煤体结构与甲烷吸附/解吸规律相关性实验研究及启示

甲烷(CH_4)在煤体中的流动包含"渗流—扩散—吸附/解吸"3个环节,相比粉状煤,采用块状煤体进行CH_4吸附/解吸实验能够更有效地表征煤层中气体的流动状态。为此,依托渭北煤田韩城矿区煤样,利用自行设计的块煤吸附/解吸实验装置,研究了低压下块状同体积原生结构煤、碎裂煤和糜棱煤的CH_4等温吸附/解吸特性;采用显微CT和扫描电镜分析了3种煤样的孔裂隙结构和显微构造,探讨了煤体结构对CH_4吸附/解吸的影响。结果表明:不同煤体结构煤的CH_4吸附/解吸特性有显著差异。结构致密的原生结构煤,孔隙度较低,导致CH_4吸附/解吸平衡时间长,吸附量低,解吸率低;相比原生结构煤,脆性变形碎裂煤张裂隙发育且相互贯通,孔隙度变大,连通性好,导致CH_4吸附/解吸平衡时间变短,吸附量升高,解吸率增大;韧性变形糜棱煤孔隙数量虽增多,但裂隙被揉皱闭合,形成孤立分布的孔隙结构,渗透性变差,导致CH_4吸附/解吸平衡时间最短,解吸速率最快,说明大多数CH_4仅吸附在块煤内构造变形作用下形成的粒间孔隙中。可知,碎裂煤储层是煤层气开发的有利区域;而致密原生结构煤和糜棱煤储层可尝试通过多尺度压裂、注热等技术手段实施储层改造以增加煤体裂隙通道,达到气井增产增效的目的。     

中-高煤阶构造变形煤纳米级孔隙结构及其对甲烷吸附能力的影响

通过镜质组反射率测试、显微组分测定、液氮吸附和等温吸附实验等,对河南中北部典型矿区6种中-高煤阶构造变形煤纳米级孔隙结构和吸附特征进行了研究。结果表明:中-高煤阶构造变形煤纳米级孔体积主要以过渡孔(10~100 nm)为主,而比表面积由微孔(1.5~10 nm)控制。纳米级孔体积、比表面积和过渡孔孔容从脆性变形碎裂煤、碎粒煤到韧性变形糜棱煤逐渐增大;中-高煤阶构造变形煤Langmuir体积与纳米级孔体积和比表面积之间呈线性正相关;过渡孔和微孔的分布关系对煤层气解吸特征产生重要影响,且过渡孔体积越大,甲烷解吸越容易。     

二连盆地群低煤阶煤储层孔隙发育特征研究

以二连盆地群霍林河盆地和白音华盆地低煤阶煤储层为研究对象,通过对煤储层物性特征、压汞曲线类型、孔径分布特征、孔隙结构类型划分的分析,研究低煤阶煤储层孔隙结构对煤层气吸附解吸的影响。结果表明:二连盆地群低煤阶煤储层孔隙系统发育良好,孔隙度较大,孔隙度Ⅳ煤组ⅢA煤3-1煤;孔隙结构以小微孔、大孔为主,孔径小于100 nm的小微孔和孔径大于1 000 nm的大孔对孔容贡献最大;基于孔隙孔径分布比例及孔径对煤层气储集和渗流的作用,把研究区孔隙结构类型划分为ⅡC封闭吸附型、ⅡO开放吸附型、ⅠC封闭渗流型、ⅠO开放渗流型4类,其中ⅡO开放吸附型最有利于煤层气的富集和产出;将霍林河盆地Ⅳ煤组、ⅢA煤储层和白音华盆地3-1煤储层相比较,ⅢA煤孔隙结构最有利于煤层气储集和开发。     

中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征

采集华蓥山煤田中梁山南矿9个有代表性的煤层样品进行低温氮吸附实验,分析构造煤吸附孔分形特征及分形维数与气体吸附能力的关系。低温氮吸附、解吸曲线表明不同变形序列构造煤在相对压力0.5~1.0范围内吸附特征各异。在此基础上,运用分形FHH方法得到构造煤分形维数D。研究表明：分形维数D可以表征构造煤吸附孔孔径结构和孔表面的变化关系;分形维数越高,微孔含量越多,孔表面越不规则,孔隙结构非均质性愈强;分形维数大小可反映煤的吸附能力,分形维数增高,吸附能力增强。因此,由构造变形增强引起的高分形维数和复杂的孔隙结构显示出更高的吸附能力。     

高煤阶储层煤层气解吸滞后现象定量表征及其对开发的影响

通过理论推理提出了残余吸附气量和解吸滞后系数2个定量表征指标,并通过甲烷等温吸附、解吸实验进行了验证,在此基础上分析了解吸滞后对煤层气开发的影响。结果表明,基于残余吸附气量改造后的Langmuir吸附模型适用于高煤阶煤储层等温解吸数据的拟合;残余吸附气量和解吸滞后系数能够定量表征煤层气解吸滞后程度;煤样残余吸附气量和解吸滞后系数受储层物性特征影响,渗透率越低,孔隙半径越小,比表面积越大,残余吸附气量和解吸滞后系数越大。解吸滞后现象导致煤储层实际解吸压力降低,需要用等温解吸曲线来推算实际的解吸压力,且解吸滞后大大降低了煤层气的采出程度和解吸效率。     

山阳井田构造煤与原生结构煤的孔隙特征差异

为了研究山阳井田构造煤与原生结构煤的孔隙特征差异,对山阳井田构造煤与原生结构煤样品分别进行压汞、低温液氮吸附、扫描电镜等实验,结果表明与原生结构煤相比,构造煤的孔隙度、孔容、比表面积增大,其中大孔孔容、比表面积减少,中孔、小孔及微孔孔容、比表面积增大;构造作用促使构造煤中的惰质组破裂产生角砾,外形多呈不规则,尖角直棱,角砾之间没有位移或位移量很小,角砾孔多为大孔级孔隙,角砾孔大小以2μm左右居多,且连通性较好,相对有利于煤层气资源勘探开发。     

高温高压平衡水分条件下变形煤的吸附-解吸特性

选用平顶山矿区十二矿己组煤层的不同类型变形煤作为研究煤样,模拟深部煤层瓦斯赋存条件,开展高温高压平衡水分条件下的吸附-解吸实验。研究结果表明,50℃条件下,煤的平衡水分含量随煤的破坏程度的增加有增大的趋势;高温高压平衡水分条件下,变形煤表现出吸附-解吸新特性,即随煤的破坏程度增加,朗格缪尔体积VL(无灰基)具有先减小,后增大,再减小的趋势,呈波浪状。分析表明,变形煤表现出的吸附-解吸新特性,是变形煤特有的孔隙结构和水分含量的差异综合作用的结果。变形煤吸附-解吸不可逆,解吸滞后;随着煤的破坏程度增加,煤的吸附-解吸不可逆程度加大。因此,在开展实验研究煤、特别是变形煤的解吸特性时,不能用吸附实验数据简单代替。     

煤储层孔隙系统发育特征与煤层气可采性研究

借助干低温氮等温吸附试验和压汞孔隙分析，研究了河南煤田主要矿区煤储层孔隙系统发育特征。研究发现河南煤储层孔隙系统具有如下特征：①煤储层的孔比表面及总孔体积均较大；②压汞孔隙度较大，孔隙结构以吸附孔占绝对优势，约占总孔隙含量的78％；③孔隙类型主要为细孔细喉型，渗流孔内部的连通性较好但渗流孔和吸附孔之间的连通性较差；④研究区的这种孔隙系统对煤层气的储集非常有利，但对煤层气的解吸和开发较为不利。     

构造煤煤层气解吸阶段分析及最大瞬时解吸量计算

为了探求构造煤煤层气解吸阶段瞬时特征,选取平顶山五矿的构造煤和原生结构煤,分别在20、30、40℃下进行了甲烷等温吸附/解吸试验,以试验结果为基础构建了基于兰氏方程曲率的煤层气解吸阶段模型,并依据此模型分析了构造煤煤层气解吸阶段,探讨了构造煤煤层气最大瞬时解吸量.结果表明:随温度的逐渐升高和煤体破坏程度的增大,原生结构煤和构造煤的低效解吸阶段、缓慢解吸阶段、高效解吸阶段及敏感解吸阶段总体向低压方向偏移,启动压力、转折压力和敏感压力表现出减小趋势,相比原生结构煤,构造煤的大部分启动压力和转折压力更低,整个解吸阶段具有更明显的向低压偏移的特征;较大的兰氏体积使得高效解吸和敏感解吸阶段前移;同时,随着温度的升高,原生结构煤和构造煤的煤层气最大瞬时解吸量呈减小趋势.     

不同煤阶瓦斯含量突出临界值的实验研究

利用瓦斯吸附解吸实验系统,对平煤一矿1/3焦煤和赵庄矿贫煤进行了瓦斯吸附解吸实验,分析了不同煤阶煤样瓦斯压力、瓦斯含量与钻屑瓦斯解吸指标相互之间的关系,得出平煤一矿1/3焦煤的突出瓦斯含量临界值为5 m~3/t,赵庄矿贫煤为8 m~3/t。并通过现场验证,确定所得到的突出瓦斯含量临界值是可靠的。     

突出区域煤层孔隙瓦斯赋存规律研究

论文以淮南矿业集团丁集煤矿突出煤层为试验点,采用压汞试验法对煤层孔隙进行研究,得出孔隙半径不同时,瓦斯赋存状态不同,游离和吸附的瓦斯含量也不同。在此基础上,利用高压容量法对煤样进行吸附试验,并结合工业分析结果,分析煤层瓦斯吸附量,根据丁集煤矿实际情况,考虑温度因素对瓦斯吸附试验的影响,为煤与瓦斯防突预测提供依据。     

煤的吸附作用对瓦斯渗流特性影响的实验研究

为研究煤的吸附作用对瓦斯渗流特性的影响,以贵州六盘水矿区的煤样为研究对象,进行了瓦斯吸附平衡前后和不同吸附气体的三轴渗流试验。试验表明,相同煤样在瓦斯吸附平衡后渗透率明显低于吸附平衡前的渗透率;相同煤样通过不同气体的渗透率具有KHe>KCH4>KCO2的规律,不同吸附气体煤样的渗透率与气体压力服从指数分布;煤体渗透率与煤的变质程度具有一定的相关性。     

煤层气吸附及其地质意义

介绍了煤层气超临界吸附的基本特征及近年来煤层气吸附的行为与规律;对影响煤层气吸附的因素以及煤层气吸附模型在研究中所取得的成果进行了总结;分析了煤层气超临界吸附研究中存在的问题,在此基础上,指出煤层气超临界吸附规律、超临界吸附的热力学模型、动力学模型及量子化学模型等将是今后煤层气超临界吸附研究的重点。     

东曲矿软硬煤瓦斯吸附特性对比研究

为研究不同软硬煤瓦斯吸附特性,以山西古交矿区东曲矿为研究对象,针对2组不同变质程度的软硬煤,通过高压容量法测试了其瓦斯吸附性能;同时对不同软硬煤开展了低温液氮吸附实验,分析了其孔隙结构特征,从煤体微结构层面揭示了不同软硬煤的瓦斯吸附控制机理。研究结果表明:不同软硬煤之间存在较大的吸附差异性,瓦斯吸附参数VL最大值是最小值的1.5倍;在不同软硬煤中,微孔所占比例均大于50%,煤中的孔比表面积主要由小于10 nm的微孔所贡献;构造变形作用使得煤层中的原生孔隙裂隙系统被破坏,孔隙直径减小,微孔比例增加,孔隙比表面积也在不断增大,因而,软煤较硬煤拥有更强的吸附性能。     

安林煤矿岩浆岩和煤与瓦斯突出关系

安林煤矿为煤与瓦斯突出矿井,该矿岩浆岩发育。依据矿井岩浆岩侵入状态及其与构造关系,结合矿井瓦斯地质资料,研究矿井岩浆岩对该矿煤与瓦斯突出的影响,发现该矿煤与瓦斯突出是矿井先期岩浆岩入侵与后期构造共同作用的结果,岩浆岩对安林煤矿煤与瓦斯突出具有重要的影响。上述结论对煤矿瓦斯突出区域预测及瓦斯突出防治具有重要意义。     

安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性实验研究

为研究安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性,在大众矿、龙山矿和贺驼矿分别采取2个（共6个）煤样。采用工业分析、高压吸附试验和瓦斯解吸试验等方法分析煤样的多元物性参数。运用球形扩散模型,采用Origin软件拟合解吸数据,计算出瓦斯扩散系数。结果表明,大众矿、龙山矿和贺驼矿煤样的挥发分分别为20.16%,12.10%和19.01%,变质程度由高到低为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;大众、龙山和贺驼煤样的吸附常数a分别为37.26,52.36,41.30 m³/t,瓦斯吸附能力由大到小为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;龙山矿、大众矿和贺驼矿煤样扩散系数分别为9.567 5×10^-10,5.294 3×10^-10,2.384 7×10^-10 m²/s,瓦斯扩散能力由大到小为:龙山矿>大众矿>贺驼矿。表明龙山构造煤瓦斯吸附和扩散能力最强,煤与瓦斯突出危险性最大。     

寺河3号煤甲烷吸附解吸热力学特征

为研究煤层气排采过程CH4解吸内在热力学特征及水蒸汽在排水降压产气过程中的作用机理,在20,25,30,35,40℃五个温度点对寺河3号无烟煤(WY)进行等温吸附解吸实验,利用Clausius-Clapeyron方程计算等量吸附热和极限吸附热。结果表明,升压(吸附)过程和降压(解吸)过程极限吸附热分别为23.31 kJ/mol和24.02 kJ/mol,属于物理吸附,但后者大于前者。从热力学角度看,吸附解吸平衡体系中,降压不足以导致煤层甲烷解吸,但降压促使液态水在煤孔隙中形成局部低压,水分子汽化,水蒸汽分子在煤孔隙表面吸附产生的吸附热约为40 kJ/mol,远大于甲烷吸附热,水蒸汽吸附置换煤孔隙表面吸附的甲烷,最终导致甲烷解吸。     

新集矿区煤层气综合利用可行性研究

针对新集矿区煤层气资源丰富、适合进行大规模抽采的特点,提出两种资源综合利用可行性方案:方案一为新集一矿和新集二矿集中共建一只储气罐集中向外供气;方案二为两矿各建一只储气罐分别向外供气。通过对两种方案的经济和技术比较,结果表明,采用方案一两矿共用一只储气罐集中向外供气,无论在经济上还是技术上都较方案二合理,且符合目前的矿区实际现状。     

影响裴沟矿煤层瓦斯赋存规律的地质因素分析

以地质勘探期间实测瓦斯含量、钻孔揭煤资料为基础,使用瓦斯地质因素分析和线性回归的分析方法,分析控制煤层瓦斯含量的地质因素,详细分析了裴沟矿煤层瓦斯赋存与地质构造、煤层厚度、煤层围岩、煤体结构、煤层埋藏深度等地质因素之间的关系,得出了断层、煤层顶板40 m范围内的含砂率、煤层的埋藏深度是影响裴沟矿瓦斯赋存的主要地质因素,从而为采掘部署和瓦斯防治工作提供理论依据。     

影响坪湖矿煤与瓦斯突出的因素分析

依据实际瓦斯地质资料,运用瓦斯地质理论,研究了区域和井田构造控制特征;对煤与瓦斯突出资料进行统计分析,总结出坪湖矿煤与瓦斯突出的特征;分析了区域演化、煤层埋深、顶底板岩性、煤厚及其变化、煤质、矿井构造和采掘因素等对煤与瓦斯突出的影响与控制作用。分析结果表明,顶底板岩性、煤厚及其变化、采掘因素对煤与瓦斯突出有重要影响,而断层构造控制着突出的发生和分布规律。因此,根据煤层瓦斯地质条件变化实现突出危险程度区带划分,从而更好地指导矿井的煤与瓦斯突出防治工作,为类似条件下的煤矿分区分带治理煤与瓦斯突出提供一种分析方法。