液氮致裂时间对煤样力学性能、渗透性与致裂机理的影响

为研究液氮致裂时间对煤样的力学性能和渗透率的影响,利用自主研发的WYS-800三轴瓦斯渗流试验装置及声发射检测系统,对4组不同液氮致裂时间处理的煤样分别进行三轴力学渗流试验并采集声发射信号,对三轴力学渗流试验中各组煤样的力学性能、渗透率的变化进行了分析,描述了声发射信号的特征;根据沸腾换热理论、一维圆柱导热理论、热应力理论分析了致裂机理,计算了不同致裂时间下产生的热应力,通过数据拟合揭示了平均温度降、平均热应力、初始渗透率与致裂时间的关系。研究结果表明:①液氮致裂时间对煤样的力学性能产生不同影响,抗压强度和弹性模量随致裂时间的增加呈现先减小后增大的趋势,泊松比则呈现先增大后减小的趋势,煤样三轴加载时轴向应力-轴向应变曲线的阶段性演化具有明显差异,与力学参数的改变相关。②不同液氮致裂时间煤样在三轴加载过程中的渗透率均呈U型变化,煤样的初始渗透率、最小渗透率、试验测得最大渗透率随致裂时间的增加而增大,致裂30 min时增幅分别为119.05%、437.5%、146.49%;声发射信号在压密和弹性阶段不活跃,主要产生于屈服阶段和破坏阶段,致裂后煤样的声发射振铃计数峰值产生于破坏点附近,均大于20000次。③煤样与液氮之间的膜态沸腾换热系数为570.4 W/(m2·K),煤样平均温度降与致裂时间相关,对平均热应力和初始渗透率起主导作用,致裂30 min时煤样内部产生的平均温度降可达213.63 K,平均热应力可达5.850 MPa。④液氮处理后煤样的初始渗透率与平均温度降之间呈线性关系,与致裂时间呈负指数分布关系。改变参数取值,可推广至其他类似处理的煤样或实际生产评估。

不同含水率煤体液氮致裂渗透率变化规律及应力敏感性分析

液氮致裂煤体技术是一种新型的煤层增透技术,含水率、煤阶、温度梯度等因素都会影响液氮的增透作用。其中,煤体含水率对液氮致裂的增透效果影响尤为显著。为研究含水率对液氮致裂的影响效果和机制,对含水率分别为0%、2%、4%及6%的4组煤样进行液氮溶浸处理,使用渗透率测试仪进行气相渗透率测试,对不同压力点煤样渗透率及应力敏感性变化规律进行讨论分析。试验结果表明:(1)在相同围压条件下,煤体气相渗透率随有效应力的变化趋势整体上符合负指数函数k=ae^(−bσ)+c,拟合后相关指数均大于0.95;(2)当有效应力超过一定临界值,煤体气相渗透率会受克林伯格效应影响,随有效应力的增大呈现上升趋势;(3)煤体自身含水率的增加会对液氮致裂效果产生明显促进作用,最明显的是,当含水率从2%提升到4%时,煤样液氮致裂前后渗透率增幅从92.88%增大到357.12%;(4)对液氮致裂前后煤样的渗透率进行归一化处理后,发现煤体水分同时具有阻碍渗流的消极作用与提升致裂效果的促进作用,在水分的复合作用下致裂前后煤样归一化渗透率变化规律比较复杂;(5)在相同孔隙压力下,煤体有效应力敏感性随有效应力的增大逐渐减小,液氮致裂后,煤体的有效应力敏感性显著提高。

液氮致裂煤体技术研究现状及展望

我国煤层气储层渗透率普遍较低,如何有效提高煤层透气性是目前煤层气开采的重点和难点。液氮致裂技术作为一种高效绿色的无水致裂技术,能够有效改善煤层透气性,提高煤层气的开采率。同时,还可有效节约水资源并避免水锁水敏伤害等问题。鉴于液氮致裂煤体技术的重要意义,相关学者对其进行了大量理论及试验研究。为明确液氮致裂煤体技术的研究进展及未来研究方向,综合分析了相关学者的研究成果,对水-冰相变冻胀力、液氮汽化膨胀力和温度应力诱发的煤基质收缩作用等主要作用机理进行讨论,特别深入分析了在含水煤体中起主要作用的水-冰相变冻胀力和在干燥煤体中起主要作用的温度应力。系统分析了液氮致裂煤体内部物理性质影响因素(含水率、煤体变质及胶结程度、节理等)和外部环境因素(温度梯度、液氮作用时间及循环次数、地应力等)的影响程度。归纳分析了循环注入低温、高温流体技术、液氮重复压裂技术、液氮气化压裂技术、低温流体压裂技术和液氮辅助压裂技术等液氮致裂增产工艺的现状及相关设备发展情况。对液氮致裂现场试验与应用情况进行了介绍,重点介绍液氮重复压裂技术和液氮伴注辅助水力压裂技术的试验流程及试验结果。最后进一步对从液氮致裂煤体主要作用机理、影响因素及现场试验与应用等3个方面目前的研究不足进行总结,并在此基础上对研究重点进行了展望。明确提出液氮致裂煤体技术今后的研究重点是综合机理及多影响因素的深入研究,最终目标是实现现场应用,提高煤层气抽采效率。

基于低温液氮浸溶处理的淮南矿区松软中阶煤孔隙特征

为了研究低温液氮浸溶处理对淮南矿区中阶煤孔隙结构及其分形特征影响,采用不同液氮浸溶时间处理煤样,通过压汞法和液氮吸附法对煤体的孔隙结构加以测定,结合分形理论从多角度分析不同浸溶时间下煤体孔隙的发育规律及其尺度特征。结果表明:随着液氮浸溶时间的增加,煤体总孔容由198.089×10^(-3) cm^(3)/g上升至371.553×10^(-3) cm^(3)/g,总比表面积则由4.984m^(2)/g下降至4.496 m^(2)/g,效果显著;煤体吸附孔减小,渗流孔增加,吸附孔的孔隙连通性增加形成更大级别的孔隙,逐渐向渗流孔转变;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数与液氮浸溶时间呈现负线性相关,液氮浸溶对于渗流孔分形维数比对吸附孔分形维数的影响程度更为显著;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数随着液氮浸溶时间的增大逐渐降低,表明了煤体内部孔隙随着液氮浸溶时间的增大结构复杂程度降低,孔隙之间的贯通性增强,煤体孔隙度和渗透性的增加;综合分形维数随着煤体平均孔径和总孔体积的增加而减小,随着总比表面积的增加而增加,随着液氮浸溶时间的增加,煤体综合分形维数下降,煤体的吸附能力有所减弱,渗流能力有所增强,有助于提升淮南矿区低渗煤层煤层气抽采效果。

液氮循环致裂技术强化煤层气抽采的研究与应用展望

水力压裂技术在强化煤层致裂、提高煤层气抽采效率方面广泛应用,但存在耗水量大、压裂液易污染环境等问题,难以在富含煤层气的缺水地区应用。基于常规液氮压裂技术,通过改变液氮单次注入方式,提出了液氮循环致裂技术,并对该技术用于强化煤层气抽采进行了展望。该技术采用液氮循环注入方式,使得液氮持续充填不断扩展的裂隙空间,形成复杂的裂隙网络。其致裂煤岩机理为循环累积损伤、低温致裂及气体致裂三者耦合作用机制:①在液氮循环注入过程中,不同类型组配颗粒间出现不同程度的变形响应,不断累积的颗粒间损伤在一定程度上劣化煤体局部区域的抗压强度,导致新生裂隙的衍生及原生孔隙扩容。②液氮对煤岩的冷冲击导致煤岩内部结构发生断裂,产生大量微裂隙,并使其随着液氮循环注入不断扩展和导通,同时液氮的低温作用导致的水冰相变过程能进一步破坏煤岩内部结构。③液氮汽化产生的高压气体使得煤岩体积重复性地扩展-收缩,进一步促使裂隙发育和导通。液氮循环致裂技术以液氮为压裂介质,极大缓解了对水资源的依赖,对环境无污染,可用于煤层气抽采等领域。

液氮循环处理对不同含水率煤样渗流特性的影响

我国煤炭储层渗透率普遍较低,需要煤层增透技术强化煤层气开采。液氮致裂煤体技术因其环保、增透效果强等优点成为近年来煤层增透技术研究的热点。水-冰相变冻胀作用是液氮致裂含水煤体的主要作用机理。故利用真空饱水容器制备含水率分别为0%,2%,4%及6%的4组煤样,分别对煤样进行液氮循环冻融处理,直至煤体整体发生破碎或完成5次循环冻融处理。期间使用摄像机定点拍摄,观察煤样各循环处理表面宏观裂隙的演化;使用受载煤体注气驱替瓦斯测试试验系统进行氮气渗流试验得出不同压力点下煤样渗透率的变化规律;并使用渗透率增长幅度及渗透率平均增长幅度表征煤体渗透率增长水平。试验结果表明:①相同致裂次数下,煤样含水率越高表面裂隙发育越明显。②液氮致裂能提高煤体渗透率水平,且与含水率成正比。围压一定时,渗透率平均增长幅度随含水率呈指数上升。③增加循环次数也会提高煤样渗透率。随着液氮循环次数的增加,煤样的渗透率整体呈上升趋势,渗透率增长幅度与含水率成正比。除含水率2%煤样第3次液氮处理后的渗透率大幅度增加外,煤样的渗透率增长幅度近似以倍数增加,单次致裂平均渗透增长率略有减小。④在液氮致裂煤层过程中,综合考虑提高煤层含水率与适当增加液氮循环致裂次数才能取得良好的增透效果。

液氮浸融对不同预制温度煤体损伤特性试验研究

为研究液氮对不同预制温度煤体浸融后的表面裂隙扩展规律和孔隙损伤特性,分别采用显微镜观测、超声波波速测试以及核磁共振测试技术对不同预制温度煤体液氮浸融前后其表面裂隙扩展规律、内部微裂隙发育规律、内部孔隙发育过程及孔径分布变化规律进行试验研究。试验结果表明,液氮浸融过程中随着预制温度的升高,煤体表面产生热应力随之增大,煤体特征裂隙面积增比也随之增大,且热应力增加与煤表面特征裂隙面积增比呈显著相关关系。煤体预制温度越高液氮浸融后煤体内部超声波波速下降越明显,且煤体孔隙度增比越大,微裂隙、孔隙发育越良好。液氮浸融过程中煤体孔裂隙发育存在两个阶段:第1阶段中,微小孔隙向中大孔隙的转化数量大于微小孔自身新生数量,表现为液氮浸融后煤体微小孔数量减少,中大孔数量增加。随着煤体预制温度升高变为第2阶段,微小孔隙新生数量大于其向中大孔隙的转化量,表现为液氮浸融煤体后全孔隙段孔隙数量均增加。液氮浸融不同预制温度煤体后其特征裂隙增比-声波波速变化率-孔隙度变化率3者之间存在正相关关系。以上结果表明,煤体预制温度因素对液氮浸融后煤体表面裂隙发育及孔隙损伤特性影响显著,且液氮浸融不同预制温度煤体其表面裂隙扩展和内部损伤呈正相关关系。

基于氮气吸附和压汞法液氮冻结煤体孔隙结构精细化表征研究

为精细化表征低温液氮作用下的煤体孔隙结构,运用氮气吸附法与压汞法,针对褐煤、烟煤和无烟煤3种煤阶,进行液氮冻结处理煤样的孔隙测试和分析。通过孔径分布和比表面积分布2个参数描述液氮冻结前后煤体孔隙结构的变化。实验结果表明,经过单次液氮冻结180 min后,在同一压力下,3种煤体氮气吸附量增加,进汞量增加;3种煤体孔隙的孔径增加。研究得出,单次液氮冻结180 min后,3种煤体的孔径和孔容出现增加,比表面积出现减少;单次液氮冻结处理对不同煤体作用效果不同,褐煤孔容增加最为明显,增加了0.0178 cm3/g,烟煤孔容增量仅为褐煤孔容增量的35.4%.无烟煤比表面积减少了0.0008 cm3/nm/g,分别为褐煤和烟煤比表面变化量的2.67倍和1.6倍。高阶煤体微孔发育程度高于中低阶煤体,经过单次液氮冻结180 min处理,煤体孔隙结构改变明显。

液氮对煤裂隙扩展的热固流耦合模拟

为探究液氮低温致裂层理煤体裂纹扩展及劣化失稳机制,基于细观基元理论和损伤力学理论建立热–流–固-损伤耦合模型,建立三场耦合模型环境并以此进行计算。基于Monte-Carlo法构建自然裂隙模型和水力压裂裂隙模型,旨在中西部深部煤层低渗透、低孔隙率特点选取陕西神木矿烟煤为模拟裂隙及煤体材料,研究各裂隙在液氮冲击下的变化情况。Darcy’sLaw(dl)物理场的计算结果表明液氮注入过程中前期反应迅速,在短时间内能够达到较高流速。但在后续变化中长时间的反应不明显并逐渐趋于平衡。HeatTransferinPorousMedia(ht)多孔介质传热物理场计算结果表明液氮的低温特性在两种煤裂隙中的传到效果存在不同。分布呈现出环绕液氮注入槽的温度递增分布带。SolidMechanics(solid)固体力学物理场计算结果表明在相同注入压力的条件下,自然裂隙所受液氮作用应力明显高于水力压裂裂隙并且在自然裂隙与注入槽交界处达到峰值。水力压裂裂隙对液氮致裂抵抗性相对自然裂隙强,不容易发生过大破裂发育。

三轴应力影响下预热冻融煤岩变形特征研究

为了探究预热冻融煤岩在三轴应力下的变形特性,开展液氮冻融前后煤岩三轴卸载试验研究,采用具有图测功能的煤岩三轴伺服试验系统,对煤岩进行预热干燥和预热干燥后液氮冻融预处理,对煤岩损伤演化及力学特点进行研究。研究结果表明:煤岩扩容过程的4个阶段分别为压缩阶段、扩容开始阶段、扩容加速阶段、扩容破坏阶段;在不同初始围压卸载条件下,煤岩破坏按体积变化分为扩容性破坏和压缩性破坏,按破坏形式分为块状剪切型和不规则网状型;三轴应力影响下经过冻融的煤岩力学性质进一步发生改变,内部结构破坏明显,峰值抗压强度与内摩擦角均减小,应变程度增大,致裂效果明显,利于瓦斯抽采,并抑制煤岩扩容。研究结果可为液氮冻融技术在提高瓦斯抽采效率和解决煤岩扩容安全问题的上的应用提供理论基础。

液氮冷冲击时长对煤体致裂效果的影响

注氮参量的设置与煤体致裂效果密切相关,为研究液氮冷冲击循环过程中不同冷冲击时长对致裂效果的影响,开展不同冷冲击时长(5,10,15,20 min)液氮溶浸试验,利用低场核磁共振设备对比分析各组煤样孔径分布、孔隙数量、孔隙度及吸附/渗流孔变化规律,进而表征煤样在不同冷冲击时长下的孔隙发育程度.研究表明:不同冷冲击时长下煤体孔隙特征演化过程具有明显的差异性.不同冷冲击时长下中大孔的变化率表现出前期快速增长、后期缓慢增长的现象;冷冲击时长与孔隙度参数变化率、吸附孔和渗流孔占比变化率均呈现指数相关关系,具有“前期增长快速,后期增长平缓”的特点.不同冷冲击时长下的液氮循环溶浸处理本质上是温度在不同时间尺度上的循环.对冷冲击时长的控制是基于煤体内部温度降的变化,以期实现更好的热应力致裂作用效果,提高瓦斯抽采效率.该研究对现场循环注氮致裂的冷冲击时长选择具有一定的指导意义.

液氮溶浸时间对烟煤渗流特性的影响及传热过程模拟

低透气性一直限制着我国煤层气的高效抽采,近年来,液氮致裂技术因其绿色环保、增透效果显著等优势成为研究热点。低温液氮在冷冲击致裂煤层的同时,热量也在发生迁移,液氮对煤层的致裂效果是随时间逐渐发生衰减的。为了保证液氮致裂全程的高效性、节约工艺时间,有必要对液氮致裂过程进行细化研究,精确评价其时间效益。为此,选择安徽省淮北煤矿中阶烟煤分别进行了1,5,10,30 min的液氮溶浸处理实验,并对传热过程进行数值模拟。结果表明:1)液氮溶浸处理可显著提升煤体的渗透率,处理后的煤样较初始状态渗透率增幅可达208.82%~432.50%。2)液氮溶浸处理后,拟合参数"a"值明显增大,即煤体渗透率对孔隙压力的敏感性增大;随着围压的上升,拟合参数"a"值呈减小趋势,即煤体渗透率对孔隙压力的敏感性逐渐减小。3)实验结果表明随着溶浸时间的增长,液氮的致裂增透效果是在逐渐衰减的;根据数值模拟结果,将液氮溶浸致裂煤体分为3个阶段:0~158 s为高效致裂阶段,158~450 s为正常致裂阶段,450 s后为低效致裂阶段。

低温循环冻融过程不同煤阶煤体传热-变形特征分析

明确不同煤阶煤层高效液氮致裂方式是一个紧迫的问题.为分析不同煤阶煤体液氮循环冻融过程中的传热、变形损伤特征,本试验采用饱水、干燥状态褐煤、烟煤、无烟煤为对象,通过温度-应变监测系统探究煤体传热、变形演化规律,采用核磁共振系统分析煤体致裂前后孔隙度演变.结果表明:经循环冻融后,饱水状态各煤样孔隙度均呈上升趋势,干燥试样则均降低.针对冻融过程煤体温度演化,饱水状态3种煤阶试样温降/升速率绝对值整体为:无烟煤>褐煤>烟煤;干燥试样温降速率为褐煤>无烟煤>烟煤,温升速率则与煤阶呈正相关.饱水、干燥试样冻融过程体积应变演化结构近乎相同,说明2种状态煤样在冻结过程中均形成一定密闭空间,且随煤阶增加,密闭空间完全形成时间缩短.通过分析循环冻融煤体应变演化幅值,发现对于干燥试样,煤阶越高冻融过程应变演化结构愈发简约,变形幅值越小;饱水煤样变形幅值则由裂隙水、煤阶共同决定.本研究明确了液氮循环冲击煤体冻融特征,对液氮煤岩致裂研究具有借鉴意义.