煤层气井压裂液和支撑剂

压裂液和支撑剂是煤层气井压裂增产措施的基本材料。通过实验分析了破胶剂的低温破胶效果，亲模拟研究了压裂液对煤的基质渗透率的伤害情况，形成了一整套适合于煤层气井的压裂液体体系和配方，确定了用石英砂作为煤层压裂的支撑剂。     

基于显微CT的煤生物降解过程中孔隙演化精细表征

为了查明产甲烷菌群对不同变质程度煤厌氧发酵所产生的生物增透效应,利用显微CT对生物降解前后的煤样进行三维重建,分析煤的孔隙结构变化特征,通过扫描电镜观察产甲烷菌群在煤表面的吸附特征,探讨不同煤阶煤生物改造效果差异的原因。实验结果发现,厌氧发酵后煤样的孔隙率和吼道总长度增加,孔隙的连通性增强,表明在厌氧发酵过程中煤被微生物降解,促进煤中新孔隙的形成、扩展和贯通,从而实现煤的生物增透效应。随着煤的变质程度降低,煤中孔隙结构明显改善,主要原因在于产甲烷菌群更倾向于吸附在低阶煤的表面。研究结果可为煤层气生物工程的现场应用提供理论指导。      

超临界CO2参与下煤储层原位微生物甲烷化物理模拟研究

超临界CO₂能够破坏煤分子结构,提高生物甲烷的产量。为研究微生物在超临界CO₂参与的煤储层原位条件下的产气潜力,以新疆地区某煤层气区块目标煤层的初始储层压力、温度和气体组分作为原位储层条件,通过自主设计的煤储层原位厌氧发酵装置,模拟煤储层原位储层条件下的厌氧发酵过程,并对生物气产量、煤的官能团结构和微生物群落结构进行了分析。研究结果表明,在超临界CO₂参与的煤储层原位条件下,生物甲烷产量达到了32.9 mL/g,CO₂的生物转化率为17.4%。FTIR光谱表明,原位条件下微生物对苯酚、醇、醚、酯中含氧基团的降解能力要强于常规条件下的厌氧发酵。超临界CO₂参与下的储层原位厌氧发酵系统中,多种产甲烷代谢途径的产甲烷菌(氢营养型、乙酸营养型和甲基营养型)逐渐向单一的氢营养型产甲烷菌演化。高压环境下,细菌群落中芽孢杆菌Solibacillus silvestris成为水解产酸发酵阶段的优势菌。该研究为煤层气生物工程的现场实施和碳减排提供了实验基础。      

煤层气压裂中压裂液吸附特性研究

在煤层气井压裂过程中,由于煤储层具有割理发育、比表面积大等特性,使煤层吸附压裂液而对煤储层造成严重伤害。使用IR和GC/MS分析仪等,对煤基质吸附压裂液进行了探索性试验研究,将复杂的压裂液体系简化为3类吸附组分,即GC/MS分析结果为代表的有机组分、无机物分析代表的吸附组分、瓜胶及其破胶后的断链有机物组分。通过无烟煤和长焰煤对压裂液的吸附试验及IR分析发现,煤样对有机成分有更强的吸附性能。      

煤层气生物工程关键预处理技术及其作用机制评述

煤层气生物工程是以实现煤炭资源清洁化利用和煤层气资源强化采出为目标的一项新兴技术。为探究煤层气生物工程关键预处理技术的特点、生烃潜力及其作用机制,对不同预处理技术进行了归纳与总结,并按煤(有机质)与菌(微生物)的作用方式将预处理技术分为菌群优化与改良、煤的溶解与氧化、生物刺激与协同3种类型,通过不同预处理技术下微生物降解煤生成甲烷能力的强弱关系的比较,认为不同预处理技术均对生物甲烷具有增产作用,其中,菌群优化与改良技术增产效果最高,达到428.6%~2 335.2%(平均1025.4%),是通过提高产甲烷菌丰度或提升菌群数量来达到增产甲烷的效果,适用于烟煤储层及微量元素充足条件;其次是煤的溶解与氧化技术,甲烷增幅达17.6%~733.3%(平均223.4%),作用机制是增加生物酶水解作用位点、降低煤分子间作用力、脱落含氧官能团、降低煤结晶度和破坏煤的芳香结构使煤更容易被微生物利用,适用于高阶煤储层及低孔低渗条件;生物刺激与协同技术,甲烷增幅达28.3%~620.5%(平均148.6%),是利用不同方式刺激微生物体内的生物酶活性和增加菌?煤接触面积来增产生物甲烷,适用于褐煤储层及胍胶压裂条件。研究结果对于丰富煤层气生物工程基础理论和指导现场工程应用均具有重要的科学意义。      

高岭土对煤生物产气的影响及微生物群落响应

高岭土是自然界较常见的无机矿物,对微生物的生长代谢有促进作用,煤中赋存大量高岭土,而有关其对煤生物产气影响的报道确较少。为探究高岭土对煤生物产气的影响,以陕西榆林煤为研究对象,以驯化的微生物作为产气菌群,通过在培养基中添加不同质量分数的高岭土进行煤生物模拟产气,利用气相色谱仪、酶标仪、傅里叶红外光谱仪、Illumina高通量测序平台,研究CH₄产量、总挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids, VFAs)浓度、辅酶F₄₂₀含量、产气前后煤的有机官能团和微生物群落结构的变化。结果表明:高岭土的添加影响生物产气过程,0~8.0%高岭土添加量可明显分为2个区间,0~1.0%和2.0%~8.0%,产甲烷量、累积产甲烷量和F₄₂₀在2个区间内呈先升后降趋势,而乙酸和VFAs浓度变化趋势相反;模拟生物产气50 d后,添加高岭土实验组(0.5%)每克煤累积产甲烷量最高可达216 μmol,较空白组提高55.4%;同时,添加高岭土可以提高辅酶F₄₂₀的含量,最高可达48.93 ng/L,也有助于煤中的醇、酚—OH、—NH—和—NH₂被微生物利用。高岭土对煤生物产气体系中细菌种群结构的影响规律不明显,仅Firmicutes(厚壁菌门)在0~1.0%和2.0%~8.0%添加区间呈现先增后减的变化趋势;相比之下,高岭土的添加对古菌丰度变化影响较明显,体系中的古菌主要是Euryarchaeota(广古菌门),其中,Methanosarcina(甲烷八叠球菌属)和Methanobacterium(甲烷杆菌属)是古菌中丰度最高的种属,Euryarchaeota和Methanosarcina丰度在0~1.0%和2.0%~8.0%区间内与甲烷累积产量变化、F₄₂₀变化趋势一致,Methanobacterium却和VFAs变化趋势一致。由此得出,高岭土的添加会影响榆林煤的生物产气,其产甲烷量、VFAs、F₄₂₀酶活性、微生物群落结构和煤中有机官能团组成均会发生变化,这为后续研究煤中无机矿物对煤的生物产气的影响提供参考。      

煤层气井清洁压裂液破胶剂的筛选

为解决清洁压裂液在煤层气井中的破胶问题,通过考察破胶剂的种类、温度、用量及pH值对破胶时间的影响,筛选了4种适合于不同压裂深度的煤层气井的新型温敏化学破胶剂——PJJ-25、PJJ-30、PJJ-35和PJJ-40。结果表明:这4种破胶剂用量为0.02%~0.03%;破胶时间在0.5~5 h之间可控制;破胶后体系粘度小于3 mPa.s;表面张力低于30 mN/m;残渣低于0.1%。实践证明,这4种破胶剂均有良好的破胶效果,破胶液与地层的配伍性良好,且对煤层伤害较轻。      

贵州普安-晴隆矿区晚二叠世煤及煤灰中伴生元素的富集特征

运用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）和电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）分别对普安-晴隆矿区晚二叠世C17、C19、C22和C26号煤层中8个煤样和7个煤灰样进行微量元素含量的测试分析。结果表明,煤及煤灰中明显富集Li、Sc、V、Cr、Co、Ge、As、Nb、Mo、W、U等元素,且各元素在煤灰中更加富集,Nb、Zr、V、Ga和U等伴生金属元素的含量基本达到或超过了对应元素的边界品位或最低工业品位。煤中伴生元素的富集成因研究表明,V、Cr、Co、Nb和Zr等元素的富集主要受物源区峨眉山玄武岩风化碎屑物质供给的控制;U、S、Mo等元素的有限富集与海水作用有关;而受成煤期同沉积火山灰沉降的影响,煤中Li、Nb、Zr、Mo和U等微量元素表现出一致富集的特点;成煤期后的低温热液作用,使得各煤层,尤其是底部煤层（C19、C26）明显富集As、Mo、U和W等元素。综合分析认为,成煤期同沉积的火山灰沉降和成煤期后的低温热液作用是普安-晴隆矿区晚二叠世煤中伴生元素异常富集的主控地质因素。      

云南宣威晚二叠世末生物灭绝期C1煤的地球化学特征

云南宣威雁塘煤矿晚二叠世末期C1煤层蕴含了二叠纪—三叠纪界线事件演化以及宣威肺癌高发原因方面的重要信息。本文对该矿C1煤层(包括三个分层——B1、B2和B3)进行了刻槽分层采样,采用X射线荧光光谱和电感耦合等离子体质谱测试了24个样品中常量和微量元素。利用偏光显微镜和带能谱的扫描电镜(SEMEDX)对煤中的显微组分及矿物组成进行微区分析,利用X射线衍射对低温灰化后的煤样作了矿物的半定量分析。结果表明,雁塘矿C1煤中常量元素Ca、Mn、Si含量明显高于中国煤均值;与华南二叠纪煤平均值、中国煤平均值、世界煤平均值以及地壳元素丰度相比较,雁塘矿C1煤中的W、Co、Mo、Cd、Pb、Be、Sb、Cu、Ni、Zn、Zr和V等12种微量元素相对比较富集。结合相关分析和SEM-EDX微区分析方法,对C1煤中微量元素的赋存状态进行分析发现Cs、Ga、Nb、Ba、Rb、Th、Tl、U与灰分显著正相关,表明这些元素主要以无机矿物态赋存,其它元素赋存状态复杂。结合C1煤中12种富集元素在垂向上的含量分布特征,推断Co、Cu、V、Zn应主要来源于峨眉山玄武岩风化产物;Be和Zr主要受同沉积火山灰影响;Ni则可能受峨眉山玄武岩风化及同沉积火山灰的共同影响;同沉积火山灰是C1煤中W来源之一;Sb可能受中低温热液的影响。C1煤中Zr与我国南方其他地区P/T界线粘土岩中Zr的富集规律一致。C1煤中富集的微量元素与宣威肺癌高发区可吸入颗粒物中的高含量元素一致,推断C1煤的燃烧可能与宣威肺癌高发有关。C1煤中富集的有毒有害微量元素可能与二叠纪—三叠纪之交生物大灭绝期的独特环境有密切关系。     

焦坪矿区侏罗纪煤层地面煤层气井压裂液优选实验

压裂液与储层的配伍性是影响水力压裂效果的关键因素之一。为了研究适合焦坪矿区侏罗纪煤层地面煤层气井使用的压裂液配方,通过分析储层特征,提出了相适应的压裂液配方,并借助室内模拟实验对压裂液配方进行优选评价。结果表明:活性水压裂液配方中防膨剂优选1.0%氯化钾防膨效果较好;活性水压裂液配方中助排剂优选0.05%氟炭离子表面活性剂或注入乙醇段塞,再注压裂液这两种助排剂效果较好;对于生物酶破胶压裂液配方建议进一步进行现场试验。      

大同煤田接触变质煤的煤岩煤质变化规律

大同煤田石炭-二叠纪煤层中的岩浆岩侵入造就了大量的接触变质煤，降低了煤的利用价值。为了详细探讨岩浆岩体距煤层距离对煤的物理化学性质影响，通过对塔山井田5222巷的辉绿岩岩墙及周围煤层的地质编录、系统采样，及煤样的煤岩学分析、工业分析和元素分析，研究接触变质带的煤岩煤质特征。结果表明:接触变质煤在高温条件下生成各种天然焦微观结构，如镶嵌结构、流动结构、热解碳等；侵入体对煤层的瞬时加热显著提升了热变煤的煤级，镜质体最大反射率由正常煤的0.67%~0.87%增至接触变质煤的0.94%~3.67%；接触变质煤中水分含量和灰分产率显著升高，挥发分产率降低；靠近岩墙的煤样中C含量上升，H、N、O含量下降。综合分析认为，岩墙接触变质作用对煤层的影响范围约4.5 m，即1.25倍岩墙宽度，而严重变质带为1.6 m。研究成果为煤的开采利用评价提供依据。      

岩浆侵入煤层中锑的赋存特征——以淮北卧龙湖矿为例

为探讨岩浆蚀变作用对煤层中锑赋存特征的影响,系统采集安徽淮北煤田卧龙湖煤矿岩浆侵入煤层侵入岩和全煤层样品共12个,利用原子荧光光谱法（AFS）测定样品中Sb含量,并对煤质参数进行分析。结果表明:卧龙湖煤矿岩浆侵入区煤表现为超低挥发分,中等灰分,特低硫的特点,煤中的硫主要以有机硫和黄铁矿硫存在。受岩浆热液影响,煤中灰分增加,挥发分减少;岩浆蚀变煤层中锑明显富集,算术平均值达到10.48 mg/kg,且侵入岩上方煤中Sb的平均含量明显增高,煤岩接触带位置Sb的含量达到最高值（13.93 mg/kg）;岩浆蚀变煤中的锑主要以无机结合态形式存在（相关系数r为0.74）,有机硫与煤中Sb呈显著负相关（相关系数r为-0.60）。岩浆侵入作用导致卧龙湖煤矿煤的煤质特征及煤层中锑的赋存方式受到不同程度的影响,研究结果可为特殊地质作用下煤中锑的环境地球化学特征提供参考。      

不同联合预处理对褐煤厌氧发酵产甲烷的影响

高效实用的预处理方式对提高甲烷产量具有重要的作用,但单一的预处理方式往往较难获得满意效果,尤其是针对组成成分复杂的褐煤而言,对其后续产甲烷性能的影响更是存在不确定性。为探讨不同联合预处理对褐煤厌氧发酵产甲烷的影响,以1.00%HCl+5.00%H₂O₂(1号)、6.00%NaOH+5.00%H₂O₂(2号)、1.00%HCl+10.00 g木质素酶(3号)、6.00%NaOH+10.00 g木质素酶(4号)、5.00%H₂O₂+10.00 g木质素酶(5号)等不同联合预处理褐煤为实验组,未经预处理煤样为对照组(6号),在适宜菌种来源和环境条件下进行厌氧发酵产甲烷实验。利用比色法、气质联用法、扫描电镜等对联合预处理产甲烷过程中的糖类、挥发性脂肪酸含量及煤降解特征进行分析,以揭示其影响机理。结果表明:①不同联合预处理均可以增加褐煤发酵产甲烷量。4与5号联合预处理效果较好,累积甲烷产量分别是20.36 mL/g与8.83 mL/g,相比6号对照样分别提高了24.24倍与10.51倍。②各实验组COD(化学需氧量)去除率均高于对照组,且反应前后菌液pH波动值小。③反应初期3号实验组多糖含量最低(0.37 μg/mL),6号多糖含量最高(2.15 μg/mL),且均呈现出先下降后上升的总体趋势。④ 2、3与5号实验组还原糖含量在整个反应过程中保持较高值,且反应末期各产气组糖类含量均不为零。⑤不同联合预处理均可以促进乙酸、丁酸的降解并提高产气率。不同条件下的褐煤产甲烷量与转化率变化特征,证实了联合预处理煤增产生物甲烷的有效性,可为煤制生物气技术的产业化应用提供借鉴。      

Solid state 13C-NMR spectroscopy of some oligocene coals of Assam and Nagaland

Five representative sub-bituminous coals from NE part of India have been analyzed with respect to their distribution of carbon functional groups through ¹³C solid state NMR experiments. The ¹³C Cross Polarised/Magic Angle Spinning NMR spectra of the coal samples were recorded at temperatures of 23°C, 50°C and 70°C respectively and the changes on their structures were interpreted. The NMR spectra of low rank coals were found to exhibit varying degrees of fine structures. The aromaticities of the coal were also determined from the C/H ratios of coal. Some changes in the peak positions along with the formation of simple aromatic units were observed on mild heating.     

窑街矿区浅层煤系气储层特征及勘探开发关键技术

煤系气勘探开发不仅可以减少资源浪费,而且可以缓解我国能源危机,降低煤矿瓦斯事故,保护大气环境,为实现碳达峰、碳中和目标做出贡献。依托窑街矿区海石湾井田三采区浅层煤系气开发示范工程,分析窑街矿区煤系气储层特征,探讨煤系气勘探开发关键技术。研究表明:井田煤系气主要赋存于侏罗系中统窑街群煤系第四岩组(J₂yj4)的油页岩、油砂岩和第二岩组(J₂yj2)的油A层、煤二层等特厚产层中;油A层、煤二层气含量随着埋深的增加而增大;CO₂浓度较高,且随着埋深增加而减小;煤二层吸附能力较强,油A层更容易解吸;各层渗透率为油砂岩 > 油A层 > 煤二层 > 油页岩;抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和脆性指数显示各产层改造难易程度由小到大依次为油砂岩、油A层、油页岩、煤二层。油页岩有机质丰度4.06%,干酪根类型Ⅱ₂–Ⅲ型;油A层有机质丰度43.27%,变质程度呈两极分化,腐泥煤镜质体反射率0.48%~0.53%,腐植煤镜质体反射率0.89%~0.97%;煤二层有机质丰度92.87%,其中镜质组体积分数67.90%,惰质组29.10%,壳质组3.50%,变质程度以肥煤为主,含少量气肥煤。与我国大部分欠压地层相比,各产层储层压力正常,产气潜力大;煤系气开发应优选煤二层、油A层和油页岩;多段分簇、限流法射孔工艺和细砂防滤失、投球暂堵、两高一低(高排量、高砂量、低砂比)的压裂工艺适合于该区致密特厚储层改造,挂泵位置低于煤二层射孔段和重力式螺旋气锚排采工艺可减少CO₂的影响,提高排采效率。这些关键技术的应用显著提高了井田示范工程产气效果,单井日产气量超过2 000 m3。      

煤矿酸性“老窑水”低Ca/Mg成因机制

山西省阳泉市山底河煤矿“老窑水”循环系统多年水质监测数据计算结果显示,煤矿酸性“老窑水”的Ca/Mg值普遍偏低,且存在Ca/Mg值随酸化程度的增强（SO₄2?含量增加或pH减小）而减小的规律。针对这一问题,结合研究区的地球化学物源条件,通过室内试验以及野外监测水样的石膏、方解石、白云石矿物饱和指数与pH变化关系,分析煤矿酸性“老窑水”低Ca/Mg值的成因机制。研究表明:区内石炭系－二叠系的煤系地层中碳酸盐岩夹层、分散状态分布的菱镁矿、黄铁矿是“老窑水”中Ca2+、Mg2+、SO₄2?的物质来源;在黄铁矿氧化水解形成的以硫酸根为主导的酸性溶液中（pH为2.0~4.5）,代表硫酸对石膏、方解石、白云石可溶解性的饱和指数排序为石膏>方解石>白云石,受石膏在高浓度硫酸活性降低并发生沉淀、方解石溶解受Ca2+同离子效应抑制和饱和状态的平衡调节的综合影响,使Ca2+相对含量减少,由于MgSO₄溶度积大于CaSO₄,故Mg2+含量未受上述约束（或较低）,脱白云岩化反应可因Ca2+含量随石膏沉淀而继续进行,加之区内有菱镁矿的溶解,使得Mg2+相对含量增加,最终出现了镁矿酸性“老窑水” Ca/Mg值低的结果。Ca/Mg值可作为煤矿酸性“老窑水”的污染特征指标,应用于环境影响评价。      

宁夏鸳鸯湖矿区煤的可选性特征

鸳鸯湖矿区以不粘煤为主,长焰煤次之,是良好的煤化工和动力用煤。从煤岩特征,煤的筛分、浮沉、煤及矸石的泥化程度试验等方面,对矿区及各井田煤的可选性特征进行了研究,研究表明：清水营井田煤中粘土类矿物较多,可选性较差,其它井田可选性相对较好;矿区煤中粘土矿物多呈细胞充填状,惰质组含量较高,难选出灰分很低的煤;当浮煤灰分控制在6．00％～11．00％,浮煤产率大于80％,煤为中等可选-易选;煤遇水易泥化,矸石为高泥化程度。研究结果可为煤的洗选工艺设计提供依据。     

碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术研究

随着矿井采掘、钻探等技术的快速发展和矿井提能增效的需求日增,区域超前探测煤层瓦斯含量的需求越来越迫切。近年来研发的井下长钻孔高压水密闭取心瓦斯含量测定技术已应用于中硬煤层矿区,效果显著,但在碎软煤层中应用存在局限性。针对采用现有定向钻孔高压水密闭取心技术进行碎软煤层取心时,存在煤心易冲散、孔壁易坍塌、喷孔、取心率低、安全风险大的问题,并结合矿井钻取含原始水分煤样的需求,提出采用“气体取心钻进+气体输送封堵球+高压水与气体联合密闭煤心”的双循环介质碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术工艺,研发了基于井下压风取样钻进的长距离干式密闭取心系统,以压风代替压水用于钻孔排渣、取心钻头冷却和封堵球输送;以风和水两种介质组合打压驱动密闭取心装置在孔内关闭。选取淮南矿区某矿同一区域的主采煤层进行试验,碎软煤层井下长距离定点密闭取心瓦斯含量测值为6.65～7.82 m3/t,常规取心瓦斯含量测值为5.11～6.45 m3/t。工程试验表明,碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术为碎软煤层井下长距离测定瓦斯含量提供了一种新途径,实现碎软煤层井下精准定点、长距离瓦斯含量精确测定,可解决碎软煤层井下大区域探测瓦斯赋...