韩城矿区构造煤纳米级孔隙结构的分形特征

构造变形可以引起煤纳米级孔隙结构的变化,变形机制的不同对孔隙结构的影响程度也不同。煤的孔隙非均质性极强,传统实验方法难以准确地描述孔隙结构的复杂性,而分形理论提供了描述这一复杂性的量化方法。基于渭北煤田韩城矿区不同类型构造煤的低温氮吸附实验,采用分形FHH方法,定量表征了构造变形对煤纳米级孔隙结构的影响程度。结果表明:韧性变形煤比脆性变形煤的孔隙分形维数高,孔隙结构复杂,非均质性增强,导致毛细凝聚效应增强,吸附滞后突出;构造煤分形维数随着平均孔径的降低和中孔含量的升高而增大,说明构造变形程度越大,平均孔径越小,孔隙结构越复杂。研究认为,分形维数定量反映了煤构造变形的强弱,可以指示煤中纳米级孔隙结构的变形程度。      

碎裂煤显微裂隙分形结构及其孔渗特征

构造煤特有的孔裂隙系统决定了其不同类型具有独特的储层物性,而以脆性变形为主的碎裂煤发育区是煤层气勘探的有利区。根据贵州发耳煤矿9件煤样的显微镜观测和压汞实验数据,分析了构造煤微观变形和显微裂隙分形特征,进而对煤样孔隙渗透特征进行了研究。结果表明:碎裂煤显微裂隙信息维数分布在1.2~1.8;以信息维数为指标,可将碎裂煤划分为3类,信息维数分布范围分别为1.2~1.4、1.4~1.7和1.7~1.8;脆性构造变形增加了孔隙系统中大孔和中孔的孔容,构造变形越强烈,脆性系列构造煤的渗透性能越好。     

高煤阶煤孔隙结构及分形特征

高煤阶煤与中低煤阶煤在孔隙结构特征方面存在明显差异,分形理论为定量描述高煤阶煤储层孔隙特征提供了有效手段。基于扫描电镜、压汞实验和孔渗测试,以华北地区最大镜质体反射率(Ro,max)在19%~295%之间的9个煤样为研究对象,采用分段回归的方法对各样品进行不同孔径段分形维数计算,并讨论了孔隙结构分形维数与孔隙体积百分比、Ro,max、孔隙度和渗透率的关系。结果表明,高煤阶煤微小孔发育,半封闭孔含量较高,孔隙连通性一般,且孔隙结构具有明显的分段分形特征,同一煤样的超大孔(孔隙半径r＞5 μm)、大孔(05 μm＜r＜5 μm)、中孔(005 μm＜r＜05 μm)和微小孔(r＜005 μm)的分形维数依次减小;各煤样超大孔、大孔、中孔分形维数均随Ro,max增加而增加,随对应孔隙体积百分比增加而减小;孔隙度或渗透率与超大孔、大孔和中孔、微小孔分形维数分别呈二次相关、线性正相关、负相关;各分形区间分形维数分布的偏度和峰度与孔隙度或渗透率分别呈高度正相关和负相关,这为高煤阶煤孔隙度、渗透率提供了理想的线性方程(y=ax+b)预测模型。     

阳泉新景矿高煤级煤的孔隙结构分形特征

分形理论是宏观上定量评价储层非均质性的有效手段。以阳泉新景矿高煤级煤样品压汞数据为基础,建立分形几何模型,定量描述了孔隙结构。实验结果表明：样品孔隙以纳米孔为主,孔径、比表面积及孔容也集中分布在纳米孔段。煤样孔径65 nm以上的孔隙具有显著的分形特征,分维值分布范围为2.89~2.99,体积增量呈现阶段式的变化,孔隙结构复杂;孔径65 nm以下孔隙几乎无分形特征,比表面积增量与孔径在对数坐标中呈线性关系;基于分形特征及分子运动规律,将储层孔隙以孔径65 nm为界划分为扩散孔和渗透孔2个大类6个小类。分维值与体积孔隙中值半径、总孔隙体积呈负相关,与孔径65 nm以上的孔隙体积、比表面积呈正相关,与孔隙度无相关性。分形分维值对储层结构具有较全面的表征能力,可以作为综合指标在煤储层孔隙研究中加以应用。     

应用分形理论研究煤孔隙结构

通过对淮南、淮北两个研究区内各煤矿不同煤级煤样进行的压汞法孔隙测量结果的分析，表明用分形维数可以表示煤的孔隙结构特征，而且煤孔隙体积分形维数随着变变质程度的增高而减小，渗透性随煤级的增加而减弱。     

松散砂粒孔隙结构、孔隙分形特征及渗透率研究

多孔介质孔隙结构特征是决定流体微观运移机制的重要方面。文章用环氧树脂固结松散石英砂磨制出二维多孔介质薄片,并用孔隙结构图像处理方法提取出孔隙结构参数信息;根据孔隙结构参数,建立描述孔隙结构的分形几何模型,分析松散地层孔隙结构的分形特征;进行多孔介质渗透率的实验测量和分形计算。结果表明:多孔介质的孔隙率和孔径与粒径之间存在线性相关性,拟合度分别达到-0.976 5和0.996 6;在方格边长ε和含有孔隙的格子总数N(ε)的双对数坐标系中,lnε-lnN(ε)数据点近似成直线,且不同样品的孔隙分布分维数值比较接近;而在孔径r与大于该孔径的孔隙总数N(r)的双对数坐标系中,lnr-lnN(r)的数据点必须进行分段回归分析,以便能更好地反映孔隙结构的实际情况;孔隙分布分维数和孔径分维数与粒径也存在较高的对应关系;中砂渗透率的实验测得值是5.19×10-5mm2,孔径分维数分段回归法计算的大孔隙多孔介质渗透率为5.75×10-5mm2,测量值与计算值较为接近,孔径分维数可以计算多孔介质的渗透率。     

基于热力学模型的煤孔隙结构分形表征

煤的孔隙结构复杂,难以用传统的欧氏几何理论描述其复杂性,而分形理论可定量表征孔隙结构的复杂程度。通过对渭北煤田韩城矿区10个煤样进行的压汞实验,采用热力学分形模型,获得了煤的渗流孔的分形维数,定量表征了煤的孔隙特征,并探讨了分形维数与渗透率的关系。研究表明：对于同等变质程度的煤来说,煤中吸附孔越多,孔隙分形维数越大;煤孔隙分形维数与渗透性呈负相关关系。由此可见,煤的渗流孔分形维数可作为煤储层渗透性评价的定量指标之一。     

构造煤纳米级孔隙特征及其对含气性的影响

煤孔隙对储层含气性具有重要影响,构造煤储层尤甚。采集淮南煤田潘一矿13号煤层中4种煤体结构的煤样进行低温液氮实验,运用最小二乘法原理并采用FHH分形模型,系统地分析了煤储层纳米级（1.7~20nm）孔隙结构特征及其与分形维数之间的关系。结果表明：煤体破坏程度增强致使BJH孔容和BET比表面积增大,过渡孔与微孔含量增加;构造煤中毛细凝聚开始发生在2~3 nm并随着相对压力的增大而逐渐增强;对气体吸附做主要贡献的是孔径为5nm的孔隙,糜棱煤中此类孔隙最多致使含气性最好;研究区内除原生结构煤外,其他煤储层纳米级孔隙分形维数均大于2.6,平均孔径与分形维数呈明显负相关且相关性系数在0.9以上,表明此类孔隙具有明显的分形特征,孔隙结构复杂程度较高。综合孔隙特征表明：构造煤中孔隙结构越复杂且5nm附近吸附孔隙含量越高,含气性越强。     

沁水盆地南部煤层孔隙-裂隙系统及其对渗透率的贡献

基于常规孔渗测试、核磁共振、扫描电镜等分析,研究了沁水盆地南部煤储层孔隙-裂隙系统发育特征及其对渗透率的贡献。结果表明,煤样孔隙结构以吸附孔为主,渗流孔发育相对较差,可动流体孔隙度很小;多数煤样A类和B类较大裂隙所占比例不高,C类和D类较小裂隙较为发育;大孔孔隙度和微裂隙发育程度对渗透率影响最大。但本区煤样大孔孔隙度低,裂隙多被矿物充填,孔隙、裂隙之间连通性较差,对煤储层渗透率的贡献较小;多期发育的宏观构造裂隙可能对煤储层渗透性起到一定的改善作用。     

阜康矿区煤的孔隙与裂隙特征

煤的孔隙与裂隙是煤层气赋存的空间也是煤层气运移和产出的通道。在新疆阜康矿区三工、建江等7对矿井巷道煤层裂隙观测统计的基础上,采用宏观煤岩分析、显微煤岩分析、压汞实验与煤的孔隙结构分析等方法,研究阜康矿区煤层孔隙与裂隙特性,评价煤层气赋存特征与渗透性。结果表明：阜康矿区煤层孔隙发育以微孔和小孔为主,孔容和比表面积较大,有利于煤层气的吸附和解吸;裂隙发育具有非均质性,矿区西部裂隙最为发育,东部次之,中部不发育;煤岩组分中镜质组的增加会使微小孔增多,有利于煤层气的吸附;中孔孔容对孔隙度具有控制作用;阜康矿区煤层的孔隙率随着镜质体反射率的增大呈增大的趋势。研究结果对新疆阜康矿区煤层气的勘探开发具有一定的理论指导意义。     

不同黏结剂配比条件下型煤力学及渗透特性试验研究

利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为使得型煤力学及渗透特性更接近原煤,选取水泥作为黏结剂,进行了不同黏结剂配比条件下的型煤和原煤三轴压缩试验对比研究。基于欧式距离的相似性度量方法对能反映型煤的力学及渗透特性的特征值指标进行定量评价。结果表明：随黏结剂含量的增加,型煤的峰值主应力差、弹性模量近乎呈正指数函数递增趋势,泊松比呈负指数函数递减趋势;随着黏结剂含量的增加,型煤的初始渗透率、最小渗透率基本呈负指数函数递减趋势,且其渗透率变化率随黏结剂含量的增加越来越小,表现为渗透率-轴向应变曲线越来越平缓;基于欧式距离的相似性度量方法得出水泥黏结剂配比为IV型的型煤在力学及渗透特性方面与原煤最为接近,可以作为模拟原煤的相似材料。     

基于压汞分形的高变质石煤孔渗特征分析

研究石煤（腐泥煤）的孔渗特征,对于深入了解页岩气的吸附/解吸特征具有重要意义。基于分形几何原理,推导出煤岩不同类型孔隙和毛细管压力曲线的分形几何模型,并将孔隙分形维数分为渗透分维数和扩散分维数分别计算。根据压汞实验数据分析,利用双对数图计算了安康地区石煤孔隙结构的分形维数。研究结果表明：石煤渗透分维数D_s介于2.524~2.917,其与挥发分产率、水分含量、灰分产率和迂曲度呈正相关关系,与变质程度及平均孔径呈负相关关系;扩散分维数D_k介于2.488~2.931,其与变质程度、挥发分产率、水分含量和平均孔径呈正相关关系,与灰分产率和迂曲度呈负相关关系;在物性方面,渗透分维数随孔隙度增大而减小,渗透性的分形表征与扩散分维数呈负相关关系,这说明渗透孔越不均一,煤岩孔隙度就越大,而扩散孔的均一化程度可以为评价石煤储层物性提供重要依据。     

砂性土渗流的分形特征研究

针对砂性土颗粒结构的复杂性和不规则性,从颗粒级配和达西定律出发,基于分形几何理论,通过颗粒分析和渗透试验,建立了砂性土颗粒级配分形维数与不均匀系数的关系,从而揭示了级配分形维数的物理意义;通过线性回归,进一步探讨了级配分形维数与渗透系数之间的相关关系。研究发现:级配越好,不均匀系数越大,分维越小,渗透系数也越小。结果表明,级配分形维数是刻画砂性土的颗粒组成及其级配特征的有效参数,直观定量地描述了土的渗透性能,从而为多孔介质以及断层破碎带等裂隙介质的渗透性研究提供了一种较好的研究思路。     

基于覆岩结构效应的导水裂隙带发育特征

为探讨黄陇煤田煤层采动引起的顶板水害问题,以煤层顶板不同覆岩结构采动导水裂隙为研究对象,概化了煤-软-硬-软-硬（组合一）、煤-软-软-硬-硬（组合二）、煤-硬-软-硬-软（组合三）及煤-硬-硬-软-软（组合四）4种典型的岩性组合结构,运用数值模拟和理论计算等方法,分析了不同覆岩组合采动破坏特征和覆岩导水裂隙与覆岩结构之间的相关关系,研究了覆岩结构对导水裂隙发育高度（简称“导高”）的影响规律。研究结果显示：在相同的采高条件下,煤-软-硬-软-硬型覆岩结构导高最小,煤-硬-硬-软-软型覆岩结构导高最大;工程实例表明,黄陇煤田煤层开采导高与采高之间并非简单线性关系,利用覆岩结构效应预测的导高更接近实测值。