考虑吸附膨胀应力影响的煤层瓦斯流–固耦合渗流数学模型及数值模拟

已有研究表明,煤吸附瓦斯后要发生相应的膨胀变形,而当这种膨胀变形受到一定的限制时,将会产生膨胀应力。为此,在考虑煤吸附瓦斯产生膨胀应力的前提下,根据煤体受力平衡条件建立考虑吸附膨胀应力的煤体有效应力表达式,并根据流–固耦合渗流理论的基本思想,建立煤层瓦斯流–固耦合数学物理模型。采用有限元和有限差分相结合的方法对模型进行离散化处理,并对其进行模拟求解。和未考虑吸附膨胀应力的流–固耦合模型的模拟结果进行比较分析,研究成果表明,未考虑吸附膨胀应力的流–固耦合模型计算的压力下降较该模型要小,两种模型的模拟结果存在一定的差别,从而表明在煤层瓦斯流–固耦合数学模型中应考虑吸附膨胀应力的影响。

考虑温度作用下煤岩渗透特性及吸附膨胀的试验研究

利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟采深增加导致的渗透特性变化,开展不同温度下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑温度作用的吸附膨胀模型,探讨温度和孔隙压力综合作用对煤岩吸附膨胀效应的影响。结果表明:随孔隙压力升高,轴向应变在较低温度下(30,40℃)逐渐下降,在较高温度下(50,60℃)逐渐上升,在各个温度下径向应变、体积应变逐渐降低;随孔隙压力升高,煤岩渗透率先减小后略有增高,不同温度下通入氦气与甲烷气体的煤岩渗透率变化趋势相同且前者渗透率大于后者;随温度升高滑脱效应导致的渗透率变化量(Δkb)逐渐增大,煤岩吸附膨胀导致的渗透率变化量(Δks)随孔隙压力升高先急剧下降后趋于平缓,且随温度升高变化量逐渐增大;在相同孔隙压力下,考虑温度作用吸附膨胀引起的渗透率变化量均高于不考虑温度作用的变化量,且前者总减小量要大于不考虑温度时总减小量。

山西古交矿区马兰煤矿肥煤注水后煤体吸附膨胀行为

基于不同压力,室温下对山西古交矿区马兰煤矿的煤样进行注水及吸附膨胀实验,分析了煤体吸附膨胀规律和气、水介质对其的控制机理.研究发现:不同含水率的煤样吸附后,煤体的应变参数随着压力的变化均呈现类似于Langumir等温吸附曲线的变化规律,且平行于层理方向的应变大于垂直于层理方向的应变;气、水介质从不同的侧面对煤体的吸附应变特征进行影响,煤样中注入的气量越大,产生的膨胀能越大,变形程度也越大;水分的存在,使得气体吸附量减小,煤体吸附气体后产生的应变减小.

三轴围压下煤岩吸附膨胀特性与渗透性动态变化

煤层气排采过程中煤储层孔隙度和渗透率的动态变化,是煤层气开发地质研究的热点之一。本文利用晋城无烟煤样,分析了三轴应力条件下煤岩的应力-应变效应,讨论了煤样渗透率的动态变化规律。结果表明,围限压力条件下,煤岩吸附甲烷后其抗压强度明显增大;煤样最大径向吸附应变与孔隙压力的关系,可用朗格缪尔方程形式予以描述;煤岩渗透性与有效应力、煤岩吸附膨胀量均呈负指数关系,说明两者对煤岩渗透性影响的实质相同,即煤岩孔隙、裂隙受到应力作用逐渐减小或闭合。同时,在较低孔隙压力条件下,需考虑克林伯格效应对煤层渗透性的影响。经检验,S-D模型能够较为客观地预测煤岩渗透性动态变化规律。

考虑吸附膨胀和滤失附加应力的井壁应力模型

页岩气吸附膨胀作用和滤失附加应力是影响煤系页岩储层水力压裂后水平井应力分布重要因素,不可忽略。考虑页岩气吸附膨胀作用和滤失附加应力,基于各向异性材料理论,建立了煤系页岩横观各向同性储层水平井井壁应力模型,分析了煤系页岩储层水平井井壁应力分布特征,考察了井筒方位角对井壁周向应力分布影响,得到了有效应力、地应力和各向异性程度对井壁起裂压力的影响规律。研究表明:井壁周向应力近似椭圆形分布,拉应力与压应力同时存在,拉应力区有效应力对井壁周向应力影响较大,方位角为90°和270°时最大,30°、150°、210°和330°时无明显影响,有效应力作用下最大井壁周向应力随井筒方位角增大近似线性增加,增加程度先降后增;吸附膨胀作用使井壁起裂压力降低,不利于井壁稳定性,高孔隙压力下吸附膨胀作用对井壁起裂压力影响更为明显;起裂压力随各向异性系数增大而减小,两者呈二次函数关系,各向异性系数越大,煤系页岩层理及其基质强度越低,天然裂缝越发育,越不利于井壁稳定性,井壁起裂压力随侧压系数增大而减小,两者呈线性递减关系。研究成果为煤系页岩气有效开发提供了科学参考。

吸附膨胀法制取高纯气体

着重论述吸附膨胀法制取高纯气体的工艺过程，气体混合物直接充入装置，经过升压吸附，降压膨胀，最终获得一种以上的高纯气体。工艺过程简单，操作方便，技术可靠，特别适用于没有低温冷源的场合。

煤体的吸附膨胀变形特性研究

煤体的吸附膨胀变形特性研究对于煤层瓦斯抽采、抽采钻孔的布置具有重要意义。文章采用吸附膨胀测试系统对垂直于层理方向的煤样变形特性进行了研究。结果表明:当对煤体进行抽真空实验时,煤体会发生收缩变形,煤体的体应变随着时间的增加而逐渐增加,煤样的体应变与时间满足Langmuir的函数关系;当煤体进行吸附瓦斯时,煤体会发生膨胀变形,煤体的体应变随着时间的增加而逐渐增加,煤体的体应变与时间满足幂函数的函数关系;随着吸附平衡压力的增加,煤体吸附的瓦斯量逐渐增多,煤体的体应变逐渐增加,实验结果为煤层瓦斯抽采提供理论依据。

膨胀床吸附高效纯化牛血红蛋白

探索了将膨胀床吸附层析应用于动物血液蛋白质的提取 ,尝试了直接从牛血红细胞破碎液中纯化血红蛋白 .对该过程采用的吸附介质及 pH值、离子强度、温度、洗脱条件等因素对高铁血红蛋白生成、产品纯度以及回收率等的影响进行探索 .选择了最佳吸附介质StreamlineSP ,确定了优化的吸附条件为 :吸附过程选用离子强度为 10mmol·L-1的磷酸盐缓冲系统 ,进料线流速 3 3cm·min-1,进料 pH值 6 6 ,改变缓冲液pH值为 7 2进行洗脱 ,操作温度 4℃ .该技术省去了离心去除碎片步骤 ,有效地控制了纯化过程中无载氧能力的高铁血红蛋白的生成 ,动态吸附容量达到 70～ 75mg·ml-1,只经一步操作产品纯度达电泳纯 ,高铁血红蛋白含量仅为5 4 % .与现有的膜过滤 -层析纯化方法相比 ,膨胀床吸附法操作时间短 ,提取收率高 ,产品活性损失小 ,是一种简捷、高效。

船舶机舱含油废水在膨胀石墨/活性炭复合吸附剂上的吸附研究

为分析吸附技术在船舶机舱含油废水处理中的可行性,本文通过化学活化法,分别选择KOH和酚醛树脂作为活化剂和碳源,在由溶液浸渍法制备膨胀石墨/活性炭复合吸附剂后,进行乳化油在制备试样上的吸附平衡和吸附动力学特性作分析。在25℃下,根据重量法的原理测试了乳化油在吸附剂试样上的吸附动力曲线,并通过拟合Lagergren准一级和准二级动力学曲线,确定吸附速率常数与初始吸附速度。在温度区间20℃~30℃,测试乳化油在试样上的吸附等温线后,比较Langmuir,Freundlich和Tempkin吸附等温方程预测吸附平衡数据的精度,并由Van′t Hoff方程计算了吸附平衡过程的焓变和熵变。结果表明,乳化油在复合吸附剂上发生物理吸附且在常温下就可自发进行,研究乳化油在复合吸附剂上的吸附动力学特性和吸附平衡可分别选用Lagergren准二级吸附速率模型和Tempkin吸附等温方程。膨胀石墨/活性炭复合吸附剂用于船舶机舱含油废水的处理具有良好的前景。

突出危险煤吸附、解吸瓦斯变形特性试验研究

采用自主研制的煤体高压吸附-解吸变形试验系统,进行了突出危险煤在不同瓦斯压力条件下的吸附-解吸变形全过程试验,探讨了突出危险煤吸附瓦斯产生膨胀变形、解吸瓦斯产生收缩变形这一特有的力学行为。研究结果表明,突出危险煤在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的演化规律,即先后经历抽真空收缩变形、充气压缩变形、吸附膨胀变形、卸压膨胀变形、卸压后弹性恢复变形和解吸收缩变形等6个阶段;吸附膨胀变形和解吸收缩变形过程中,煤样的应变变化率绝对值均随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值,其变形规律服从朗格缪尔方程;煤样的吸附膨胀变形和解吸收缩变形均呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,使垂直层理方向的应变明显大于平行层理方向的应变;煤样吸附膨胀变形值与瓦斯压力关系对二次函数和朗格缪尔方程均具有较好的拟合效果,煤样解吸收缩变形值与原始瓦斯压力呈很好的幂函数关系和二次函数关系;煤样解吸瓦斯后存在一定的残余变形值。

含吸附煤层气煤的有效应力分析

煤层中的气体(煤层气)主要呈吸附状态,固体煤和吸附气体之间的相互作用关系是目前人们关心的问题,它与煤矿瓦斯防治和煤层气开采有关。根据表面物理化学和弹性力学原理,推导了煤吸附膨胀变形、吸附膨胀应力及有效应力计算公式,理论计算结果和试验结果基本一致。分析表明,裂隙中自由气体的压力对煤层中的应力状态影响很小,在煤层内部吸附膨胀应力和吸附膨胀变形规律服从虎克定律。

不同温度下型煤吸附解吸变形规律的研究

采用自主研制的高压瓦斯煤岩吸附-解吸测试系统,进行了型煤在不同温度条件下的吸附-解吸变形全过程试验,对型煤吸附与解吸瓦斯产生变形进行了研究。研究结果表明,型煤在不同温度条件下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,即先后经历快速膨胀变形、缓慢膨胀至平衡变形、卸压瞬时膨胀变形、快速收缩变形、缓慢收缩至平衡变形5个阶段;型煤的吸附膨胀和解吸收缩曲线均具有朗格缪尔方程和幂函数方程特征;型煤在吸附过程中的膨胀变形具有各向异性,在解吸过程的收缩变形具有各向同性,解吸平衡的残余体应变与温度呈负相关。

不同温度、压力下煤体吸附瓦斯变形特征研究

为了探讨煤体在不同物理场耦合作用下吸附瓦斯后的膨胀变形特征,以型煤为研究对象,利用自行研发的高压瓦斯煤岩吸附-解吸测试系统对型煤进行了不同温度、不同压力下的吸附变形试验。试验结果表明,随着温度的升高,煤体吸附瓦斯量呈减小趋势,其轴向变形和环向变形量均有所降低;在相同温度条件下,随着压力的升高,型煤试件的变形量和变形速度均有所降低;不同温度、压力下,幂指数函数对于型煤试件吸附、解吸过程中的应变变化的拟合效果要明显优于朗格缪尔形式公式。

煤岩吸附—解吸变形各向异性特征试验分析

在井下瓦斯抽采和地面煤层气开发过程中,气体吸附和解吸会导致煤基质的膨胀和收缩变形。采用自主研发的煤岩气体吸附—解吸变形试验系统,对鹤壁六矿二_1煤层贫瘦煤煤样在不同气体压力下的吸附—解吸变形全过程进行了测试。试验结果表明:①煤样在吸附膨胀和解吸收缩变形过程中均呈现各向异性特征,垂直层理方向变形量最大,平行层理垂直面割理方向次之,平行层理垂直端割理方向最小;②煤岩吸附膨胀和解吸收缩变形量随气体压力的增加而增大,但平行层理垂直面割理方向与垂直端割理方向的变形值之比逐渐减小,各向异性程度逐渐减弱;③煤岩吸附膨胀变形是一个不可逆过程,煤岩吸附—解吸残余变形量与气体压力呈正线性相关性。

瓦斯压力对煤体吸附-解吸变形特征影响试验研究

以松藻煤电公司渝阳煤矿8#突出煤层原煤试样为研究对象,开展了不同瓦斯压力条件下的煤体吸附-解吸变形试验。研究结果表明:含瓦斯煤体吸附-解吸变形动态曲线可划分为抽真空压缩变形阶段I、吸附膨胀变形阶段II、解吸收缩变形阶段III等3个阶段;煤体的吸附-解吸变形具有明显的各向异性特征,但横纵向变形量比值随时间和压力变化不明显,趋于定值;含瓦斯煤体体积变形随吸附/解吸压力的增大呈线性增加,吸附/解吸时间越长,线性斜率越大;含瓦斯煤体吸附-解吸变形不可逆,残余变形量随气体压力增加而增大,且纵向变形对煤体残余体积变形贡献相对较大。

山西沁水盆地中南部煤储层渗透率物理模拟与数值模拟

通过对山西沁水盆地中 南部上主煤层宏观裂隙观测 ,力学参数测量和应力渗透率实验 ,分别建立了裂隙面密度、裂隙产状、裂隙宽度与煤储层渗透率之间的预测数学模型 ;利用FLAC— 3D软件 ,模拟了该区上主煤层内现代地应力状态 ,结合煤层气试井渗透率资料 ,构建了应力与渗透率之间关系预测的数学模型 ,并对该区上主煤层渗透率进行了全面预测。通过吸附膨胀实验 ,揭示了各煤类煤基质的收缩特征 ,构建了有效应力、煤基质收缩与渗透率之间的耦合数学模型 ,并对煤层气开发过程中渗透率动态变化进行了数值模拟。

煤基质自调节效应实验

煤储层渗透率是决定煤层气开采成败的关键参数之一。以煤基质为研究对象,根据应力来源的不同,提出了煤基质内外应力的概念。分析认为:煤储层渗透率随煤层气开采而动态变化正是煤基质内外应力综合作用的结果。随着煤层气的采动,有效应力(煤基质外力)增大,裂隙宽度减小,煤储层渗透率降低;而流体压力降低,煤层气解吸,煤基质发生收缩,产生煤基质内力,裂隙宽度增大,煤储层渗透率增高。为了探讨煤基质内外应力与煤基质变形特性的关系,开展了三轴力学实验和吸附膨胀实验,根据实验结果的分析和总结,提出了煤基质自调节效应的新观点,构建了煤基质内外应力耦合作用下的自调节模式。研究成果为煤层气的有效开采提供了理论基础。

注入CO_2提高煤层气井产能技术的作用机理

向煤层中注入CO2可以提高煤层气采收率(CO2-ECBM)。这一技术目前已在国内外得到验证。中文介绍了该技术的作用机理在于CO2与CH4在煤体内的竞争吸附过程中处于优势,能够将吸附态的CH4置换为游离态。从煤级、煤的有机显微组分、煤储层渗透率、煤基质的吸附膨胀和煤层含水性5各方面介绍了这一技术的影响因素。指出了未来需要关注的方向。

煤瓦斯多场耦合显微观测试验装置的研制与应用

为揭示在温度、地应力和瓦斯压力等多场作用下煤与瓦斯(methane)相互作用对煤矿瓦斯抽采、CO2注气强化瓦斯开采及CO2在深部不可采煤层的封存具有的重要意义,更精确地从微观角度观测在多物理场耦合条件下煤瓦斯相互作用的动态过程,研制了一种在多场耦合条件下带显微观测装置的煤瓦斯试验装置。该装置由密封容器与施力夹持机构、气压系统、温度场系统、显微观测系统4部分组成,能够通过显微观测装置结合图像处理技术,直接观测多场条件下煤与不同气体的相互作用所引起的细微变化。利用该装置进行了无应力加载、相同温度、相同气压下的瓦斯、CO2的吸附膨胀试验。研究发现,(1)试件在两种气体的变形大致经历了快速增长、缓慢增长直至平衡3个阶段,类似于吸附等温曲线;(2)试件在CO2气体中达到吸附饱和的时间比试件在瓦斯气体中达到吸附饱和的时间要短;(3)试件在瓦斯气体中的最大线性应变约为0.15%,相同条件下试件在CO2气体中的最大线应变约为0.5%,相同条件下试件在CO2气体中达到吸附饱和时的最大应变比试件在瓦斯气体中达到吸附饱和时的最大应变大3倍左右。研制的装置具有结构简单、直观、精度高的特点。

注CO_2提高煤层气采收率技术研究现状

中国埋深2 000 m以浅的煤层气资源潜力巨大。研究表明,向煤层中注入CO2提高煤层气采收率技术具有巨大潜力,能够实现中国2 000 m以浅煤层气产量增产3.751×1012m3。本文从多元气体的竞争吸附、煤吸附CO2之后的体积膨胀及其对渗透率和力学性质的影响以及世界各地的现场试验3个方面介绍这一技术在世界范围内的发展历程和研究进展。列举了几个国家利用这一技术的现场试验情况,试验结果较为相似。最后指出了在室内研究和现场测试中需要考虑的一些问题,诸如多元气体竞争吸附与煤分子结构的关系研究、吸附膨胀量和气体注入量、注入压力和煤阶之间的关系研究、注CO2引起的吸附膨胀对后期煤矿采煤作业的影响和安全威胁。