不同变质变形煤储层吸附/解吸特征及机理研究进展

不同变质变形煤储层包括低煤级、中煤级和高煤级变质变形环境中的脆性变形煤、韧性变形煤和过渡型变形煤,不同变质、变形程度和机制对煤层气的吸附/解吸影响较大。干燥煤和平衡水煤的甲烷吸附量随变质程度的增强呈现出不同的变化趋势,干燥煤呈横"S"形且易于解吸,而平衡水煤呈倒"U"字形且吸附/解吸强度皆低于干燥煤样,且解吸过程较干燥煤滞后。构造变形导致煤的大分子结构和纳米级孔隙发生不同程度的改变,进而影响气体的吸附/解吸能力,脆性变形主要增加煤的大、中孔,其基本结构单元堆砌度略有增大,甲烷吸附/解吸程度有所增强;韧性变形主要增加煤的微孔-超微孔,其基本结构单元堆砌度增加较快,煤层气吸附能力增强,降压时韧性变形煤比脆性变形煤具有较高的瞬时解吸速率。由此可见,不同变质变形环境中的煤储层吸附/解吸能力差异较大,这主要是由煤储层内部结构及其影响因素对其制约所决定的。     

中煤级煤吸附甲烷的物理模拟与数值模拟研究

基于184个中煤级（镜质组最大反射率Ro,max介于0.65%~2.50%）煤在平衡水条件下的等温吸附实验成果,模拟了中煤级煤的朗格缪尔体积和压力与煤级的关系,建立了不同埋深（温度、压力）条件下不同煤级煤饱和吸附气量量板,探讨了压力和温度对中煤级煤吸附甲烷能力的综合效应,对比分析了中煤级煤吸附特征与低、高煤级煤的差异,提出了中煤级煤吸附气量预测的方法。     

构造煤与原生结构煤的显微傅立叶红外光谱特征对比研究

通过对平顶山、郑州和南票三大矿区石炭二叠纪含煤岩系中高煤级烟煤和无烟煤的显微傅立叶红外光谱分析，探讨了原生结构煤与构造煤的有机大分子结构演化特征及其影响因素。结果表明，构造应力有利于煤中氢发生化学环境转移，使脂肪烃含量相对减少、稳定的芳香烃含量相对增加，促进煤大分子结构缩合度和有序度增加。     

晋城高煤级煤有机质特征与生烃潜势

通过对晋城高煤级煤的有机质成熟度、有机质丰度和有机类型的分析, 阐明了本区高煤级煤的有机质特征。并评价了现存煤层的剩余生烃潜力和煤层在煤化过程中成煤物质产出的、并以特殊方式吸附在煤层孔、裂隙中的烃量。初步分析了高煤级煤的生烃潜势,并指出在一定的地质条件下,高煤级煤仍有较高的生烃强度。     

高煤级煤储层煤层气产能“瓶颈”问题研究

基于山西沁水盆地高煤级煤储层宏观裂隙、显微裂隙的连续观测,孔隙的系统测量,结合应力渗透率、气-水相对渗透率、吸附膨胀等实验成果,分析了高煤级煤储层三级渗流特征,探讨了有效应力和煤基质收缩对高煤级煤储层渗透率的耦合作用,系统揭示了在地面排水降压开发煤层气的过程中,高煤级煤储层初期产气量高,数月后急剧衰减之“瓶颈”现象,找出了造成高煤级煤储层产气缺陷的根本原因。鉴于高煤级煤储层物性的特殊性,指出了高煤级煤储层煤层气开发的技术和措施。     

煤岩学在煤自然发火倾向性研究中的应用

介绍了煤岩成分、煤级和煤的还原性等因素对煤自然发火倾向性的影响,镜质组的自然发火倾向性最大,壳质组次之,惰性组最低;随着煤级的增加,其自然发火的倾向性降低;煤级相同煤的还原性越强,其自然发火的倾向性越弱;华北石炭纪太原组煤的自然发人倾向性比同煤级的二叠纪煤倾向性小。      

温度控制下的煤层气储层物性动态演化研究

为研究热对煤储层的改造作用,采用不同煤级具有代表性的12件煤样。考虑煤级差异、温度作用差异以及核磁共振(NMR)在研究孔隙流体中的技术优势等,对煤样进行了显微组分、镜质体反射率、孔渗测试以及孔隙结构的压汞和NMR实验,研究了煤储层核磁共振特征、T2谱响应特征、孔径分布、核磁共振孔隙度及核磁渗透率、可动流体等,同时对比了不同变质程度煤储层孔隙结构特征及其对煤层气储层物性的控制作用。温度变化下的煤储层物性研究结果表明:热的作用对各煤级煤储层孔隙度都有改善作用,但是对低煤级影响最大,其次为中煤级,最后为高煤级煤储层。温度对不同煤级煤岩的渗透性影响迥异。高挥发份烟煤受热后渗透率增加了一个数量级。低挥发份烟煤受热后渗透率则下降了一个数量级,这应与煤岩热膨胀性有关。无烟煤渗透率总体变化不明显,说明热作用对高煤级煤储层改造意义不大。     

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。      

高温高压下煤变形的实验分析

通过对不同温度、压力实验条件下,不同煤级煤的应力－应变曲线特征分析,探讨了不同煤化程度煤的变形行为及其影响因素,论述了温度和压力在不同煤级和不同实验条件下具有的不同作用。在中煤级阶段,虽然围压的增大可在一定程度上提高煤的强度,但温度的影响更为重要。较高煤级在小应变阶段,温度起主导作用;而到了大变形阶段,围压的作用又逐渐上升到主导地位。此外,在一定的条件下,煤中气体的产生和释放对煤的变形行为具有显著     

高煤级Ⅲ无烟煤吸附甲烷的特征及其机制

对福建、京西地区高煤级Ⅲ无烟煤煤样分别进行了30℃条件下的甲烷等温吸附试验。结果显示,高煤级Ⅲ无烟煤对甲烷的吸附量要低于相同条件下的烟煤和高煤级Ⅰ、Ⅱ无烟煤。通过综合分析煤样的低温液氮吸附试验结果及其孔隙特征,结合煤结构理论和前期研究成果,分析认为:高煤级Ⅲ无烟煤的孔隙发育不均衡性、比表面积与孔容极小性以及芳香度高度缩合性,导致了其对甲烷的吸附空间大大减少,对甲烷的吸附量显著降低。研究成果对于丰富完善煤吸附气体理论,指导高煤级Ⅲ无烟煤地区矿井瓦斯治理及地面煤层气勘探开发都具有重要意义。      

应用高分辨率透射电镜研究煤显微组分的结构

应用高分辨率透射电镜研究变质系列镜质体和丝质体以及热解碳的物理结构特征表明,随煤级增高,镜质体的基本结构单元(BSU)的平均长度及缩聚芳香层平均环数NC呈增加的趋势;衍射环数增多,环的弥散程度减小,最终出现弧状;表明镜质体的BSU在变质过程中长大,定向性增强,VRo,max=6.50％是阶跃点,当VRo,max>6.50％,BSU突然定向排列。获得了很难获得的低煤化烟煤(VRo,max=0.66％)的高分辨图像,它的BSU尺寸小,无序排列。对丝质体和热解碳高分辨图像的首次研究发现,前者有序性差,随煤级演化的速度较镜质体慢,后者有序性好。     

再论煤中大分子基本结构单元演化的拼叠作用

芳构化作用和环缩合作用的传统煤化作用理论具有一定局限性,煤中基本结构单元拼叠作用是高煤级煤演化的特有机理。拼叠作用显著发生的起点位于镜质组最大反射率Ro,max为6．0％附近,大分子化学键的均裂提供了拼叠作用得以实现的微化学环境条件,其实质是一种“动力化学”过程,与氧接芳碳等有关的大量“均裂”是在短暂的煤化阶段中突然出现的,导致“拼叠作用”的显著发生具有“阶跃式”特征,是造成高煤级煤中期到后期阶段大分子基本结构单元急剧增大的根本原因和主要地球化学机理。     

Effects of Coal Rank and High Organic Sulfur on the Structure and Optical Properties of Coal-based Graphene Quantum Dots

Coal‐based graphene quantum dots (GQDs) were successfully produced via a one‐step chemical synthesis from six different coal ranks, from which two superhigh organic sulfur (SHOS) coals were selected as natural S‐doped carbon sources for the preparation of S‐doped GQDs. The effects of coal properties on coal‐based GQDs were analyzed by means of high‐resolution transmission electron microscopy (HRTEM), X‐ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS), ultraviolet‐visible (UV‐Vis) absorption spectroscopy, and fluorescence emission spectra. It was shown that all coal samples can be used to prepare GQDs, which emit blue‐green and blue fluorescence under ultraviolet light. Anthracite‐based GQDs have a hexagonal crystal structure without defects, the largest size, and densely arranged carbon rings in their lamellae; the high‐rank bituminous coal‐based GQDs are relatively reduced in size, with their hexagonal crystal structure being only faintly visible; the low‐rank bituminous coal‐based GQDs are the smallest, with sparse lattice fringes and visible internal defects. As the metamorphism of raw coals increases, the yield decreases and the fluorescence quantum yield (QY) initially increases and then decreases. Additionally, the surface of GQDs that were prepared using high‐rank SHOS coal (high‐rank bituminous coal) preserves rich sulfur content even after strong oxidation, which effectively adjusts the bandgap and improves the fluorescence QY. Thus, high‐rank bituminous coal with SHOS content can be used as a natural S‐doped carbon source to prepare S‐doped GQDs, extending the clean utilization of low‐grade coal.     

湖南新化煤系石墨结构演化及其热反应行为

为了探究煤系石墨形成过程中结构演化及不同石墨化程度无烟煤和石墨的热反应行为,选取湖南新化系列变质程度无烟煤和煤系石墨为研究对象,通过X射线衍射（XRD）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）对其结构进行表征,并结合程序控制升温法（TPO）分析不同变质程度无烟煤和煤系石墨的热反应行为。结果表明,随变质程度的增加,碳结构由无烟煤中的无定形态转变成石墨的三维有序C原子点阵。系列石墨化煤是由多种有序度不同的碳结构相组成,体现了其结构非均质性,碳结构相含量及分布随变质程度而逐渐变化,石墨化程度最高的煤系石墨中主要为石墨微晶集合体,但依旧含有结构缺陷。无烟煤和煤系石墨中碳结构的多相性和不均匀分布是影响其热反应行为的重要原因。      

构造应力对煤化作用的影响及其瓦斯灾害性

通过对豫西滑动构造区二1煤动力变质作用特征的研究,探讨了构造煤变质成烃作用与煤化进程的应力影响因素。研究结果表明,不同性质的构造应力具有不同的煤化效应;与拉张应力相比,具各向异性的挤压应力,对煤变质程度的增加、煤基本结构单元BSU侧链和官能团的脱落,以及煤层瓦斯的生成,都具有很大的促进作用。      

不同煤化程度煤热解过程中汞释放规律

采用热重与测汞仪联用技术,对5种不同煤化程度的煤进行氧化热解实验,研究不同煤化程度煤的热解过程及煤中汞的释放规律。结果表明:X射线衍射（XRD）曲线中衍射峰的特征可反应煤化程度,衍射峰的高度越高,宽度越窄,煤化程度就越高。不同煤化程度的煤在氧气中热解,质量损失随煤化程度的加深而增大,且随着煤化程度的加深,氧化热解的起始温度、最大热分解温度、终止温度也逐渐升高。随着煤化程度的升高,煤中汞释放所需的时间逐渐增加,且汞释放最大值所对应的热重（TG）曲线热解率最大的温度随煤化程度的加深而升高。      

Response of Macromolecular Structure to Deformation in Tectonically Deformed Coal

The structural evolution of tectonically deformed coals（TDC） with different deformational mechanisms and different deformational intensities are investigated in depth through X-ray diffraction（XRD） analysis on 31 samples of different metamorphic grades(R_o,max:0.7%-3.1%) collected from the Huaibei coalfield.The results indicated that there are different evolution characteristics between the ductile and brittle deformational coals with increasing of metamorphism and deformation.On the one hand,with the increase of metamorphism,the atomic plane spacing (d₀₀₂) is decreasing at step velocity,the stacking of the BSU layer（L_c） is increasing at first and then decreasing,but the extension of the BSU layer（L_a） and the ratio of L_a/L_c are decreasing initially and then increasing.On the other hand,for the brittle deformational coal,d₀₀₂ is increasing initially and then decreasing,which causes an inversion of the variation of L_c and L_a under the lower-middle or higher-middle metamorphism grade when the deformational intensity was increasing.In contrast,in the ductile deformational coals,d₀₀₂ decreased initially and then increased,and the value of L_c decreased with the increase of deformational intensity.But the value of L_a increased under the lower-middle metamorphism grade and increased at first and then decreased under the higher-middle metamorphism grade.We conclude that the degradation and polycondensation of TDC macromolecular structure can be obviously impacted during the ductile deformational process,because the increase and accumulation of unit dislocation perhaps transforms the stress into strain energy.Meanwhile,the brittle deformation can transform the stress into frictional heat energy,and promote the metamorphism and degradation as well.It can be concluded that deformation is more important than metamorphism to the differential evolution of the ductile and brittle deformational coals.     

不同煤阶煤应力敏感特征及其控制机理

煤储层应力敏感降低储层渗透率,进而影响煤层气井产能,如何降低排采中的应力敏感性影响值得深入研究。为了弄清不同煤阶煤储层的应力敏感性特征及差异性,分别采集樊庄高煤阶煤、保德中煤阶煤和二连低煤阶褐煤的样品,系统开展加载和卸载过程中不同煤阶煤的应力敏感性实验,并对应力敏感的产生机理进行分析。结果表明,随煤阶的升高,煤样的应力敏感性逐渐增强,含明显裂缝的样品敏感性更强。加载有效应力10 MPa条件下,相比初始渗透率,二连低煤阶褐煤样品渗透率下降79.26%,卸载后不可逆渗透率损害率平均33.4%;保德中煤阶煤样渗透率下降79.4%,卸载后不可逆渗透率损害率平均51.4%;樊庄高煤阶煤样加载后渗透率下降92.33%,卸载后渗透率只能恢复30%左右。产生这种差异的机理主要是由于不同煤阶煤的物质组成、孔裂隙结构以及渗流通道不同造成的。低煤阶煤变质程度低,主要发育大、中孔隙,割理–裂隙不发育,为基质孔隙–喉道渗流,渗透率主要受连通喉道控制,应力加载时主要是大、中孔压缩变形严重,而尺度较小的喉道受压缩变形小,因而其应力敏感性相对弱;而高煤阶煤孔隙以微、小孔为主,镜质组含量高,割理–裂隙发育,控制其渗透性,应力加载时微、小孔难以被压缩,而裂隙抗变形能力弱,易发生韧性变形破坏或闭合,卸载后也难以恢复,表现出强应力敏感特征。考虑到高煤阶煤储层埋深更大、应力更高,因此其应力敏感性对产能伤害大,排采初期宜以较小强度进行,降低不可逆渗透率伤害,扩大压降范围;而低煤阶煤储层本身应力低、渗透率较高,应力敏感对产能影响相对较小,排水期可适当加快速度,提高排水效率。      

沁南地区高煤阶煤储层流速敏感性及影响因素

流速敏感性评价实验结果是确定煤层气藏合理排采速度的重要依据,对煤层气开发具有重要意义。高煤阶煤储层的低孔低渗特征使煤储层速敏性评价不能仿照常规储层的液体实验方法,为此提出利用氮气评价高煤阶煤储层流速敏感性的新方法,并对沁南地区高煤阶样品进行测试。结果表明:沁南地区高煤阶煤储层速敏损害程度相对较弱,主要损害程度为无敏感、弱敏感和中等偏弱3种;高煤阶煤储层原始渗透率是控制煤储层速敏损害率的主控因素,煤储层渗透率越大,速敏损害率越高;煤岩中黏土矿物含量对煤储层速敏损害率的影响相对有限,速敏损害率主要与黏土矿物赋存方式有关,当黏土矿物主要赋存于裂隙中时,煤储层速敏损害率相对较大。      

低阶煤煤层气富集区预测方法研究与应用

目前低阶煤煤层气勘探面临资源探明率低,单井产量低的问题,中、低阶煤煤层气勘探还处于摸索阶段。为提高低阶煤煤层气富集区预测精度,探索性应用“弹性模量参数反演技术”。应用韩城、晋城、保德、吉尔嘎朗图、沁水盆地、淮南、淮北等地56口井652个煤样实验室测试数据,进行高、中、低阶煤含气量与弹性参量关系对比分析,结果表明:不同煤阶的煤层含气量与弹性参量之间相关关系具有一致性,且密度对低阶煤含气量的变化较中、高阶煤更为敏感,认为低阶煤煤层气储层具有利用地球物理方法进行识别的基础。在此基础上,选取吉尔嘎朗图凹陷三维地震数据,应用叠前弹性模量参数反演方法,预测其白垩系下统赛罕塔拉组Ⅳ煤组煤层气富集区面积总计101 km2,为下一步开发提供了优质建产区;经验证,预测结果与含气量测试结果吻合率为83.3%。叠前弹性模量参数反演可应用于低阶煤煤层气富集区预测,研究结果对低阶煤煤层气勘探开发具有一定的指导意义。