低阶煤不同宏观煤岩组分孔隙发育特征及甲烷吸附/解吸性能差异

目的针对煤储层非均质性较强,不同宏观煤岩组分由于物质成分和孔隙结构差异导致煤层气吸附解吸性能和气水运移特征迥异的问题,方法以黄陇煤田彬长矿区延安组低阶煤为研究对象,采集并分离镜煤和暗煤组分,综合运用显微组分测定、元素分析、压汞、低温液氮吸附、吸附解吸试验等测试方法,研究低阶镜煤和暗煤的孔隙发育特征差异和对甲烷吸附/解吸性能的影响。结果结果表明:(1)镜煤的镜质组质量分数、挥发分及H,O,N,S元素质量分数高于暗煤的,而惰质组、壳质组、矿物、灰分、固定碳和C元素质量分数低于暗煤的。(2)煤样孔隙度为2.92%~10.29%,总体孔隙较发育,暗煤孔隙度略高于镜煤的,孔喉更粗,大孔更发育,连通性更好。镜煤BET比表面积和BJH总孔容均略大于暗煤的,微孔更发育,且多以半封闭型和墨水瓶型孔隙为主。(3)镜煤微小孔更发育,比表面积更大,吸附能力更强。结论煤中甲烷吸附/解吸过程普遍存在解吸滞后现象,暗煤孔隙连通性相对较好,解吸滞后程度低于镜煤的,理论解吸效率高于镜煤的。研究结果可为彬长矿区低阶煤煤层气储层物性认识提供参考。

三塘湖盆地条湖-马朗凹陷煤层气甜点预测

三塘湖盆地煤层气勘探开发工作仍处于初期阶段,通过建立煤层气资源地质工程一体化评价方法,预测煤层气开发甜点区。结果表明,条湖-马朗凹陷煤层气赋存条件优越,9^(#)煤层主体埋深600~2600 m,含气量1.3~4.5 m^(3)/t,煤层厚度5.0~60.9 m,构造较为简单,顶底板岩性均以泥岩为主。优选煤层厚度、埋藏深度、顶底板岩性、构造、沉积相带、孔隙度、渗透率、脆性指数、破裂压力、泥质含量10个参数作为评价指标,预测煤层气甜点区(Ⅰ类区)主要分布于条湖凹陷东北部和马朗凹陷西部。

矿业类高校煤地质类课程思政育人元素与体系构建

煤地质类课程在矿业类院校地质专业人才培养中占有重要地位。煤地质类课程中蕴含着丰富的课程思政元素,包括哲学思维、绿色发展、家国情怀与奉献精神、科学精神与创新思维等。基于煤地质类课程四重属性,优化教学内容,全面融入思政元素,进而形成煤地质类课程思政建设思路与框架体系,明确课程思政育人目标。

水分对煤层气吸附/解吸微观作用研究进展

水分是制约煤层气吸附/解吸的关键因素之一,受煤储层多元孔隙结构和煤岩组分润湿性差异影响,煤-水-甲烷界面作用导致煤层气产出过程中CH4与H2O相互激励、相互制约。立足于水分对煤层气吸附/解吸作用的研究进展与前沿认识,从煤储层水分赋存状态、煤-水界面微观作用和水分对甲烷吸附/解吸影响3个方面重点分析了水分与煤层气吸附/解吸微观效应之间的内在关系。研究认为煤储层孔隙结构及水分赋存状态复杂。以煤-水界面作用及孔隙结构特征为依据将煤储层水划分为结合水、束缚水和自由水3种主要类型,不同类型水分对甲烷吸附的抑制作用机制存在差异、且对低阶煤的影响程度严重。水分相态变化成为影响甲烷解吸-运移的核心,水蒸汽分子通过竞争吸附置换吸附态甲烷,液态水在润湿性和毛细管力作用下水锁堵孔、抑制气-水运移。在地面煤层气钻采过程中水分的作用机理随储层温度-压力环境动态变化而变化。针对水分对甲烷解吸作用机理不清、影响界限不明的现状,由此提出了量化储层水分含量及分布特征,增强甲烷解吸与气-水运移,完善甲烷吸附/解吸理论与模型,强化水分激励、促进煤层气增产4方面的科学问题及发展方向,进一步深化煤-水界面微观作用在煤层气解吸运移过程中的机理,促进煤层气持续稳定高效开发。

中低煤阶镜煤/暗煤大分子结构及对甲烷吸附的影响

为研究中低阶煤不同宏观煤岩组分微观结构及对甲烷吸附的影响,采集黄陇煤田郭家河、大佛寺、园子沟及黄陵矿区的四种不同煤样,手工剥离不同宏观煤岩成分(镜煤和暗煤),通过傅立叶红外光谱(FTIR)分析、X射线衍射(XRD)分析和等温吸附实验探究中低阶煤分子结构特征及其对甲烷吸附能力的影响。结果表明:同一煤样中镜煤的水分和挥发分产率高于暗煤的水分和挥发分产率,而暗煤的灰分产率和固定碳含量高于镜煤的灰分产率和固定碳含量。镜煤的显微组分中镜质组含量较大、惰质组含量较低,暗煤则相反。红外光谱分析结果表明,同一煤层的镜煤和暗煤红外光谱吸收峰形态相似,官能团类型和含量接近。煤分子结构中主要含氧官能团按含量由高到低依次为C—O,COOH,C=O,脂肪侧链按含量由高到低依次为CH_(2),CH_(3),CH。对比煤的准晶体结构发现,中低阶煤煤化程度低,γ带的峰面积整体较大。受煤化作用和压实作用影响,暗煤的堆砌度和堆砌层数大于镜煤的堆砌度和堆砌层数。分子结构特征对甲烷吸附量的影响显著。镜煤的最大甲烷吸附量与芳碳率和缩合度均呈正相关,暗煤的最大甲烷吸附量与芳碳率和缩合度均呈负相关。镜煤和暗煤的最大甲烷吸附量随羟基相对含量增加而减小,碳氧双键(羰基和羧基)相对含量对甲烷吸附量的影响有限。

汽车轻量化技术研究

当今,随着石油资源的日益减少以及人们环保意识的不断增强,新能源汽车的发展日益蓬勃,其取代传统燃油车的时间指日可待。然而,制约新能源汽车发展的因素有很多,其中整车重量是影响新能源汽车续航里程的重要因素,因此,车身轻量化技术的发展迫在眉睫。本文阐述了汽车轻量化的开发路径、铝在汽车轻量化中的应用。

大佛寺井田4号煤CH_4与CO_2吸附解吸实验比较

以迅速降低大佛寺4号煤含气量,提高地面煤层气井采收率为目标,进行CO2驱替CH4技术的实验研究。对采自大佛寺矿井40114工作面的样品,进行多个温度点柱体原煤与60~80目平衡水样的CH4与CO2吸附解吸对比实验。结果表明:CO2在煤孔隙表面与CH4一致,吸附过程符合Langmuir方程,解吸过程可用解吸式描述;由热力学计算可知,柱体原煤升压过程CO2吸附热为56.827 kJ/mol,CH4吸附热为12.662 kJ/mol,降压过程CO2吸附热为115.030 kJ/mol,CH4吸附热为23.602 kJ/mol,无论升压过程还是降压过程CO2吸附热远大于CH4吸附热,两种气体在煤孔隙表面竞争吸附时CO2占据优势,导致置换解吸;吸附势、吸附空间计算验证了这个结论;利用CO2驱替CH4技术,提高煤层气采收率,理论依据充分可行。

煤的等温吸附-解吸实验及其精确拟合

针对当前产业界面临的对煤层气解吸机理研究不足的现状,开展了6组煤样的甲烷气体的等温吸附/解吸实验。结果表明,煤层气的解吸过程略微滞后于吸附过程,同一煤样的等温解吸曲线与等温吸附曲线存在一个匮乏压力下的残余吸附量;通过对实验数据的分析,建立了降压条件下煤层气解吸作用的精确拟合方程。

煤层气解吸滞后特征分析

通过对不同变质程度的煤进行不同温度点的等温和吸附/解吸的实验,综合分析认为,煤层气在降压解吸过程中,随着压力的降低和煤阶提高,解吸滞后特征显著,温度增大解吸滞后现象不显著。不同变质程度煤的分子构成和孔隙结构导致了煤的物性差异,这是煤层气降压解吸滞后与升温解吸滞后差异的主要原因。实践中,在煤层气井排采后期,用升温解吸技术促进残余气解吸是提高煤层气采出率的重要途径。

煤层气解吸的温度效应

为了探索温度对煤层气解吸效果的影响,通过对沁水南部寺河煤矿3号煤的吸附/解吸实验,经过数学分析,获得该煤层气吸附/解吸的数学式与等量吸附热表达式。分析认为:随着储层温度升高,饱和吸附量减小;解吸过程滞后于吸附作用的原因主要是非物理吸附常数c值作用,随着储层温度增高,c值增大;降压解吸伴随吸热(温降),同时阻碍了持续解吸过程。通过提高储层温度来促进解吸过程,在理论上可行,工程中应该受到重视。

页岩气与煤层气吸附/解吸热力学特征对比

为了促进煤层气与页岩气在储层评价与开发方式选择上的相互借鉴,进行了煤与页岩吸附甲烷的对比试验。通过多温度点页岩气和煤层气吸附/解吸试验,计算升压过程与解吸过程吸附热差异,发现热演化程度基本一致时,极限吸附热计算结果表明:煤层气在升压吸附时放热量19.148k J/mol,小于降压过程吸热量23.966 k J/mol,降压解吸难以持续;页岩气在升压吸附时放热量44.624k J/mol,大于降压过程吸热量32.656 k J/mol,降压促进吸附/解吸平衡向解吸方向移动。因此,利用排水降压进行煤层气开采时,应重视持续解吸技术的研究。

煤层气解吸特征的实验研究

利用液固吸附的一般实验发现煤的孔隙分布不均,中高阶煤以0.8～15nm孔径为主要优势。小孔表面曲率变化较大,孔径变化可用Weibull不对称函数表示,进而推导气固吸附方程。通过对山西晋城寺河3#煤、陕西韩城象山3#煤、新疆六道湾43#煤的等温吸附解吸实验并利用SPSS软件进行数据拟合,发现其r2皆大于Langmuir方程的拟合效果,所以利用Weibull函数来表征煤层气的解吸过程有利于指导煤层气排采实践。

胡家河井田煤层气等压吸附/解吸特征研究

为了促进彬长矿区胡家河井田低煤阶煤层气开发实践,核定采收率,对4号煤层进行了样品采集、加工,完成了不同温度煤层气吸附/解吸试验,利用吸附/解吸结果绘制吸附等压线。结果表明:吸附量随着温度的升高而减小,低压阶段解吸滞后明显,高压阶段解吸过程与吸附过程可逆;CH_4吸附量与温度的关系可用二次函数表征,当温度大于临界温度(-82.6℃)时,最大吸附量沿抛物线分布;温度低于临界温度时,最大吸附量沿直线分布;最后得出CH_4吸附量的计算方法,解决了采收率核定时低阶煤含气量测试数据不准的问题。

无烟煤对甲烷等温吸附解吸特性实验研究

研究空气干燥基无烟煤对甲烷(CH4)的等温吸附/解吸特性,发现其对甲烷的解吸残余率达56%。为了对其进行深入探讨,特设计了原煤样的炭化和活化实验,扩大了原料的比表面积,进而在等温条件下研究了两个改性样品对甲烷的吸附/解吸特性。对比发现,比表面积的增大能显著增加样品对甲烷的吸附总量,但对解吸残余率没有明显的影响。考虑到影响甲烷吸附/解吸的因素,又在等温条件下对主控因素——水分作了平行实验,结果显示,水分对活化样解吸残余率有明显影响。

大佛寺井田煤层气井压裂参数优化方案

为有效优化彬长矿区大佛寺井田煤层气井压裂施工工艺,对井田内24口煤层气直井产气情况和压裂施工参数进行统计分析,研究了煤层气直井压裂施工对其产能的影响,并将产能效果较好的气井压裂施工参数进行了分析对比。研究发现,在煤储层地质因素一致的情况下,影响压裂效果的主要工程参数有施工排量、压裂液用量、加砂强度以及砂比等。大佛寺井田煤层气直井采用活性水压裂液,支撑剂为石英砂,压裂施工排量为5. 4～8. 5 m^3/min,压裂液用量616. 00～1 193. 25 m3,加砂强度为3. 26～13. 00 m^3/m,砂比为6. 9%～17. 1%.结合气井历史排采资料和相关地质资料,以日均产气量和稳定日产量1 000 m^3为压裂效果产能下限,得到适合大佛寺井田煤层气直井的压裂参数优化配置,建议压裂工艺优化方案设计如下:施工排量建议为8～10 m^3/min;细砂段塞1～2个;压裂液用量建议为950～1 100 m^3(前置液占25%～40%);加砂强度建议为5～7 m^3/m(煤厚> 12 m)或8～9 m^3/m(煤厚<12 m);砂比建议为10%～11%;支撑剂中中砂/粗砂比值建议为2～3.该方案可为井田后期煤层气井的压裂施工提供一定的工程依据。

不同温度下低、中、高阶煤储层甲烷吸附解吸特征差异

为研究不同煤阶CH4吸附/解吸特征差异及解吸滞后效应,采集低、中、高煤阶样品,进行显微组分测定、液氮吸附、等温吸附/解吸等实验,系统分析不同煤阶样品物质成分、孔隙结构、吸附/解吸特征差异及解吸滞后效应,结合甲烷吸附热计算结果,从能量角度探讨煤层气解吸滞后机理。结果表明:①煤样的镜质组反射率Ro,max分别为0.43%、1.26%、3.27%,低阶煤样品镜质组含量低、惰质组含量高、挥发分高和固定碳高,中、高阶样品则反之;煤变质程度增高,孔隙度、BET比表面积、BJH总孔容、分形维数D2呈“V”型变化,D1呈倒“V”型变化;②温度相同时,煤阶越高,残余吸附量越大,解吸难度增加。温度升高,残余吸附量呈先上升后下降的趋势,以40℃为拐点,温度对气体分子活化程度和煤的孔隙结构均有影响;③压力相同,煤阶越高,甲烷吸附速率越快,低压阶段(p<4 MPa),吸附量增加快,高压阶段(p>4 MPa),吸附量增加不明显;④DFS4#、SGZ11#、SH3#三个煤样解吸过程中等量吸附热均大于吸附过程中的等量吸附热,表明解吸过程需要持续从体系外吸收热量,而处于吸附态的甲烷由于解吸需要的等量吸附热大于吸附时的等量吸附热需要从外界环境吸取能量,吸附和解吸过程的能量差异会导致解吸滞后;处于游离态的甲烷,由于高压作用下进入微小孔,致使煤基质膨胀变形,孔隙结构改变,导致甲烷解吸受限,造成解吸滞后。

降压解吸关系式在中高阶煤煤层气排采中的应用

煤层气吸附解吸实验数据表明,煤层气降压解吸关系符合V=a.bp/(1+bp)+c,从而解决了煤层气井降压排采中解吸量计算问题,揭示了降压解吸规律。通过两口垂直井、两口水平井的排采实践得到验证。有利于指导煤层气开采实践与规划。

不同水分煤样吸附甲烷的极限吸附量预测

以大佛寺4#不粘煤样为研究对象,进行4#不粘煤空气干燥基样和平衡水分样等温吸附实验,计算吸附势和吸附空间,得出吸附特征曲线,以期预测大佛寺4#不粘煤层中煤层气资源/储量,验证吸附理论的可靠性。实验结果显示:对于同1种煤样,吸附势与环境温度无关系,煤中水分大小对吸附势影响较大;实验进一步证明煤-甲烷分子之间作用力主要为色散力,吸附过程为物理吸附;根据吸附特征曲线计算所得极限吸附量与常规Langmuir方程拟合所得结果十分相近,初步证明吸附特征曲线所得极限吸附量预测煤吸附甲烷最大能力、预测煤层气资源/储量是可行的方法。

大佛寺煤储层甲烷解吸的传质过程研究

以CH_4解吸过程CH_4的质点运移过程、能量来源与传递为研究目标,剥离大佛寺4号煤的镜煤与暗煤,进行工业分析、煤岩分析、液氮吸附、压汞实验、润湿性测定、吸附/解吸等对比实验,进行吸附热计算。研究认为:按照传质功能分类,煤的孔隙分半开放孔与连通孔,镜煤吸附量大,以半开放孔为主,暗煤以连通孔为主;降压湍动引起水的蒸汽化,H_2O的吸附放热导致CH_4的解吸,降压解吸的本质是竞争吸附,表现为置换解吸;煤层气的产出的传质过程是低溶解度的CH_4气核空化过程(Cavitition)。煤的吸水、平衡水实验与CT扫描结果初步验证了我们对煤层气产出的传质过程认识。研究结果补充了解吸作用的能量来源问题。

沁南地区煤层气的解吸特征实验研究

通过对沁南地区煤的等温吸附解吸实验,获得30℃时不同压力点煤的含气量数据,并对实验数据进行数学拟合分析,同时考虑两者之间量纲,进而归纳出沁南地区煤层气的解吸量与压力的关系呈幂指数函数关系。