基于液氮吸附实验的高阶煤微观孔隙结构特征研究——以川南筠连地区上二叠统乐平组为例

川南筠连地区作为中国南方首个煤层气商业生产基地,产气层位为上二叠统乐平组,系统开展储层微观孔隙结构特征研究对明确煤层气赋存成藏特征具有重要意义。针对乐平组煤层气评价井煤岩心样品进行了扫描电镜观察和液氮吸附实验,从孔隙成因类型、孔隙结构、孔隙形态及其甲烷吸附性能等方面对微纳米级孔隙发育特征进行了系统分析。结果表明:煤岩微观孔隙可划分为植物组织孔、气孔、矿物铸模孔和晶间孔等4种成因类型。液氮吸附实验BET总孔比表面积平均为2.638 m^(2)/g,BJH总孔体积平均为0.003 7 cm^(3)/g,且两者具有良好的正相关性。BJH平均孔径为5.775~17.842 nm,对总孔比表面积起到主要贡献的为孔径<5 nm的孔隙,对总孔体积具有明显贡献的主要为孔径≥10 nm的孔隙。根据孔径将孔隙划分为:微孔(<5 nm)、小孔(5~10 nm)、中孔(10~100 nm)、大孔(≥100 nm),微孔和小孔是煤中气体吸附的主要空间,进一步推测吸附孔和渗流孔的孔径分界为10 nm。液氮吸附回线可划分为重叠型、半分离半重叠缓降型、半分离半重叠骤降型等3类,并依据回线特征将纳米孔隙形态理想化为开放孔、半封闭孔和墨水瓶状孔等3种模型,各类孔在高阶煤中均有发育。基于具有不同孔隙形态的干燥无灰基煤样甲烷等温吸附实验得到,墨水瓶状孔的甲烷吸附能力最大,半封闭孔和开放孔的吸附能力近似,但都低于墨水瓶状孔。

几个神奇的液氮实验

本文探究了液氮演示的几个神奇物理实验,包括用液氮旋转乒乓球、液氮"炸"气球、液氮"吹"泡泡、液氮喇叭。揭示了这些趣味实验的物理原理,总结了实验中的注意事项。

基于低温液氮吸附实验的成庄井田3号煤孔隙特征研究

煤的孔隙特征控制着煤的吸附、扩散和渗流特性,采用低温液氮吸附实验对成庄井田3号煤孔隙特征进行了研究。结果表明:煤中孔径小于4 nm的孔隙多为一端开口孔,孔径大于4 nm的孔隙多为两端开口的孔、墨水瓶孔和少量一端开口的孔;煤中孔隙主要为过渡孔和微孔,大孔、中孔不甚发育,使得煤孔比表面积相对较大、孔容相对较小,有利于煤层气的吸附、凝聚储集和扩散运移。

海拉尔盆地褐煤液氮吸附孔的孔隙结构及分形特征

采用分形维数计算方法可以对煤的孔隙结构进行精确的定量描述。为了表征海拉尔盆地褐煤吸附孔的孔隙结构,基于液氮吸附实验、扫描电镜等手段,对研究区煤储层的吸附孔孔隙结构进行了分析,并利用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型计算了煤样吸附孔分形维数,讨论了最大镜质体反射率(Ro,max)及分形维数与煤质、孔隙比表面积、总孔体积等之间的关系。研究结果表明:①研究区煤样吸附、脱附曲线可以分为A、B、C共3种类型;②A型孔隙形态为开放型的平板孔及圆筒孔,煤样具有较大的比表面积、总孔体积和较小的平均孔径;③B型孔隙形态为开放型的平板孔及楔形孔,煤样具有较小的比表面积、总孔体积和较大的平均孔径;④C型孔隙形态为一端封闭的平行板状孔及楔形孔,煤样具有较小的比表面积和较大的总孔体积、平均孔径;⑤煤孔隙表面分形维数(D1)与水分含量无关,与灰分产率呈正相关,与固定碳含量呈"U"字形关系,与Ro,max呈倒"U"字形关系;⑥孔隙结构分形维数(D2)与水分含量呈负相关,与灰分产率呈正相关,与固定碳含量呈"U"字形关系,与Ro,max无关。

基于低温液氮吸附法的煤岩孔隙分形特征

为研究沁水盆地中高煤级煤的孔隙结构特征,采用低温液氮吸附实验测定了不同煤样比表面积及孔径分布数据,依据吸附-解吸曲线和分形维数对煤岩孔隙系统进行分类。结果表明:煤层微小孔较发育,具有比表面积适中(0.418~0.902 m^(2)/g)、平均孔径小(14.6~21.0 nm)、孔容小(0.00186~0.00453 cm^(3)/g)和低温氮吸量适中(1.5~3.0 mL/g)等特征,镜质体反射率为1.51%~2.19%,利于煤层气赋存;基于低温液氮等温吸附曲线,识别出半封闭状态狭缝型孔和平行板状孔、开放状态的平行板状孔和墨水瓶型孔,其中开放孔比封闭孔吸附量要大,墨水瓶型孔最利于煤层气解吸开发;结合孔隙分形特征可知过渡孔与微小孔划分标准为60 nm,煤级越高,孔隙表面形态越复杂,但对孔隙直径影响较小。

松软低渗区不同煤体结构煤的孔裂隙发育特征

为考察赵庄矿松软低渗区不同煤体结构煤的孔裂隙微观特征,基于井下煤壁、取芯井观测、液氮吸附、扫描电镜等方法,开展煤体结构特征及孔裂隙发育状态研究。结果表明:受构造作用影响,3#煤层上下部存在“软硬”分层现象;随着构造破坏程度的增高,煤的孔容、比表面积、平均孔径均逐渐增大,原生结构煤、碎裂结构煤、碎粒结构-糜棱结构煤样分别以Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类孔隙存在,扫描电镜下煤体的完整性和连通性逐渐变低,渗透性能整体较差。

煤的孔隙结构分形特征研究

为精确描述煤的微观孔隙结构特征,系统开展低温液氮吸附实验和压汞实验,将低温液氮吸附实验和压汞实验数据在孔径100 nm处进行拼接,结合分形理论,提出描述煤层孔隙结构非均匀特征的综合分形维数。研究结果表明,孔径大于2 nm范围内,煤的总孔比表面积随煤的孔隙综合分形维数的增大而增大,较好地反映煤体孔隙结构的分形特征。

华北过渡相页岩气储层微观孔隙结构特征:以山西省文水地区为例

为表征过渡相页岩气储层纳米级孔隙发育特征,以山西省文水地区山西组与太原组煤系页岩为研究对象,采用高分辨率成像技术对页岩储层孔裂隙系统发育情况进行观察;利用低温氮吸附实验对页岩气储层孔隙结构加以表征。扫描电镜下页岩孔径多小于1μm,有机质孔含量不多,粘土矿物晶间孔、黄铁矿晶间孔等矿物基质孔较为发育,粒间孔少见。低温氮吸附实验表明,山西组页岩BET比表面积与总孔体积平均为5.4762m^2/g与0.0088cm^3/g,太原组页岩分别为6.7462m^2/g和0.0102cm^3/g,孔径小于10nm的微孔是比表面积的主要贡献者,中孔孔隙体积在总孔体积中占明显优势。BJH孔径分布曲线可分为两类,一类于2.5nm,4nm,10nm处有明显峰值;第二类除具有前者三个峰值外,于90nm处有相对较弱的峰值出现,该类样品同时具有相对较低的比表面积与总孔体积。

煤的多尺度孔隙结构特征及其对渗透率的影响

煤中孔隙大小分布不均且分布范围较广,因而利用单一的方法难以对煤的多尺度孔隙结构进行有效地表征。为此,综合运用扫描电镜、低温液氮吸附、高压压汞、恒速压汞等实验方法,对煤的多尺度孔隙结构特征进行综合分析,并揭示变质作用对煤孔体积、孔比表面积的影响,以及煤岩渗透率与孔隙结构特征参数的关系。研究结果表明:(1)随煤变质程度增强,煤中纳米孔体积及孔比表面积均呈现先减小后增大的趋势,并且在R_(o,max)为1.8%左右时达到最小值;(2)煤样孔隙半径、喉道半径整体均呈现正态分布,并且随着煤变质程度的增加,最大分布频率对应的孔隙半径增大;(3)低煤阶烟煤煤样的喉道半径分布范围最宽,最大连通喉道半径及喉道半径平均值均最大;(4)无烟煤煤样的喉道半径分布范围最窄且最大连通喉道半径最小;(5)低、中煤阶烟煤煤样的孔喉比分布存在着单一主峰,并且主峰对应孔喉比相对较小;(6)煤岩渗透率与孔隙度、喉道半径平均值表现出了较好的正相关关系,其与孔喉比平均值呈负相关关系,而与孔隙半径平均值的关系则不明显。

沁水盆地中东部海陆过渡相页岩微观孔隙结构特征

为探究沁水盆地石炭二叠系海陆过渡相页岩微观孔隙结构特征,运用扫描电镜、低温氮吸附实验和高压压汞实验等手段,分析了海陆过渡相页岩储层的孔隙类型、形态、孔径分布等特征。结果表明:研究区海陆过渡相页岩纳米级孔隙广泛发育,孔隙类型以有机质孔为主,同时亦发育大量的矿物粒间孔和部分粒内孔;孔隙形态以平行板状居多,还包括一定量的狭缝型孔,以及少量墨水瓶型孔和一端封闭的孔隙;页岩孔径分布范围跨度较大,介孔(2~50 nm)是研究区页岩纳米级孔隙的主体,提供的比表面积和孔体积均达到60%以上,微孔对比表面积的贡献同样值得重视。有机质孔以微孔为主,其发育程度对页岩气的吸附存储有重要影响,TOC含量是BET比表面积和BJH孔体积的重要控制因素;黏土矿物提供了大量介孔,其含量对比表面积和孔体积同样具有控制作用。

勃利盆地煤岩孔-裂隙特征研究

为评价勃利盆地煤岩孔-裂隙特征,通过低温液氮吸附、压汞试验、煤岩显微组分和镜质组反射率测定、扫描电镜试验以及手标本描述等实验测试,对勃利盆地3个矿区15件样品的煤岩孔隙、微裂隙、内生裂隙和外生裂隙特征进行了系统研究。结果表明:勃利盆地煤岩显微组分以镜质组为主,含量在80.80%~88.00%之间;壳质组和惰质组含量较少;镜质体反射率在0.77%~1.42%之间;煤岩孔隙以微、小孔为主,孔隙类型为较开放的平行板状孔和圆筒形孔;煤岩中微裂隙较为发育,以张裂隙为主;内生裂隙中端割理线密度为18条/5 cm,面割理线密度为20条/5cm,高度为1~8 mm;外生裂隙以NW向为主。

山西省介休区块中阶煤煤储层孔隙特征及分形表征研究

以介休区块石炭-二叠系煤储层为研究对象,基于低温液氮吸附实验,分析研究了煤储层的孔隙结构及分形特征,运用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型计算了孔隙分形维数,对比讨论了孔隙结构参数与分形维数的关系,以及煤岩工业分析、煤化程度及煤岩显微组分对分形维数的影响。研究结果表明:本区煤岩低温氮气吸/脱附曲线具有H 1和H 2两种类型,H 1型煤岩孔隙以圆筒形孔为主,有利于煤层气的解吸和扩散;H 2型以狭缝型孔和一端封闭的平行板状孔为主,有利于煤层气的吸附和储集;煤岩孔体积的贡献主要来自中孔,比表面积的贡献主要来自微孔。本区中变质程度煤储层孔隙具有分形特征,煤岩总孔容、总比表面积越大、分形维数越大,孔隙结构非均质性越强,分形维数可以有效反映孔隙结构特征。分形维数与R o、水分、灰分呈正相关,与镜质组、惰质组含量呈负相关,本区中变质程度煤储层分形维数受煤岩热演化程度影响明显。