溶液中的溶解度值进行了实验测定,阐述了甲烷溶解度随温度、压力及矿化度的变化特征。综合前人的实验结果,将天然气的溶解度与温度的关系划分为3个阶段: ①缓慢递减阶段（0~80 ℃）;②快速递增阶段（>80~150 ℃）;③缓慢递增阶段（>150 ℃）。在温压的共同作用下,溶解度随埋藏深度的增加,也具有不同的阶段变化特征;且当地层水温度、压力足够高时,甲烷的溶解能力趋近于某一极限值。利用甲烷溶解度回归方程有助于对不同地区水溶气析离脱气界限的估算。我国主要存在包括侧向阶段脱气、断裂-底辟脱气、盖层渗滤脱气和构造抬升脱气4种与构造和渗滤作用有关的水溶气析离成藏模式。     

中国北方部分地区黄土、沙漠沙、湖泊、河流细粒沉积物粒度多组分分布特征研究

通过对我国北方部分地区的黄土、沙漠沙、湖泊、河流细粒沉积物的粒度多组分分布特征系统研究后总结了其粒度分布特征及组分间差异,并提出了风成、水成沉积物成因类型的判别依据。认为:1)细粒沉积物粒度一般由多个组分叠加构成,表现为多组分粒度分布特征。2)黄土粉尘粒径以<70 μm的悬浮颗粒为主,粒度由粗、中、细三个组分构成。粗粒组分含量最高,其中值粒径与源区距离呈负相关,中粒组分百分含量与源区距离呈正相关。3)沙漠沙粒度由一个极其明显的粗粒跳跃组分构成,中值粒径一般位于100~300 μm,分选性极好。4)湖泊沉积物粒度分布最多可有6个组分(中值粒径:<1 μm,2~10 μm,10~70 μm,70~150 μm,150~700 μm,>700 μm),前4个组分属悬浮组分,⑤为跳跃组分,⑥为滚动组分,分选性差。5)河流沉积物粒度分布曲线较复杂,其分布特征蕴含了水动力强弱信息。6)沙漠沙→黄土与河流沙→湖泊沉积物其优势组分的粒径均逐渐变细,但水成相对应组分比风成组分粒径要粗.     

药剂真空预压法处理工程废浆中生石灰的增渗作用

针对上海某桩基施工现场产生的工程废弃泥浆,将传统的固化剂生石灰作为添加药剂,在静置沉降阶段测试了不同添加量时浑液面沉降随时间的变化;对于静置沉降后不同添加量的泥浆絮体进行了真空预压试验,研究了真空预压过程中的排水量变化特性及试验结束后模型箱内的颗粒分布特性,采用MIP试验研究了真空预压前、后不同位置处孔隙的分布变化规律;基于SEM试验解释了生石灰在废浆处理中的水化作用。研究结果表明:(1)加入生石灰不仅能加快静置沉降阶段浑液面的沉降速率,而且由于生石灰水化物结晶体能将土颗粒联接起来,形成体积较大、结构松散、可以起到骨架作用的土团粒,后期的增渗作用十分明显;(2)在0.2%、0.5%、0.8%生石灰的3种添加量中,掺量为0.5%时,静置沉降和真空预压阶段泥面沉降速度均为最快;(3)经药剂真空预压法处理后,废浆中的孔隙孔径由处理前的3 184~11 308 nm为主减小至681~3 244 nm为主,孔隙总量减小约60%~79%。     

Studies on flow characteristics of coal–oil–water slurry system

Experiments were carried out to investigate the rheological properties of coal–oil–water suspension containing solids of different sizes. Two different coal samples with mean particle sizes of 120 mesh, 175 mesh and 220 mesh were used. The coal concentration was varied from 5% to 25% by weight. Sodium silicate has been used as an additive to study the behavior of the variation of average viscosity of the suspension. A generalized correlation has been developed to predict the average viscosity of suspension in terms of particle diameter of the coal, concentration of coal, viscosity of the suspending medium and the concentration of water. Experimental investigations revealed that coal–oil–water suspensions show an increase in the viscosity with decrease in coal size but with the addition of an additive, the average viscosity tends to decrease initially up to a certain optimum dosages and thereafter it increases with further addition of additives. Two empirical correlations are proposed for average viscosity of the coal–oil–water suspension, μ_sL in terms of physical properties of the solid and viscosity of the suspending medium with and without additives.     

A numerical model for sedimentation from highly-concentrated multi-sized suspensions

The principal numerical approach to describing sedimentation from multi-component suspensions (Mirza and Richardson, 1979) has been applied only to systems containing two or three particle size populations, but is theoretically applicable to suspensions containing a wider range of particle sizes. In order to adapt this model to the simulation of sedimentation from natural high-density sediment-laden flows, we have conducted computational tests on the sedimentation of suspensions with up to ten particle size populations. The tests run smoothly with binary systems and sometimes ternary systems, but fail with systems containing more than three particle size populations. One cause of the discrepancy between theoretical predictions and computational tests arises from the method used to calculate the changing concentration of particles in each zone of a stratified settling suspension. In quantifying the changing sediment budget for each sedimentation zone, the equation set fails to include the apparent outflow of finer particle populations across the upper boundary of the zone. In the present study, we express the sediment budget of each particle population within each sedimentation zone as the net sediment flux, the algebraic sum of the apparent particle inflow from the zone's lower boundary and the apparent particle outflow across the zone's upper boundary. This revised model successfully predicts the evolution of multi-component suspensions containing up to ten particle size populations over the length of time required for complete sedimentation, up to 8×10⁵ seconds. It can be used to predict the sediment sorting and the vertical textural variation of beds formed by the simulated sedimentation of a multi-component suspension. The model provides the basis for future computer simulation of sedimentation from highly concentrated sediment flows and for the prediction of downslope textural and structural variations of turbidites.     

煤层气排采非饱和流阶段煤粉–气泡耦合作用机理

揭示煤层气排采储层非饱和流阶段煤粉与气体相互作用机理,对制定排采制度和提高产气量具有重要意义。通过气泡–煤粉微观作用实验装置,系统开展了不同直径大小的气泡对不同粒度和密度煤粉的作用实验,分析了气泡对煤粉运移轨迹和速度的影响及捕获煤粉特征。结果表明,气泡产出能够影响煤粉的运移轨迹,甚至能够捕获煤粉;煤粉通过气泡时会产生3种运动类型：沿着气泡表面运移到气泡底部最后被捕获、沿着气泡表面运移到气泡底部最后脱落及接近气泡时被排斥而轨迹发生偏转。煤粉若被气泡捕捉,则运动速度呈现出减小–增大–减小的变化特征;若未被气泡捕获,速度呈现出减小–增大–减小–增大的变化特征。不同条件下气泡对煤粉的捕获效率高达64.38%～86.64%;在气泡表面最高点附近发生碰撞煤粉被捕获的概率最大,并且随着偏离角度的增大,气泡捕获效率均呈现出逐渐减小的趋势;在相同的碰撞位置下,气泡对煤粉的捕获效率随着煤粉密度、煤粉粒径的增大而减小,随着气泡直径的增大而增大。煤层气产气初期应根据储层的实际导流能力合理控制降压速率,若储层导流能力较强,应加大排采速率,增大气体解吸对煤粉的扰动和捕获作用,促使大量煤粉随地下水或气泡产出;若储层...     

煤层气开发中煤粉问题的研究现状及研究思路

随着煤层气的开发,煤粉问题已逐渐成为制约煤层气开发的重要问题。由于近年来煤粉问题才开始被关注和重视,煤粉研究缺乏系统科学的研究思路和方法,从煤粉的危害、煤粉形成机制、煤粉产出规律及煤粉管控措施方面,总结了煤层气开发中产出煤粉的研究现状,指出了煤粉研究的不足,提出了一套由理论依据、研究内容、研究方法等核心环节构成的煤层气开发中煤粉问题的研究思路与方法:以煤层气地质与开发学、煤田地质学、岩石力学和流体力学等多学科理论为指导,以《煤层气勘探开发规范》《煤层气井监测方法》《测试分析技术方法》等相关技术标准和规范为依据,以历年煤层气地质资料和煤层气排采数据为基础,按资料收集→现场监测与采样→测试与数据处理→物理模拟与数值模拟→专题制图与综合分析→技术设备研发→现场工程应用的工作流程和方法,以煤粉产出的影响因素、煤粉产出机理、煤粉产出规律和煤粉管制措施等为主要研究内容,选择典型煤层气示范区,开展全面系统的煤粉研究工作,为实现煤层气高效开发提供保障。本研究思路与方法为科学研究煤粉问题提供方法学依据。      

煤储层压裂轻质陶粒支撑剂粒级配比优化

水力压裂是目前煤储层改造增透的主要技术措施之一,支撑剂在压裂裂缝中的铺置范围和输送距离是衡量水力压裂效果的重要指标。针对潞安矿区煤储层特点,采用物理实验和数值模拟方法,对比分析试验煤层气井压裂支撑剂导流能力、铺砂范围、粒径组合等因素对裂缝导流能力的影响,筛选出最优的支撑剂粒径和粒级配比。结果表明,随着闭合压力增大,不同粒径覆膜轻质陶粒支撑剂对裂缝导流能力降低;相同粒径覆膜轻质陶粒在裂缝中形成的砂堤和铺砂区长度是传统石英砂的2倍左右;40~60目(0.25~0.38 mm)、16~40目(0.38~1.00 mm)、12~20目(0.83~1.40 mm)3种粒级覆膜轻质陶粒中,12~20目压裂裂缝长度、支撑缝长和平均支撑剂浓度最小,而导流能力最高;当3种粒级40~60目、16~40目、12~20目配比为1∶6∶2时,覆膜轻质陶粒压裂效果最好,平均裂缝缝长320 m,裂缝宽度0.672 cm,支撑剂密度5.16 kg/m2,裂缝导流能力为1.263。潞安矿区煤层气井采用覆膜轻质陶粒支撑剂压裂时,通过优化支撑剂粒度配比,显著提高裂缝导流能力,以提高煤储层渗透性和煤层气开采效果。      

Interpreting nanoscale size-effects in aggregated Fe-oxide suspensions: Reaction of Fe(II) with Goethite

The Fe(II)/Fe(III) redox couple plays an important role in both the subsurface fate and transport of groundwater pollutants and the global cycling of carbon and nitrogen in iron-limited marine environments. Iron oxide particles involved in these redox processes exhibit broad size distributions, and the recent demonstrations of dramatic nanoscale size-effects with various metal oxides has compelled us, as well as many others, to consider whether the rate and extent of Fe(II)/Fe(III) cycling depends upon oxide particle size in natural systems. Here, we investigated the reaction of Fe(II) with three different goethite particle sizes in pH 7.5 suspensions. Acicular goethite rods with primary particle dimensions ranging from 7 by 80 nm to 25 by 670 nm were studied. Similar behavior with respect to Fe(II) sorption, electron transfer and nitrobenzene reduction was observed on a mass-normalized basis despite almost a threefold difference in goethite specific surface areas. Scanning electron microscopy (SEM) images, dynamic light scattering (DLS) and sedimentation measurements all indicated that, at pH 7.5, significant aggregation occurred with all three sizes of goethite particles. SEM images further revealed that nanoscale particles formed dense aggregates on the order of several microns in diameter. The clear formation of particle aggregates in solution raises questions regarding the use of primary particle surface area as a basis for assessing nanoscale size-effects in iron oxide suspensions at circum-neutral pH values. In our case, normalizing the Fe(II) sorption densities and rate constants for nitrobenzene reduction by BET surface area implies that goethite nanoparticles are less reactive than larger particles. We suspect, however, that aggregation is responsible for this observed size-dependence, and argue that BET values should not be used to assess differences in surface site density or intrinsic surface reactivity in aggregated particle suspensions. In order to realistically assess nanoscale size-effects in environmentally relevant systems that are likely to aggregate, new methods are needed to quantify the amount of surface area accessible for sorption and reaction in wet nanoparticle suspensions, rather than assuming that this value is equivalent to the surface area determined from the characterization of dry nanoparticles.     

颗粒煤甲烷吸附过程扩散特征

为了研究甲烷在颗粒煤中扩散、吸附至平衡过程的扩散特性,基于颗粒煤吸附甲烷幂函数扩散模型,利用磁悬浮天平高压等温吸附仪,测定不同压力下颗粒煤甲烷吸附过程中扩散量随时间变化值,研究颗粒煤甲烷吸附达到平衡前的扩散特征。实验结果表明:平衡压力对颗粒煤甲烷吸附和扩散特性影响显著;吸附量和平均扩散系数随着压力增大而增大;颗粒煤甲烷吸附过程扩散系数随时间呈幂函数衰减,前500 s衰减幅度较大,平均扩散系数与时间呈负相关关系。研究认为颗粒煤吸附甲烷幂函数扩散模型对于描述颗粒煤甲烷吸附扩散过程具有较高准确性,有助于分析煤层气排采过程煤层气吸附量的动态变化,提高煤层气采收率。