煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验-模型-机理及意义

多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一,已拓展到自然科学与工程技术的众多领域,作为多尺度科学的一个分支,煤岩渗流力学亦存在自身的多尺度科学问题。煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍之巨,这使得煤体渗透率也呈现出百万量级的空间与时间多尺度特征。因而,煤体多尺度渗透率研究既是煤岩渗流力学的学科内涵问题,亦是瓦斯抽采亟需的工程外延问题。采用柱状原煤煤心开展了无应力和三轴应力下CH4/He的非稳态扩散-渗流实验和三轴应力下稳态渗流实验。实验结果表明:柱状煤心的表观扩散系数随时间延长而动态衰减,并呈现出2类时间多尺度特征,一种为连续光滑的动态衰减特征,一种为两阶段阶跃式动态衰减特征。导出了动态表观扩散数学模型,该模型能较准确描述柱状煤心中气体(CH4/He)非稳态流动全过程。提出了多管串联多尺度孔隙结构物理模型和数学模型,采用压汞孔径数据验证了串联多尺度孔径模型,并据此给出了串联多尺度渗透率的数学证明。以努森数(Kn)为标准,划分了连续流-滑移流-过渡流-自由分子流等流域,以串联多尺度孔径为关联纽带,建立了考虑有效应力和流态的多尺度渗透率模型。研究结果揭示了煤层瓦斯串联多尺度渗流机理,即煤体微纳米孔径及其串联级数是影响多尺度渗透率的决定性因素,可测孔径范围内多尺度效应影响程度可达数万量级。流动初期,气体首先从外层大孔裂隙中流出,流动后期,逐渐从微小孔隙中流出,直至深达纳米级孔隙。随着时间延长,串联孔隙级数逐渐增长,等效孔径逐渐减小,其量级接近于最小孔径,进而使得等效渗透率随时间延长而急速衰减,渗透率的时间多尺度动态衰减特征是空间多尺度的外在反映。气体流动后期,努森数增大,滑移-过渡流态效应超过有效应力效应,并占据主导作用。瓦斯串联多尺度渗透率的实验发现和模型构建,解决了当前多尺度渗流缺乏实验的问题,弥补了单管理论的缺陷,表观意义上实现了扩散与渗流的统一,实现了多尺度渗透率的微观区分与宏观联合。

煤中超临界CO_(2)解吸滞后机理及其对地质封存启示

将CO_(2)注入不可采煤层地质封存既是降低温室气体效应最理想选择之一,也是煤炭工业降低CO_(2)排放、实现低碳化可持续发展的必由之路,然而,煤层CO_(2)地质封存悬而未决的关键问题是:“注入煤层中的CO_(2)到底能否长期停留而安全封存?”。鉴于此,在弄清煤体CO_(2)解吸滞后规律的基础上,揭示超临界CO_(2)解吸滞后机理,建立煤层CO_(2)地质封存量化模型,探讨利用解吸滞后实现煤层CO_(2)长期安全封存。研究表明:煤中超临界态CO_(2)解吸滞后程度大于亚临界态CO_(2),在超临界阶段,吸附与解吸等温线形成近似“平行线”的稳定滞后特征;解吸滞后的本质原因是煤中微纳米级亲水性孔隙形成弯液面、产生强大毛细压力、渗吸液态水、截断并固定超临界CO_(2)流体、最终形成了CO_(2)残余封存,例如,煤中直径40~10 nm圆柱形无机孔隙可产生7.30~29.12 MPa毛细压力,足以封堵超临界态CO_(2);以九里山煤样解吸等温线数据为例,采用基于煤层CO_(2)解吸滞后的地质封存量化模型,评估出900~1500 m深部二1煤层封存总量稳定在35~37 m^(3)/t,其中,吸附封存约占80%,残余封存约占15%,而结构封存仅占5%;解吸滞后启示应尽可能采取措施提高煤层残余封存CO_(2)比例,原因是毛细堵塞的残余封存CO_(2)较围岩密封的游离和吸附CO_(2)更安全且没有泄露风险,煤层灰分、水分、孔隙尺寸和形貌等物性参数是影响残余封存效率的主要因素。

基于钻孔多参数测井的煤层顶底板岩性及厚度识别

【背景】在煤层开采过程中,有效的地层特征探测方法对于井下工作开展至关重要,精确掌握煤层及其顶底板围岩的地层特征信息,有助于煤层瓦斯治理,保障矿井安全高效生产。【方法】采用底抽巷穿层钻孔进行多参数测井,重点分析了低位上行钻孔轨迹信息与自然伽马、自然电位和电阻率等参数的变化特性;通过综合对比多个钻孔的轨迹数据钻孔视频成像和测井结果,详细描述了工作面煤层及周围岩层的分布特征,并准确界定了各岩石类型及其真厚度;基于钻孔测井曲线特征和对应区域成孔视频,识别煤层中煤体结构异常区域和煤层含水区域。【结果和结论】研究结果表明:研究区域煤层顶底板岩性主要包括砂质泥岩、泥岩、细砂岩、煤4种岩石,不同岩性具有显著的测井响应特征,结合岩性划分结果和对应的钻孔轨迹信息,能有效划分煤层及其顶底板围岩层位。对单个钻孔开展重复性测井,提高了岩石岩性和厚度的识别精度,孔内厚度测量误差控制在0.2 m内,验证了测井结果的可靠性。煤层自然电位和电阻率曲线交会图表明,底抽巷第三、第四组钻孔之间存在长8.4 m,厚1.1 m的煤体结构异常区域;自然伽马、电阻率曲线交会图曲线和钻孔视频表明,第6组钻孔间存在长3.4 m,厚0.9 m的含水区域,研究结果与工作面瞬变电磁法勘测结果相一致,区域表现为弱富水性。多参数测井为快速判别井下钻孔的目标层位提供了高效手段,在推进矿井地质信息的透明化建设上有着良好的应用前景。