黔北牛蹄塘组页岩气组成特征及富氮机理

贵州黔北地区页岩气资源储量丰富,主要目的层为牛蹄塘组和龙马溪组两套富有机质烃源岩,具有良好的生烃物质基础及潜力,但气井测试显示牛蹄塘组页岩气中氮气含量普遍超过80%,甲烷含量低。针对这一现象,开展了页岩气气体组分和碳氢同位素测试,分析了页岩气井中CH_(4)、CO_(2)和N_(2)的来源;结合页岩地球化学特征、区域地质背景和构造特征、岩芯裂缝分布、深部岩浆热液活动以及典型页岩气井解剖,探讨了黔北牛蹄塘组页岩气井富氮机理。研究发现:黔北地区区域地质构造复杂,储层受多期次构造运动影响,断层和裂缝发育;牛蹄塘组页岩岩芯裂缝多被方解石充填,说明该地区曾经岩浆热液活动较为频繁;不同构造带页岩含气量差异明显,氮气含量高,甲烷含量低,具有一定的区域普遍性;页岩气中的CH_(4)属于有机成因热裂解气,CO_(2)是有机质热转化过程中形成的,N2的来源与成熟(特别是高成熟)阶段有机质热氨化作用和深部地壳、上地幔岩浆热液沿着断裂带入有关。构造相对稳定、断层裂缝不发育和岩浆热液活动不频繁的古隆起区域为页岩气开发的优选方向,研究成果可以为牛蹄塘组页岩气成藏机理及后续的资源评价和勘探部署提供理论指导。

煤矿低浓度瓦斯热氧化中蜂窝陶瓷燃烧流场数值计算

为研究煤矿低浓度瓦斯在蜂窝陶瓷燃烧流场内流动、燃烧、传热反应,借助数值模拟手段,建立了包含周期性条件、甲烷燃烧机理、湍流-层流流动特性的矩形微通道模型,通过对其变参数分析,解析预混气体流速、甲烷体积分数和预混气预热温度变化对蜂窝陶瓷燃烧流场的影响。结果表明:预混气体流速主要影响燃烧流场内的火焰面传播速度和最高火焰温度,速度越大,火焰面前沿的温度梯度越大;甲烷体积分数的降低导致火焰面位置明显后移,火焰面处峰值与化学反应速率明显下降,流场内的温度下降;预混气进气温度提高时,火焰的峰值温度上升,化学反应速率增大。

基于瓦斯地质可视化的差异化协同抽采技术研究

为了解决突出煤层固定孔间距的抽采方式难以满足瓦斯灾害的高效、协同治理的需求,以林华煤矿2091工作面为工程背景,提出一种基于瓦斯地质可视化的差异化协同抽采技术,取代以往抽采钻孔的粗放设计模式。首先将瓦斯地质等相关信息录入瓦斯地质可视化系统,通过系统实现工作面瓦斯地质信息的动态展示和可视化;其次制定瓦斯含量界定准则,识别与划分工作面的低瓦斯区、中瓦斯区和高瓦斯区,在“应抽尽抽”的原则下,结合采掘进度差异化设计抽采钻孔;最后通过防突信息分析模块自动生成防突预测图,有效识别瓦斯治理空白带,进一步优化抽采钻孔设计。研究表明:2091工作面整体抽采时间控制在30~150 d,残余瓦斯含量为4.53~5.88 m^(3)/t,回风瓦斯浓度为0.22%~0.41%,上隅角瓦斯浓度为0.30%~0.47%,实现了对2091工作面瓦斯高效、协同治理。

近距离下煤层首采面开采对软弱煤岩破坏变形特征的影响

为研究近距离下煤层首采工作面开采对软弱煤岩破坏变形特征的影响,以熊家湾煤矿20903首采工作面为研究背景,基于数值模拟、理论分析和现场观测等手段分析近距离首采工作面开采对软弱煤岩(C8煤层)的裂隙发育、应力变化以及膨胀变形等特征的影响。研究表明:随首采工作面推进,煤体裂隙网格持续发育,表现为裂隙产生到裂隙稳定发育、裂隙稳定发育到弯曲下沉和弯曲下沉到裂隙压实阶段;C8煤层膨胀变形呈“压缩→膨胀→稳定”的变化规律,其煤层最大膨胀变形值为12.1 mm和11 mm,位于卸压膨胀稳定区内;根据现场观测可知,C8煤层软弱煤岩整体稳定,部分煤岩体存在破碎裂隙区,局部顶板岩石虽已发生松动,但对岩层稳定无太大影响。

基于组合赋权和云模型的危岩体危险性评价

为更加合理地判别危岩体的危险性,以具有丹霞地貌特征的危岩体为研究对象,从危岩体不稳定性、危破坏性和量观文化价值3个方面着手,选取9个评价指标构建危岩体危险性评价指标体系;结合层次分析法(AHP)、基于指标相关性的指标权重确定方法(CRITIC)和云模型(CM),构建组合赋权-云模型危岩体危险评价模型,并选取15组测点进行模型可靠性验证。结果表明:(1)各评价指标权重排序为主控结构面特征>危岩规模>边坡坡度>科学文化价值>景观价值>失稳后致灾可能性>坡形>水文条件;(2)基于组合赋权-云模型得到的各组危岩体危险性判别结果与实际测量结果基本吻合,评价结果准确性高,模型具有可靠性。

含层理页岩水压致裂特性及对破裂压力的启示

水力压裂是页岩气开发中常用的储层改造技术,破裂压力的准确预测对于现场压裂施工设计至关重要。为探究页岩层理对水力压裂的影响机制,以四川长宁地区黑色页岩为研究对象,对含层理的页岩进行巴西劈裂抗拉强度测试,利用GCTS岩石力学试验机开展不同层理角度下页岩的水压致裂试验,结合X射线CT机和三维扫描仪对页岩的扩展形态及裂缝表面粗糙度进行表征,并对页岩水力压裂的破裂压力进行分析。结果表明:(1)页岩的抗拉强度随层理角度变化呈先减后增的变化趋势,各向异性明显;(2)层理的存在对页岩水力压裂的破裂压力影响较大,不同层理角度条件下页岩水力压裂的破裂压力与抗拉强度的变化规律相似,在30°最小,90°最大;(3)层理面对水力压裂裂缝扩展的影响较小,主要是拉伸破坏产生的单裂缝,裂缝面粗糙度较高且与层理方向无关;(4)通过数值仿真确定了压裂井筒塑性区的存在,解释了试验中观察到异常高的破裂压力,说明水力压裂裂缝起裂后存在一定的临界起裂特征长度,岩石需要经过裂纹孕育阶段才能完全破裂,不同层理角度页岩通过临界起裂特征长度来影响起裂压力,采用新的模型能较好预测页岩水力压裂的破裂压力。研究结果对于了解深部页岩裂缝起裂扩展机理、压裂施工设计等具有一定的参考意义。

黔北凤冈地区牛蹄塘组页岩气勘探与开发潜力

黔北凤冈地区为页岩气重要目的层——下寒武统牛蹄塘组的典型分布区块之一,为分析其页岩气储集与开采条件,以该组页岩样品为研究对象,采用X射线衍射、扫描电镜、液氮低温吸附和核磁共振等方法进行实验测试。结果表明：（1）黔北凤冈地区下寒武牛蹄塘组页岩矿物组成以石英为主,脆性矿物含量高,黏土矿物含量低,黏土矿物以伊利石为主;（2）页岩孔隙以有机质纳米级孔、矿物溶蚀孔、矿物晶间孔、铸模孔为主,大量发育闭合—半闭合微裂隙;（3）液氮吸附实验表明页岩的比表面积和孔体积都较大,吸附脱附曲线存在H2型滞后环,页岩内部存在大量“墨水瓶”形孔隙,微孔是页岩比表面积和孔体积的主要贡献者;（4）核磁共振实验反映页岩孔隙的连通性差,所测的页岩孔径分布与液氮吸附实验孔径分布具有一致性,即页岩孔径主要分布在3-10 nm之间。结论认为,黔北牛蹄塘组储层条件有利于页岩气储集与压裂,页岩气开采条件较好。

页岩对甲烷高温高压等温吸附的热力学特性

为了研究页岩在高温高压条件下对甲烷的吸附特性,采用高压等温吸附实验仪,分析了取自贵州岑巩地区天马1井的页岩对甲烷的吸附效果,并根据lausius-Clapeyron方程和Vant-Hoff方程求得甲烷吸附的等量吸附热和极限吸附热,从热力学角度分析甲烷在页岩上的吸附特性。研究结果表明:贵州岑巩地区天马1井页岩对甲烷的等温吸附曲线形态在不同温度条件下基本一致,都存在着明显的极值点;在低压阶段,等量吸附热随吸附量的增加而逐渐增加,平均吸附热为43.59kJ/mol,表明可能发生了化学吸附;在高压阶段,等量吸附热随吸附量的减少而逐渐升高,表明随压力增加解吸更加困难;通过Vant-Hoff方程计算得到的极限吸附热为39.61 kJ/mol,表明天马1井页岩孔隙表面与甲烷气体之间的相互作用力较强。对于相互作用力较强的页岩,在页岩气开采过程中可以结合注入与页岩孔隙表面作用更强气体的方法来促进解吸,如CO_2等气体。

煤与瓦斯突出机理研究现状及分析

对现有的煤与瓦斯突出机理研究成果进行了评述;阐述了煤与瓦斯突出机理的研究思路与方法及其历史发展过程和研究现状;分析了这些研究成果的不足之处,提出了煤与瓦斯突出机理的研究方向。研究表明,煤与瓦斯突出机理已经从单因素向多因素发展,综合作用假说得到了普遍认可,这为防突工作提供了理论依据。认为,煤与瓦斯突出准备机理、失稳与平衡机理、发展机理、传播机理和煤与瓦斯突出带分布规律研究是煤与瓦斯突出机理需要深入研究的方向。

贵州牛蹄塘组页岩气表面自由能研究

为了研究页岩对气体的吸附机理,在50℃、60℃、80℃3个温度点对贵州凤参1井和天马1井的页岩样品进行等温吸附实验,并绘制出了CH_4和CO_2等温吸附曲线图,计算得到页岩表面自由能,从自由能角度分析页岩对CH_4和CO_2气体的吸附特性。研究结果表明:当温度一定时,随着压力的增加,页岩对2种气体的表面自由能变化值均呈现出不断增加的趋势,当压力一定时,随着温度的增加,表面自由能会逐渐减小,这与等温吸附曲线上气体吸附量随压力的变化是一致的;页岩对CO_2的表面自由能变化值均要大于CH_4,表明页岩对CO_2的吸附能力比CH_4更强,可以通过向页岩层中注入CO_2来提高采收率;对于吸附能力较强的页岩气藏,可以通过注入表面活性剂的方法,增强活性剂与页岩表面的结合能力,降低CH_4占有面积及其与页岩的表面自由能,以此达到促使CH_4解吸的目的。

深部页岩高温高压吸附特性分析

为了研究高温高压条件下深部页岩的吸附特性,选取黔北和黔东南牛蹄塘组黑色页岩在压力为0~35 MPa、温度为60~80℃条件下进行等温吸附实验。研究发现:页岩对甲烷的等温吸附曲线在高温高压条件下具有明显的峰值,温度越低峰值出现得越早;峰值出现前,温度越低对吸附的影响越大,曲线符合Ⅰ型吸附曲线特性;峰值出现后,温度越高对吸附的影响越大,吸附量随压力的升高呈缓直线下降趋势,温度越高下降得越快,主要原因是样品孔隙结构的破坏和分子间作用力的变化。研究成果对深部页岩气的评估和开采具有重要的理论和实践指导意义。

贵州地区突出煤层微孔结构及对瓦斯流动特性的影响

煤层瓦斯流动规律与煤的孔隙结构密切相关。为揭示贵州地区突出煤层微观孔隙结构特征及对其瓦斯流动特性的影响,以贵州地区6个典型矿井突出煤层为研究对象,采用高压容量法测试了6个煤样的吸附能力。同时,根据高压压汞试验,利用分形方法获得煤样分形维数,并分析样品的微观孔隙结构分形特征及其与煤质参数的关系。在此基础上,探讨多尺度孔隙中瓦斯流动规律,分析吸附作用对瓦斯流动特性的影响。结果表明,贵州突出煤层以微孔为主,微孔为比表面积和孔隙体积的主要贡献者。同一煤样微孔分形维数D1、小孔分形维数D2和中孔分形维数D3依次增大,且分形特征明显。D1和综合分形维数Dk与水分呈负相关,挥发分与D2、D3呈负相关,灰分和D3呈负相关。突出煤层中瓦斯扩散模式主要为Knudsen型和过渡型。在Knudsen扩散区和过渡扩散区,渗透率受温度和压力影响较小;Fick扩散区,在相同努森数Kn和温度条件下,渗透率随压力增大而减小,随温度增高而降低;压力越高,孔径越小,渗透率受吸附作用影响越大。

基于GIS的煤矿灾害应急救援系统的应用

为了减少煤矿事故的发生和及时有效的展开应急救援,利用对煤矿开采情况的全面了解,通过对地理信息系统(GIS)和煤矿灾害应急救援技术的研究,以GIS与VB 6.0为开发平台,采用管理信息系统原理和GIS软件建立了可视化的煤矿灾害应急救援系统.研究开发表明,该系统拥有内容丰富的数据库和技术库,能将煤矿井下的危险源、工作面、避灾路线、灾害影响区域、通讯与救灾设备分布等与矿井救灾密切相关的信息都在地图上动态显示,并能实现远程互动救援.实际应用表明,该系统能够为煤矿灾害的预防和处理提供强有力的技术支持,有利于提高煤矿企业的抗灾救灾能力和应急救援能力.

基于灰色关联分析页岩气开采中水锁效应影响因素

采用水力压裂法开采页岩气中,产生的水锁效应对页岩气的产能有很大的影响。为了探究各个影响因素对水锁效应的影响程度,分析了渗透率、孔隙度、束缚水饱和度、作业压差、气液界面张力5个影响因素与水锁效应的相关性。采用灰色关联分析法研究,结果表明:以渗透率伤害率表示水锁伤害程度,R01>R03>R02>R05>R04。即与渗透率的关联性最高,接着是束缚水饱和度,然后是孔隙度,再是作业压差,最后是气液界面张力。处理水锁效应,依次从关联度的高低进行处理,对页岩气的抽采有一定的意义。

基于分子动力学模拟研究煤层瓦斯流动的可行性初探

从分子动力学模拟的步骤(研究对象确定;模型的设定;分子运动方程的建立;初始条件的给定;周期边界条件;位能截断及实施模拟)探讨了将分子动力学应用于瓦斯流动理论所要解决的问题。

煤层甲烷吸附与解吸的MC模拟可行性分析

国内外对煤的甲烷吸附与解吸研究主要停留于吸附、解吸机理的研究和对吸附、解吸可逆性试验研究阶段。从分子微观角度,介绍了分子MC(Monte Carlo)模拟方法用于甲烷分子吸附、解吸模拟的模拟原理和主要步骤(进行系综选择;建立吸附、解吸模型;初始条件与周期边界处理;启动模拟;模拟中的随机过程;计算系综热力学平均值;实验室验证)[1],探讨了将分子MC模拟方法应用于甲烷吸附与解吸所要解决的问题,从而证明MC模拟研究方法的可行性。

煤矿安全现状评价系统数据库分析

在煤矿安全现状评价系统中,数据库设计的优劣直接影响着整个系统的效率与质量,因此,系统数据库的建立对一个实用的数据库至关重要。文章以某一具体矿井为例,对其煤矿安全现状评价系统数据库的建立、结构与功能进行分析。

基于SuperMap的瓦斯预测管理系统设计与开发

介绍了SuperMap地理信息系统软件和将其应用到煤矿的瓦斯管理的必要性和意义,并研究瓦斯预测管理系统选用突出预测指标和瓦斯涌出量公式的合理性,采用组件式GIS(地理信息系统)空间数据的获取、存储、分析、处理和显示等技术,设计开发了基于SuperMap的瓦斯预测管理系统,并具体介绍利用SuperMap,SQL Sever 2005和VC++6.0进行无缝结合来实现瓦斯预测管理系统的成功开发,结果表明,该系统实现了煤矿瓦斯预测的可视化管理,为煤矿企业瓦斯管理人员和领导决策提供了新的管理途径。

煤与瓦斯突出冲击波穿越门墙孔洞能量耗散规律及安全尺寸

为揭示煤与瓦斯突出冲击波穿越防突风门孔洞时的能量耗散规律,以通车防突风门底坎为研究对象,基于不同突出压力、防突风门底坎尺寸条件下的煤与瓦斯突出物理试验和数值模拟结果,分析了突出冲击波在巷道中及穿越防突风门底坎时的传播规律,并根据突出冲击波超压与巷道通风阻力的关系,以及冲击波超压对人体的伤害准则,确定防突风门底坎安全尺寸。结果表明:(1)通过巷道交叉口的冲击波主要在直巷道中传播;冲击波传播速度、超压与突出压力成正相关关系。(2)导致距防突风门前较近位置处冲击波超压增大的主要原因是入射冲击波与撞击防突风门后的反射冲击波叠加作用;叠加后的冲击波超压、反射冲击波超压随防突风门底坎尺寸减小而增大。(3)防突风门底坎尺寸越小,冲击波受防突风门底坎阻滞作用越强,入射冲击波越难以绕过防突风门底坎继续向前传播。(4)分支巷道与防突风门较近时,应在分支巷道安装相应的防逆流装置。(5)防突风门底坎尺寸为15 mm以下时,穿越2道防突风门底坎后的冲击波不会造成瓦斯逆流,且穿越2道风门底坎后的冲击波超压不会对人体产生伤害,因此,矿井防突风门底坎的安全尺寸设定为15 mm以下较为合理。(6)理论分析、物理试验和数值模拟所得结果基本一致,说明分析结果是可靠的。

基于瓦斯峰谷比值法的炮掘工作面突出危险性预测

根据青龙矿井煤巷爆破掘进工作面的放炮前后瓦斯浓度变化规律,提出用瓦斯峰谷比值法作为预测预报煤巷炮掘工作面煤与瓦斯突出危险性的方法。实测数据表明:即使在同一掘进巷道,随着地点不同和措施不同,炮后瓦斯浓度最大值也不同,变化较大;在同一掘进巷道,炮前瓦斯浓度平均日最小值尽管随着地点不同和措施不同而变化,但变化较小。虽然此方法的突出临界指标的普遍适应性较差,但容易实现实时预测。