低煤级煤热解H_2生成动力学及其与第一次煤化作用跃变的关系

用开放体系的热重-质谱联用仪(TG/MS)研究了7种低煤级煤的热解特征、H2的生成动力学特征以及它们与第一次煤化作用跃变的关系.结果显示,煤热解失重率在碳含量(Cdaf)为80%(质量分数)和镜质组最大反射率(Rm0ax)为0.60%附近发生转折;氢气生成的特征温度参数以及动力学参数均在Cdaf为80%(Rm0ax为0.60%)左右表现为最低;氢气的总产率在此处最大.这些特征参数的极值点刚好与第一次煤化作用跃变点一致,说明这些参数可以反映第一次煤化作用跃变的发生.结合傅立叶变换红外(FTIR)光谱法获得的煤结构特征,对影响机制进行了分析解释,认为是由以下3个方面的原因导致的:(1)煤中脂肪类含氧官能团的演化特征;(2)可溶有机质的低温热缩聚作用;(3)有机质的"两极分化"作用.

中煤阶煤结构演化的Raman光谱表征

发生在中煤阶阶段的第二次煤化作用跃变导致煤的许多物理化学性质出现了转折性变化,而聚集态结构变化可能是导致这种转折性变化的根本原因。为详尽研究中煤阶煤结构演化特征及其与第二次煤化作用跃变的关系,选取了6个跨越第二次煤化作用跃变的中煤阶煤样(R_(o,max)=1.10%~1.63%),应用拉曼光谱法(Raman)对其进行结构表征,并利用分峰拟合软件分别对其一级模和二级模光谱曲线进行分峰拟合,在此基础上计算了相关结构参数。结果表明:Raman结构参数随R_(o,max)的演化不是线性的,反映煤结构演化的复杂性,据Raman结构参数的演化特征,可以将R_(o,max)=1.10%~1.63%阶段的煤化作用分为3个阶段,转折点分别位于R_(o,max)=1.30%和R_(o,max)=1.50%附近,正好与前人发现的第2次和第3次煤化作用跃变发生的位置相当,说明Raman结构参数可以反映煤化作用跃变的发生,同时也表明Raman光谱是一种研究煤结构的有效手段。第1阶段为R_(o,max)=1.10%~1.30%,以长链脂肪族结构裂解生成液相物质为主,同时断裂后的较短链的脂肪烃及芳环上的脂肪族取代基会形成脂肪环结构,煤结构的支链化程度增加,阻碍了芳香体系之间的定向排列,芳香体系排列有序度达到最差,表现为WG最小(G峰位置),FG/D最大(F为两峰半高宽比),A_(D)/A_(G)最小(A为峰面积),AS/A1增加,A_((2G)R)/A_(2)大幅减小;第2阶段为R_(o,max)=1.30%~1.50%,上一阶段形成的脂肪环发生芳香化作用,导致芳香C—H结构含量增加,无定形碳含量达到最少,芳香化程度及芳香结构有序度均增加,表现为A_((GR+VL+VR))/A_(D)、A_((GR+VL+VR))/A_(G)和FG/D大幅减小,A_(D)/A_(G)增加,WG及d(G-D)快速增加;第3阶段为R_(o,max)=1.50%~1.63%,一方面,第二阶段形成的芳香环之间发生缩聚反应,导致A_((2G)R)/A_(2)减小,另一方面,芳香环体系间的各种桥键继续断裂,导致一些小尺寸芳香结构的生成,表现为A_((2G)R)/A_(2)减小,WG小幅减小,A_((GR+VL+VR))/A_(D)和A_((GR+VL+VR))/A_(G)增加。这些结果是深入理解煤化作用跃变机制及煤化作用机制的基础。

煤晶体结构受构造变形影响的研究

通过对38个原生结构煤样和47个构造煤样的晶体结构参数对比分析,探讨了煤的晶体结构与煤化作用跃变和煤体变形之间的关系.结果表明,原生结构煤和构造煤晶体结构的演化规律与煤化作用跃变有着紧密的联系;构造煤的晶体结构参数在不同煤化作用阶段与原生结构煤相差很大;尤其是构造煤的La:Lc,在Ro<6.0%时随着煤阶的升高呈现倒"U"字形,且比值均小于1.

煤体性质对煤吸附容量的控制作用探讨

煤体性质是影响煤吸附容量的重要因素之一。通过对中国华北和西北两个重要煤层气富集区煤的煤岩学、煤化学和等温吸附实验分析,从煤级、显微组分、煤体变形三个方面对煤的吸附容量及其控制因素进行了, 分析探讨。结果表明,水分平衡条件下煤的吸附容量与煤阶的关系为倒U字型,吸附容量随煤阶的变化为跃变式, 基本与四次煤化作用跃变阶段相对应,主要受控于煤化作用过程中煤的亲甲烷能力和孔隙度的变化;煤体中惰质组含量较高时,其对煤体的吸附容量的影响较为明显,主要与惰质组中丝质体的高吸附能力有关;在构造应力作用下,煤体表面物化发生的变化使构造煤吸附容量比同一矿区同一煤层原生结构煤高。

甲烷在煤表面的吸附势与煤阶的关系

本文根据在平衡水分、30℃条件下实测和收集的煤的等温吸附资料,采用吸附势理论,计算了各个煤样吸附等体积(5cm3/g)甲烷时的吸附势,发现随煤阶的增加吸附势呈规律性变化。这种变化规律与兰氏体积随煤阶的变化规律一致,且完全与四次煤化作用跃变对应。可见煤层甲烷的吸附与煤的分子结构、晶体结构和孔隙度密切相关。

低煤阶煤储层物性演化特征及其对储层评价的影响

“第一次煤化作用跃变”使煤储层的物性在煤化作用早期阶段发生了显著的变化。鉴于这一物性动态变化特征,为厘定煤化作用跃变前后低煤阶有利煤储层的评价参数和标准,在系统采集中国主要盆地低煤阶煤岩样品的基础上,通过系列实验分析手段,研究了早期煤化作用过程中低煤阶煤储层的物质组成、孔隙-裂隙系统、储层物性等方面的变化规律。在煤化作用早期阶段,孔隙类型的变化主要表现为原生孔的破坏与收缩、后生孔和割理的形成。储集空间由以发育大孔和中孔为主的孔隙型分布,逐渐变化为以发育孔隙、裂隙为主。从褐煤到低煤阶烟煤,随着煤化作用进行,煤储层的孔隙度呈现出先快速降低之后缓慢增高的趋势;渗透率整体呈现增高的趋势;甲烷的吸附能力逐渐增强,吸附气比例逐渐增加。在详细描述“第一次煤化作用跃变”前后低煤阶煤储层的孔隙类型、孔径分布、孔隙度、渗透率及气体赋存方式的基础上,提出了褐煤与低煤阶烟煤储层评价参数权重与隶属度的差异化处理方法,以期为中国低煤阶煤层气的勘探开发提供科学依据。