聚/表型复合压裂液性能及其对煤样甲烷吸附解吸特性影响实验研究

为弥补常规压裂液破胶困难、残留多或黏度低、用量大等缺点,将疏水改性羟丙基瓜尔胶与双子表面活性剂进行交联复配,制得1种疏水聚合物/表面活性剂复合压裂液,从黏度、破胶性能以及对煤样甲烷吸附解吸能力影响等方面与常规压裂液进行对比分析。研究结果表明:在同等表面活性剂质量分数下,加入疏水改性羟丙基瓜尔胶的复合压裂液黏度是单组份表面活性剂压裂液的3倍,其破胶时间与表面活性剂压裂液几乎无差别,且仅为HPG压裂液的1/2;复合压裂液对煤样甲烷吸附解吸能力影响明显低于HPG压裂液,其吸附损伤因子虽高于表面活性剂压裂液,但比HPG压裂液低24%。研究结果可为矿用复合压裂液研制提供参考。

温度冲击作用参数对泥岩甲烷吸附解吸特性的影响正交试验研究

为研究温度冲击作用参数对泥岩甲烷吸附解吸特性的影响,采用正交试验的方法,对寺河煤矿15号煤层15303工作面上顶板粉砂质泥岩进行温度冲击改性试验;正交试验中的3因素4水平分别为热冲击温度50、100、150、200℃,冷冲击温度-10、-30、-50、-70℃,冲击循环次数1、3、5、7次;采用容量法测定泥岩的吸附解吸特征参数,并从孔隙结构、表面性质等方面去探究其影响机理。研究结果表明:在不同作用参数改性后泥岩甲烷吸附与解吸能力提高,对泥岩饱和吸附量、Langmuir压力、比表面积与最可几孔径影响效果顺序为热冲击温度>循环次数>冷冲击温度;对解吸率、扩散系数与孔容的影响效果顺序为:循环次数>冷冲击温度>热冲击温度;饱和吸附量分别在热冲击温度200℃、冷冲击温度-50℃、冲击循环次数3次时提高最多,分别为23.29%,15.60%、19.15%;最终解吸率分别在热冲击温度150℃、冷冲击温度-70℃、冲击循环次数5次时提高最多,分别为7.15%、11.54%、11.14%;在孔隙结构方面,泥岩的饱和吸附量与比表面积、最可几孔径有较好的线性关系,解吸率与孔容有较好的线性关系,而改性后泥岩的比表面积与孔容提高、最可几孔径降低导致泥岩的甲烷吸附与解吸能力提高;在表面性质方面,改性后泥岩的表面粗糙度降低,泥岩-水接触角增大,表面能减小。

煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸的影响

为了研究煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸过程的影响,在吸附科学和分子动力学理论基础上建立了非均匀势阱模型。该模型可以表征煤的吸附/解吸性能以及精确计算出煤体内不同势阱所对应的势阱数量。为了验证非均匀势阱模型对煤的吸附/解吸性能方面的表征能力的准确性,将其与Langmuir模型分别对甲烷吸附/解吸过程进行拟合,再将拟合数据和等温吸附线的相关系数分别进行比较。结果表明,非均匀势阱模型在表征煤体的吸附/解吸性能方面更优。在研究煤体内的势阱分布时,发现煤在不同温度压力下对甲烷的吸附/解吸过程中,煤体内的势阱分布出现明显差异。在分析煤的势阱规律时,发现在吸附阶段煤体内的势阱数量比解吸阶段多,但解吸过程中煤的平均势阱深度比吸附过程大。并且平均势阱深度随着煤阶的降低而降低。在吸附阶段势阱数量集中在某个势阱深度的范围内,但在解吸阶段势阱数量的分布相较而言就更分散。在同一温度下,势阱数量随着煤阶的降低而减少。从势阱分布来看,在相同温度下,高煤阶煤的势阱分布方差明显比低煤阶煤的势阱分布方差要大得多。温度上升会使得平均势阱深度随着温度的升高而下降。对于同一煤阶而言,温度的变化对5~15 kJ/mol内的势阱深度影响更大,且这种现象在低阶煤中更为明显。研究发现,势阱深度较大的势阱更能抵抗温度变化对其产生的影响。在煤体加热或加压过程中,甲烷吸附/解吸率的非线性变化是由势阱的不均匀性引起的。

温度冲击作用对无烟煤甲烷吸附-解吸特性影响的试验研究

无烟煤具有甲烷吸附性强解吸率低的特点,为了提高无烟煤中煤层气的抽采效率,选用温度冲击作为改性方法。采用SN-GDCJ-150高低温冲击试验箱对无烟煤样进行了温度冲击改性试验,试验方案为4因素4水平组成的16组正交试验方案。所选取的4因素4水平为高温温度50、100、150、200℃;低温温度-10、-30、-50、-70℃;作用时间10、30、50、70 min;循环次数1、3、5、7次。将正交试验方案中各试验方案的高温温度和低温温度的温差与试验所用的高低温冲击试验箱的温度转化时间(10 s)相除,得出各试验方案所对应的升降温速率,以便进一步分析温度冲击改性试验中升降温速率(温差)、高低温作用时间、循环次数对无烟煤甲烷吸附-解吸特性的影响规律,并从表面特性和孔隙结构方面研究其机理。研究结果表明:温度冲击改性样与无烟煤原样相比,在不同水平的升降温速率、作用时间和循环次数作用下,无烟煤对甲烷的最大吸附量均减小,Langmuir压力均增大,最大解吸量和扩散系数均增大,且影响效果的顺序为:升降温速率>作用时间>循环次数。温度冲击改性样与无烟煤原样相比,在表面特性方面,煤-水接触角减小,表面能增大,极性含氧官能团(—OH)数量增多,甲基(—CH_(3))和亚甲基(—CH_(2))数量减小;在孔隙结构方面,孔隙发育明显,微孔数量减少,平均孔径和孔容增大,比表面积减小。

煤岩层理效应对甲烷吸附-解吸影响的试验研究

为了研究煤岩试件中的层理倾角对甲烷吸附-解吸的影响,通过实验室制取层理试件,并通过特制仪器进行室内试验,研究了煤岩试件在甲烷吸附-解吸过程中,层面倾角对其影响规律,得出以下结论:甲烷在吸附-解吸过程中,随煤岩层面倾角增大,层理接触面在试件中的长度、接触面积随之增大,因此吸附、解吸速度增大,吸附量、解吸量增大;煤岩试件吸附瓦斯量对其体积变化有较大影响,吸附量越大,体积应变越大。