不同煤阶煤孔隙结构与煤制生物甲烷的相互影响

为研究不同煤阶煤的孔隙差异与生物甲烷产出的相互影响。以白音华(BYH)褐煤、马兰(ML)肥煤、沙曲(SQ)焦煤、祁东(QD)贫煤为研究底物,选用古汉山矿矿井水为菌源,进行厌氧发酵产甲烷实验。采用BET比表面积分析仪测定生物降解前后不同煤阶煤的孔隙参数变化特征,借助扫描电镜观察产气后煤表面孔裂隙分布及微生物附着情况,并通过主成分分析法研究了孔隙结构参数对煤制生物甲烷的贡献度。结果表明:煤的比表面积和孔体积随煤阶增加均呈现先减小后增大的变化趋势,而煤厌氧发酵过程的生物甲烷产量却随煤阶增加依次递减;高阶煤虽孔隙发育,但煤中大分子结构趋于稳定,同样不利于微生物降解;生物产气后,不同煤阶煤样的比表面积、总孔体积以及不同孔径段的孔体积均出现不同程度减小;煤表面附着有大量微生物,以球菌和杆菌为主,且部分微生物附着在煤的孔裂隙中;主成分分析表明总孔体积(主要为大孔和中孔孔体积)、分形维数D3以及比表面积对煤制生物甲烷的贡献较大,而微孔及分形维数D1对煤制生物甲烷影响较小,微生物作用改变了煤的孔隙结构,使比表面积和微孔大量减少,导致孔隙内吸附的甲烷大量解吸,这些均有利于煤层气的增产。

对不同煤阶煤孔隙分布特征浅析

煤层气作为一种重要的天然气资源,其开发利用对能源供应和环境可持续发展具有重要意义.煤孔隙结构是煤层气储存和运移的关键因素.基于此,针对不同煤阶煤的孔隙分布特征,分析了其对煤层气开发的影响机制,通过对不同煤阶煤的孔隙类型、孔径分布、孔隙连通性和渗透性等特征进行研究,揭示了煤孔隙结构与煤层气储存能力、渗透性和产能之间的关系.此外,还提出了煤层气开发中的煤孔隙优化方法.

不同煤阶煤储层应力敏感性差异及其对煤层气产出的影响

通过开展鄂尔多斯盆地东缘高中低煤阶不同含水饱和度煤储层应力敏感性实验，研究了煤储层渗透率动态变化规律及其对煤层气产出的影响。实验结果证实：不同煤阶煤储层渗透率随有效应力的增加均呈现负指数函数降低的规律。在有效应力小于5MPa时，煤储层渗透率随有效应力增加快速下降73％～95％，平均87％，煤储层应力敏感性最强；有效应力在5～10MPa时，渗透率随有效应力增加而较快下降5％～18％，平均10．4％，煤储层应力敏感性较强；而当有效应力大于10MPa后，渗透率随有效应力的增加下降速度减缓，应力敏感性减弱。实验结果表明中高煤阶煤储层应力敏感性随有效应力增加要弱于低煤阶。随着煤样含水饱和度的增加，煤储层应力敏感性也逐渐增强。根据煤储层渗透率动态变化规律提出了煤层气井排采过程中应遵循缓慢一保压一持续的排采工作制度，才能获得煤层气最大产出量。

不同煤阶深煤层含气量差异及其变化规律

基于Langmuir等温吸附方程式,开展不同煤阶不同温压条件下等温吸附模拟实验,实验结果表明：在煤岩镜质组反射率Ro〈3.0%时,Langmuir等温吸附曲线随煤阶、温度、压力升高表现出明显的分带性。随着煤阶的升高,煤吸附能力逐渐增强。温度小于55℃时不同煤阶Langmuir体积受温度影响较小,之后影响逐渐增大。低煤阶在12 MPa、中高煤阶在15 MPa以前随压力增加Langmuir体积增大明显。根据实测含气量外推法结合高温高压等温吸附实验建立了深煤层含气量数学模型,显示煤层含气量随埋深呈现快速增加—缓慢增加—不增加—缓慢减小的变化规律,其中低煤阶临界深度介于1400~1700 m,中高煤阶临界深度介于1500~1800 m。该含气量数学模型对预测深部煤层含气量变化规律及煤层气资源评价提供基础依据。

不同煤阶煤的CS_2-NMP萃取率及与煤性质的关联

对6种不同变质程度煤(包括气煤、弱黏煤、肥煤、焦煤和瘦煤)常温常压下用CS2-NMP混合溶剂进行了萃取实验.结果表明,挥发分(Vdaf)为35%左右的煤具有最高的萃取率,达到43.05%,不同煤阶煤的萃取率与其奥压膨胀度及塑性温度区间近似呈线性关系.通过对原煤、萃取残渣和生成焦粒的红外对比分析表明,不同变质程度煤经过萃取后,残渣中脂肪烃和脂环烃含量有所减少,矿物质大都在残渣中,氢键缔合峰的强弱随不同煤种表现不同,肥煤和气煤氢键缔合的极性键都位于煤中的大分子上,而焦煤和弱黏煤中的极性键大都在小分子化合物上.

不同煤阶煤应力敏感特征及其控制机理

煤储层应力敏感降低储层渗透率,进而影响煤层气井产能,如何降低排采中的应力敏感性影响值得深入研究。为了弄清不同煤阶煤储层的应力敏感性特征及差异性,分别采集樊庄高煤阶煤、保德中煤阶煤和二连低煤阶褐煤的样品,系统开展加载和卸载过程中不同煤阶煤的应力敏感性实验,并对应力敏感的产生机理进行分析。结果表明,随煤阶的升高,煤样的应力敏感性逐渐增强,含明显裂缝的样品敏感性更强。加载有效应力10 MPa条件下,相比初始渗透率,二连低煤阶褐煤样品渗透率下降79.26%,卸载后不可逆渗透率损害率平均33.4%;保德中煤阶煤样渗透率下降79.4%,卸载后不可逆渗透率损害率平均51.4%;樊庄高煤阶煤样加载后渗透率下降92.33%,卸载后渗透率只能恢复30%左右。产生这种差异的机理主要是由于不同煤阶煤的物质组成、孔裂隙结构以及渗流通道不同造成的。低煤阶煤变质程度低,主要发育大、中孔隙,割理–裂隙不发育,为基质孔隙–喉道渗流,渗透率主要受连通喉道控制,应力加载时主要是大、中孔压缩变形严重,而尺度较小的喉道受压缩变形小,因而其应力敏感性相对弱;而高煤阶煤孔隙以微、小孔为主,镜质组含量高,割理–裂隙发育,控制其渗透性,应力加载时微、小孔难以被压缩,而裂隙抗变形能力弱,易发生韧性变形破坏或闭合,卸载后也难以恢复,表现出强应力敏感特征。考虑到高煤阶煤储层埋深更大、应力更高,因此其应力敏感性对产能伤害大,排采初期宜以较小强度进行,降低不可逆渗透率伤害,扩大压降范围;而低煤阶煤储层本身应力低、渗透率较高,应力敏感对产能影响相对较小,排水期可适当加快速度,提高排水效率。

不同煤阶控制下的煤系储层物性研究

为了揭示不同煤阶控制下煤系气运移的关键储层物性特征及差异性,选取国内具有代表性的鄂尔多斯北部高煤阶含煤区块、鄂尔多斯东缘临兴地区中煤阶含煤区块和二连盆地白音华煤田低煤阶含煤区块为研究对象,基于显微裂隙、扫描电镜、压汞、低温液氮吸附等实测数据,对不同煤阶储层孔隙类型、孔隙结构、孔渗性进行了分析,根据优势孔裂隙的发育程度将储层分为纳米级孔隙优势发育型、微米级孔裂隙优势发育型、纳米级-微米级孔裂隙均等发育型、微米-厘米级孔裂隙优势发育型,并对不同煤阶储层差异性原因进行了研究。结果表明,高煤阶地区煤储层为纳米级孔隙优势发育型,致密砂岩储层为纳米级-微米级孔裂隙均等发育型,泥页岩储层为微米级孔裂隙优势发育型;中煤阶地区煤储层为纳米级孔隙优势发育型,砂岩储层为纳米级-微米级孔裂隙均等发育型,泥页岩主要为微米级-厘米级裂隙优势发育型;低煤阶地区煤储层为纳米级-微米级孔隙均等发育型,砂岩储层为微米级孔裂隙优势发育型。煤储层中孔含量低、砂岩储层孔隙和喉道连通性差、泥页岩储层中孔含量低是阻碍煤系气渗流和运移的直接原因。煤系储层物性由好到差依次为低煤阶储层、中煤阶储层、高煤阶储层。随煤阶增高,煤储层大孔和小孔含量降低,微孔含量增加,中孔变化较小;砂岩储层和泥页岩储层大孔和中孔含量降低,小孔、微孔含量呈增加趋势。不同煤阶煤储层物性差异主要与煤变质程度有关;砂岩储层和泥页岩储层物性差异,主要由成岩作用造成。

不同煤阶煤自燃特性的实验研究

为了研究不同煤阶煤的自燃特性,以HM褐煤、ZX长焰煤、DHS气煤、DL瘦煤、ZLS无烟煤为研究对象,利用程序升温仪和热重分析仪,对5种煤样进行气态产物、热效应和动力学特征进行分析。实验结果表明:低温氧化阶段,CO、CO2生成量和初始产生温度随着变质程度的降低而显著增强;低温阶段放热强度的顺序依次为HM褐煤>ZX长焰煤>金塔气煤>ZLS无烟煤>DL瘦煤,活化能的顺序为HM褐煤<ZX长焰煤<金塔气煤<ZLS无烟煤<DL瘦煤,活化能随着煤变质程度的增大而显著增加,这主要是ZLS无烟煤由于含硫铁矿较高(>3%),其低温阶段放热强度和活化能高于DL瘦煤。

不同阶煤超临界CO2驱替开采CH4试验研究

由于地质成因与孔裂隙结构的差异,不同阶煤的渗透性与驱替开采CH 4效果不同。为研究超临界CO 2在不同变质程度煤体中驱替开采CH 4的效果,利用尺寸为100 mm×100 mm×200 mm的原煤试件,在恒定的温压(50℃,25 MPa)条件下,以10 MPa超临界CO 2驱替压力对4种不同变质程度的煤(弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤)展开试验研究,结果表明:①不同煤阶煤体的孔隙形态与发育程度有较大差异,弱黏煤孔隙类型以墨水瓶型为主,无烟煤孔隙为狭缝型,而气煤与1/3焦煤则为楔形或平行板孔;对比孔隙比表面积,无烟煤与弱黏煤相对较高,分别为259.6510,154.0669 m 2/g,而气煤与1/3焦煤较低,分别为71.2359,41.4201 m 2/g;②煤渗透率受成矿地质环境和构造活动等导致的煤体结构、变质程度、裂隙发育程度、煤岩组成等多种因素的影响,在相同的有效应力下,4种测试煤样渗透率随变质程度升高而逐渐降低,驱替过程中CO 2注入量也随变质程度升高而降低,在25 MPa围压、10 MPa注入压力条件下,弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤的渗透率分别为4.58×10-18,2.75×10-18,0.91×10-18和0.05×10-18 m 2,驱替实验结束时,CO 2注入量分别为18.13,6.45,5.01和0.78 mol;③4种煤试件的CH 4产出率和CO 2储存量均表现为气煤>1/3焦煤>弱黏煤>无烟煤,孔隙以楔形或平行板孔为主、比表面积较低、渗透率中等的气煤与1/3焦煤驱替置换效果相对较好,反映了超临界CO 2驱替开采CH 4效果是不同变质程度煤孔隙形态、发育程度以及渗透率的综合表现。

注CO_2对不同煤阶煤储层渗透率变化的影响

研究CO_2注入煤层后与煤中不同矿物发生反应引起的渗透率变化规律,能够为提高煤储层导流能力提供实验支撑。通过对中、高煤阶煤样(屯兰矿、寺河矿)进行氮气吸附实验、矿物成分及渗透率的测试,探讨了注CO_2后,煤中不同矿物与其反应的渗透率变化规律以及渗透率改善效果;基于对初始渗透率、反应时间、改善后渗透率的非线性回归分析,建立渗透率变化模型。研究结果表明:注入CO_2后,由于发生CO_2-水-岩石相互作用,中、高煤阶煤渗透率均随注气时间增加呈现出先增大后减小的规律,寺河矿煤样先达到渗透率最大值,屯兰矿较滞后,寺河矿煤样渗透率改善效果比屯兰矿好。煤层中注入CO_2对初始渗透率过大或过小的煤层都不利于渗透率改善,只有渗透率在0.2×10^(-3)~0.4×10^(-3)μm^2的中等渗透率范围内,改善效果较好,渗透率变化模型经实验数据验证较可靠。

高地温对不同变质程度煤自燃微观结构影响试验研究

深部煤炭开发为煤矿自燃火灾防治带来新的挑战,开采深度增加所导致的高地温环境直接改变了煤炭氧化自热的初始条件,也会逐渐影响煤的微观结构,加剧火灾风险。因此,为了研究深部煤炭开采面临的高地温环境对煤自燃特性的影响,选取代表矿区的8种不同变质程度煤样,通过模拟高地温环境处理煤样30 d,通过静态容量法测试煤样的孔隙结构变化,傅里叶红外光谱分析地温影响下煤主要活性基团变化,并对比程序升温试验180℃时的CO产率变化。研究结果表明:长期受高地温环境影响,煤中代表游离羟基的-OH伸缩振动和代表脂肪烃的C-H结构变化最为显著;煤样在长期处于高地温环境,无烟煤比表面积降低,最大降幅达到46.01%。烟煤的孔隙分布范围更多地集中在3 nm以上的区间内,处理前后变化最小。褐煤的孔隙较烟煤更为发育,处理后2种褐煤比表面积分别增加了4.04%和20.4%,平均孔径分别降低了20.5%和14.4%。地温对不同变质程度煤自燃特性的影响存在差异,高地温促使无烟煤、烟煤和褐煤CO生成量最高分别增加13.1%、28.5%和36.1%,说明低阶煤更易受高地温环境的影响。该研究为高地温环境影响下的煤矿采空区自燃火灾防治提供参考。

煤及其液化产物的^(13)C CP/MAS/TOSS NMR和ESR研究

研究煤及其液化产物的成分和含量的变化是控制煤液化工艺的的重要因素之一.该文章用元素分析,13C CP/MAS/TOSS NMR和ESR的方法分析了不同煤化度的6种原煤,结果表明,不同煤阶的原煤的结构存在较大的差异,原煤的芳香度随着含碳量的增加而变大,芳烃碳原子百分率随芳香度增大而增大,芳香度增大则自由基浓度增大,光谱分裂因子(Landeg值)减小;另外,通过对其中5种原煤及其在CO+H2O气氛下液化得到的产物的ESR分析,推测并验证了原煤在液化阶段中的反应机理,不同煤阶的原煤在反应过程中的变化有所差异,从中可以推测并得到了一些原煤结构方面的信息.

有效应力对不同阶煤渗透率影响的差异性分析

通过不同阶煤储层渗透率应力敏感性实验,对比分析了有效应力对不同阶煤渗透率影响的差异。结果显示,在相同有效应力变化范围内,低阶煤渗透率下降幅度大于中、高阶煤;低、高阶煤渗透率变化较中阶煤更符合指数函数变化规律;低有效应力阶段,低阶煤渗透率损害系数、应力敏感系数大于中、高阶煤;相同有效应力下,低阶煤割理压缩系数大于中、高阶煤;不同煤阶割理压缩系数随有效应力增加呈现下降趋势,不应将其视为常数。应力敏感性评价参数拟合结果显示,中、低阶煤渗透率损害系数、割理压缩系数符合指数函数变化规律,高阶煤渗透损害系数、割理压缩系数符合线性函数变化规律;不同阶煤渗透率应力敏感系数均符合指数变化规律。