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     

高温高压下煤超微构造的变形特征

本文通过不同温、压实验条件下,不同煤级煤的应力-应变曲线及超微变形构造特征分析,深入探讨了不同煤化程度煤的变形行为及其影响因素。阐明了高温高压和差异应力作用是促使煤结构由无序向有序方向转化,使大分子结构有序畴和定向性增大的重要因素。论述了温度和压力在不同的煤级和不同的实验条件下,具有不同的作用。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。在整个变形过程中,定向压力都是不容忽视的重要因素。     

泥页岩吸附气量随地层埋深变化趋势预测分析

泥页岩在地层温度和压力条件下的吸附气量对于资源评价、有利区优选具有重要意义。因此,有必要确定在温度和压力双变量因素影响下页岩的吸附气量及其变化规律。通过合理运用不同温度下的等温吸附实验数据,将温度和压力双变量因素转化为埋深这个单一因素。选取某A样品,进行不同温度下的等温吸附实验,合理利用不同温度点和实验测试压力点的吸附气量数据,并通过温度梯度、压力系数实现温度、压力、埋深之间的相互转换,预测出其它温度点对应的吸附气量,从而建立该样品吸附气量随着埋深变化的定量预测模型。通过该模型计算未测试温度点的吸附量,结果准确可靠,认为该方法可以作为一种计算页岩吸附气含量的新方法。研究表明吸附气量随着深度的变化存在一个深度转折点,在该深度以浅的范围,吸附气量随着深度的增大而增大,压力起决定作用;在该深度以深的范围,吸附气量随着深度的增大而减小,温度起决定作用。     

温度对煤吸附甲烷的影响实验

为了研究温度对煤吸附甲烷的影响,实验测定了不同温度下煤对甲烷的吸附等温线,并对实验数据进行了拟合,同时对覆盖度与压力、温度、吸附量以及孔隙类型的关系进行了分析。结果表明:随着温度的增高,饱和吸附量和吸附速率明显降低,并且含气量与覆盖度呈正相关关系;同一压力下,随着温度升高,覆盖度降低;相对覆盖度概念可以解释高温覆盖度高而吸附量小于低温阶段的现象;结合孔隙度和液氮分析结果发现,随着温度的增高,小孔和微孔的吸附能力强于中孔和大孔;甲烷在煤上的等量吸附热随吸附量的增大而增大,但无规律可循,且由Clausius-Clapeyron方程预测出的等温吸附曲线与实测值有偏差,表明煤表面能量的不均匀性和表面离子的复杂性。      

高温高压条件下深部煤层气吸附行为

为了对深部煤层吸附特性进行分析,以鄂尔多斯盆地东部主要煤层为对象,展开 4 组不同温度条件下煤样的高压等 温吸附实验。从温度、压力、煤级等地质要素方面入手,研究较高温压条件下煤样的吸附特征。同时,通过对比分析各地 质因素对吸附行为的影响,比较深部煤层吸附行为与浅部煤层吸附行为的差异性。结果表明:深部煤层的吸附特性主要受 温度、压力的控制;高温条件下煤样对 CH4 的吸附量大大减少,且煤级、煤岩显微组分、灰分产率以及水分含量对吸附性 能的影响已明显小于浅部煤层,温度、压力成为控制吸附量的决定因素。在 100°C条件下,吸附量到达某一压力后随着压 力的增大煤样吸附量下降,分析认为由于在此温压下,随着压力的增加,吸附相与游离相气体的密度差逐渐减小,超临界 吸附已不再符合 Langmuir 等温吸附模型。     

山西省煤层气资源量及可采潜力

山西省煤层气资源丰富,开发条件优越。在以往研究成果的基础上,根据大量的煤田钻孔、煤层气井和煤样等温吸附实验等资料,分析了煤层含气性、煤级、储层压力、温度、煤的吸附能力、含气饱和度等特征,对山西省深部煤层含气量进行了预测,估算了煤层气资源量及可采潜力。研究结果表明,煤级、储层压力、温度、煤的吸附能力、含气饱和度等参数直接或间接受埋深控制,并通过等温吸附方程综合影响深部煤层含气量,含气量随埋深的增加而增加,但增加趋势变缓;估算2000m以浅煤层气资源量约8.3万亿m3,煤层气平均可采系数在30.0%~56.7%。     

液态水影响不同煤级煤吸附甲烷的差异及其机理

以IS100等温吸附解吸仪和MTS815型电液伺服岩石实验系统为主要实验平台,应用已建立的模拟储层条件下煤样注水和注水试样等温吸附实验方法,对3种不同煤级的煤储层样品开展了高压（8～20 MPa）注水和等温吸附实验,发现储层条件下煤层中的液态水（注水煤样）对不同煤级（0.46%<Ro,max<1.72%）煤吸附甲烷影响有差异,其含水量随煤级升高呈L型降低,而吸附量则线性增加。笔者认为液态水造成吸附差异的原因是煤体润湿性的差异,对于中低煤级的煤样来说,煤表面的物理化学性质起着控制作用,直接影响着煤体润湿性,吸附势和含水量的曲线都说明了这一点。     

我国不同时代不同煤级煤的吸附特征

通过对采自不同地区,各种煤级近500个煤样平衡水分条件下的等温吸附实验数据的统计分析,研究了我国主要成煤时代、煤级和平衡水分煤的吸附特征,以及其Langmuir体积和Langmuir压力的变化规律,分析了Langmuir常数与煤岩显微组分、矿物质含量、孔隙度的关系,探讨了煤的吸附机理及各因素对煤吸附能力影响的内在原因.     

页岩气高压吸附特征及其对储采规律的影响

针对目前页岩吸附等温线测试温度、压力通常未达到储层温压条件这一问题,设计了页岩高温高压吸附等温线测试方法,研究了储层温度、压力条件下页岩吸附等温线特征,以实际页岩岩心为例计算了游离气和吸附气随压力的变化规律,并采用全直径页岩氦气和甲烷控压生产实验研究了吸附气对产气特征的影响。结果表明：视吸附量先随压力增大而增大,到达峰值之后视吸附量随压力的增大而减小;在低压条件下,采用Langmuir外推计算的吸附气量与高压实验计算的吸附气量相差不大;而在高压条件下,采用低压Langmuir理论推算总含气量高估9.2%;低于临界解吸压力时,吸附气解吸附使得单位压差产气量增加;高于临界解吸压力时,吸附气对单位压差产气量几乎没有影响;开发初期,低于临界解吸压力范围较小,吸附气对产气量贡献较小,尽可能动用游离气是高效开发的关键。     

煤瓦斯多场耦合显微观测试验装置的研制与应用

为揭示在温度、地应力和瓦斯压力等多场作用下煤与瓦斯（methane）相互作用对煤矿瓦斯抽采、CO2注气强化瓦斯开采及CO2在深部不可采煤层的封存具有的重要意义,更精确地从微观角度观测在多物理场耦合条件下煤瓦斯相互作用的动态过程,研制了一种在多场耦合条件下带显微观测装置的煤瓦斯试验装置。该装置由密封容器与施力夹持机构、气压系统、温度场系统、显微观测系统4部分组成,能够通过显微观测装置结合图像处理技术,直接观测多场条件下煤与不同气体的相互作用所引起的细微变化。利用该装置进行了无应力加载、相同温度、相同气压下的瓦斯、CO2的吸附膨胀试验。研究发现,（1）试件在两种气体的变形大致经历了快速增长、缓慢增长直至平衡3个阶段,类似于吸附等温曲线;（2）试件在CO2气体中达到吸附饱和的时间比试件在瓦斯气体中达到吸附饱和的时间要短;（3）试件在瓦斯气体中的最大线性应变约为0.15%,相同条件下试件在CO2气体中的最大线应变约为0.5%,相同条件下试件在CO2气体中达到吸附饱和时的最大应变比试件在瓦斯气体中达到吸附饱和时的最大应变大3倍左右。研制的装置具有结构简单、直观、精度高的特点。     

不同煤阶深煤层含气量差异及其变化规律

基于Langmuir 等温吸附方程式,开展不同煤阶不同温压条件下等温吸附模拟实验,实验结果表明：在煤岩镜质组反 射率Ro<3.0%时,Langmuir 等温吸附曲线随煤阶、温度、压力升高表现出明显的分带性。随着煤阶的升高,煤吸附能力逐 渐增强。温度小于55℃时不同煤阶Langmuir 体积受温度影响较小,之后影响逐渐增大。低煤阶在12 MPa、中高煤阶在 15 MPa以前随压力增加Langmuir 体积增大明显。根据实测含气量外推法结合高温高压等温吸附实验建立了深煤层含气量数 学模型,显示煤层含气量随埋深呈现快速增加—缓慢增加—不增加—缓慢减小的变化规律,其中低煤阶临界深度介 于1400~1700 m,中高煤阶临界深度介于1500~1800 m。该含气量数学模型对预测深部煤层含气量变化规律及煤层气资源评 价提供基础依据。     

低煤阶煤中甲烷扩散性能分析

甲烷在煤基质中的扩散性能是影响煤层气产出的重要储层参数。采用云南东南部地区新近系中新统小龙潭组褐煤样品,开展了低煤阶煤中甲烷等温吸附实验。基于等温吸附实验获得的吸附量与时间的关系数据,应用一元孔隙结构气体非稳态扩散模型,计算了煤中甲烷气体扩散系数,揭示了煤中甲烷扩散规律和控制机理。研究结果表明,低煤阶煤中气体扩散规律服从Langmuir方程,煤中甲烷有效扩散系数和扩散系数随着压力的增高而增大;吸附时间常数随着压力的增高而减小,服从负指数函数规律。4个实验煤样Langmuir有效扩散系数和扩散系数分别是（1.71~5.46）×10-4 s-1和（2.17~6.91）×10-12 m2/s,Langmuir压力为0.63~1.97 MPa。在相同温度和压力条件下,干燥煤样的有效扩散系数和扩散系数大于平衡水分煤样,随着温度的增高,其有效扩散系数和扩散系数增加,煤中气体扩散性能增强。      

高煤级煤储层含水性特征及其对吸附能力的影响

为了研究高煤级煤储层含水性对吸附能力的影响,对阳泉-寿阳区块8件代表性煤样开展了镜质体反射率、显微组分、孔隙度、压汞、核磁共振和甲烷等温吸附等实验,分析了煤储层孔径分布、核磁共振T2谱响应特征、核磁孔隙度以及煤岩吸附能力,同时对煤储层含水性和煤储层吸附能力的相互关系进行了分析。研究结果表明：高煤级煤储层孔隙以微孔发育为主,孔隙含水性以微小孔中的束缚水赋存状态为主,且其含水量随最大镜质体反射率(Ro,m)的增大而增加。在影响高煤级煤储层吸附能力的多种因素中,煤储层含水性对煤岩吸附能力起着决定性的作用,尤其体现在微小孔中的束缚水对吸附能力的影响,束缚水含量越高,煤岩吸附能力越差。     

深部中-高煤级煤储层孔隙结构与吸附性

为了探讨中-高煤级深部煤层孔隙结构特征和吸附性,以陕西宜川和山西柿庄地区埋深100~1 800 m的中-高煤级样品为研究对象,对样品进行了煤岩煤质分析以及压汞法、核磁共振、低温液氮和等温吸附等测试,结果表明：(1)随着深度的增加,煤层吸附孔含量增多,渗流孔含量减小,渗透性降低,储层物性变差。(2)比表面积和总孔体积在1 000 m附近出现高值区域,随后才出现如前人所述的随深度逐渐降低的趋势,这与小孔的贡献率一致,可见比表面积和总孔体积并非完全由微孔决定,小孔作用显著。(3)深部煤层吸附性是压力的正效应与温度的负效应共同作用的结果,随着压力的增高,吸附量明显增加,温度每升高1 ℃,吸附量平均减少0.25 cm³/g;兰氏压力并不是简单地随温度递增而递增,而是存在随温度变化的拐点(35 ℃),大于拐点温度时,兰氏压力才呈现增高趋势。     

准噶尔盆地彩南地区深层低阶煤吸附特征及其影响因素

现有数据表明我国1 000 m以浅低阶煤层含气量普遍偏低,而深层低阶煤试采效果显示较好。基于Langmuir方程开展了低阶煤高温高压环境下等温吸附模拟实验,结果表明:褐煤吸附量约占长焰煤、气煤吸附量的1/3,吸附能力最弱,随着煤阶的升高,吸附量逐渐增大;实验发现低阶煤在55℃、12 MPa以下吸附量随温度、压力增大而增加较快,并建立了基于煤阶-温度-压力条件下的深层低阶煤饱和吸附模型;煤层随着埋藏深度的增加,吸附量呈现出快速增加-缓慢增加-缓慢递减的过程,即深层煤层吸附量存在吸附临界深度带,为1 400~1 700 m。1 400 m以浅吸附量受压力正效应大于温度负效应,吸附量随埋深增加而增加,临界深度带内吸附量达到极限,不再增加,1 700 m以深温度负效应大于压力正效应,吸附量随深度增加而减小。实验结果为深层低阶煤层气资源评价及开发潜力提供理论依据。      

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。      

基于Langmuir吸附的瓦斯含量和瓦斯压力的对应关系

为探讨煤层瓦斯含量和瓦斯压力的对应关系,应用Langmuir方程,分析总结了吸附常数测值的影响因素,初步阐述了瓦斯含量和瓦斯压力的内在联系,并进行了不同变质程度煤的相关实验研究和理论计算。研究结果表明:Langmuir吸附常数测试受吸附时间、压力点设置、温度和水分含量等多种因素影响;利用修正的Langmuir方程换算的瓦斯含量或瓦斯压力与煤的变质程度有关,在低煤级阶段表现为高压低含量特点,而高煤级阶段正好相反,瓦斯压力0.74 MPa和瓦斯含量8 m3/t只有在贫煤阶段才近似一致。建议综合考虑地质构造和构造煤发育情况,以实测瓦斯压力为主要依据,针对不同变质程度煤的矿井制定合理的突出预测指标。      

页岩中气体的超临界等温吸附研究

页岩气等温吸附实验多为临界温度以上的吸附实验,其得到的吸附量为过剩吸附量。为了研究页岩气超临界等温吸附机理,运用重力法,在临界温度以上,分别进行了甲烷和二氧化碳在页岩中的高压等温吸附实验。在分析经典型吸附和超临界吸附区别的基础上,通过修改的超临界等温吸附模型(Langmuir方程和微孔充填(Dubinin Radushkevich,D-R))对实验数据进行了拟合。结果表明:简单的Langmuir方程可近似拟合甲烷吸附实验数据,但精度不高,且无法拟合二氧化碳的吸附数据;将吸附相密度作为可优化参数,修改的微孔充填模型和Langmuir模型能很好地拟合甲烷和二氧化碳的吸附数据,其中修改的微孔充填模型拟合效果最好,且回归得到的超临界甲烷吸附相密度同文献报道的一致,表明吸附气可能以微孔充填的形式存在。      

有效应力对煤吸附特性影响的试验研究

为了研究煤岩吸附特性受有效应力影响的机制,结合压汞试验所测定的孔隙率和孔径分布情况,利用自制的原煤等温吸附装置,分别在不同有效应力条件下对山西潞安煤样进行了CH4等温吸附试验。结果表明：①恒温条件下,随着有效应力的增加,煤对CH4吸附量呈下降趋势,气体压力越高时这种变化趋势越明显;②Langmuir方程吸附常数a与有效应力呈负相关关系、吸附常数b则呈正相关关系,分析认为这与原煤内部部分微孔隙封闭和化学势差变化有关;③根据试验数据拟合得出考虑有效应力影响的Langmuir方程形式,所得结果对于煤层气资源评价和开采具有较大的参考价值。     

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。