压汞法和液氮吸附法在高阶煤孔隙结构表征中的适用性

沁水盆地南部煤储层是中国典型的高阶煤储层,也是我国煤层气开采的重要基地,其煤孔隙结构表征对煤层气开采、CO_(2)封存及瓦斯突出危险性评价等至关重要。选取沁水盆地样品,采用压汞法和液氮吸附法分别对煤样孔径分布和孔隙形态进行了测试计算。结果表明:相比压汞法,氮气吸附法所测孔体积随孔径的变化率随孔径增加而缓慢上升,孔径所对应的dV/dlgD-D值低,其结果更符合高阶煤微小孔径特征;对比采用压汞法和液氮吸附法所测试的孔隙形态,并结合测量孔径值和典型矿区高阶煤孔隙特点,发现采用液氮吸附法所测得的孔隙形状可以更好地表征高阶煤微小孔径特点。因此,高阶煤孔径5~50 nm孔隙结构表征宜采用液氮吸附法。该研究结果为沁南盆地南部高煤阶孔隙结构精细表征提供了理论依据和实践经验。

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。

基于LNMR的表面活性剂对高阶煤孔隙润湿效果研究

高阶煤微小孔发育但具有弱吸水性的特征。从微小孔隙角度出发研究不同类型表面活性剂对高阶煤润湿性的改善效果,对高阶煤防尘降尘具有重要意义。以山西赵庄矿、贵州糯东矿高阶煤为研究对象,利用低场核磁共振测定系统(LNMR),开展煤样沉降试验、煤样-溶液渗吸孔隙水分布测定试验,分析表面活性剂溶液在不同复配比例条件下对高阶煤样的微小孔隙润湿性改善规律。结果表明:8种表面活性剂单体溶液沉降中,煤样在表面活性剂溶液中的沉降速率随着质量分数的增加逐步增加,在质量分数0.5%时各溶液的煤样沉降速率趋于平衡,其中曲拉通X-100(X-100)、脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC-U)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的沉降效果较其他表面活性剂溶液要快。基于低场核磁共振试验T^(2)谱煤样润湿双定量评价方法,研究发现3种优选的表面活性剂溶液在质量分数均为0.5%的条件下,采取体积比为1∶1、1∶2、2∶1的复配方式时,复配溶液对高阶煤微小孔隙润湿性均起到了协同增效作用,且复配表面活性剂溶液的润湿改善效果均高于表面活性剂单体溶液;非离子表面活性剂JFC-U溶液与阴离子表面活性剂SDBS溶液进行体积比为2∶1复配时对于改善高阶煤润湿的效果较为明显;非离子型与非离子型表面活性剂的复配溶液中,复配表面活性剂溶液对煤样的润湿改善效果与JFC-U的含量呈正相关。研究结果可为煤矿湿式防尘时表面活性剂类型的选取以及煤样润湿性的研究方法提供参考。

高阶煤酸化增透效果影响因素及机制研究

为使低透气性高阶煤达到最佳的酸化增透效果,以九里山矿无烟煤为研究对象,利用单因素法研究了酸化效果的主要影响因素,采用正交试验法优选了酸化增透试验参数;使用搭配能谱仪的扫描电子显微镜研究了酸化对煤表面微观孔隙结构及元素分布的影响;通过工业分析并借助X射线衍射仪研究了酸化对煤中矿物组分及含量的影响。结果表明:酸化效果随HCl质量分数的增加呈先增大后减小的变化规律,随HF质量分数的增加单调增加,在总质量分数相同条件下,混合酸液的酸化效果优于单组分酸的酸化效果;酸液对煤中矿物的有效溶解,使煤样表面出现许多溶蚀孔及裂隙,且溶蚀孔之间及孔隙-裂隙之间相互贯通形成大孔隙和裂缝,改善了煤中孔隙的连通性。

高阶煤润湿过程中水分运移的低场核磁共振试验

为深入了解煤层注水过程中水分在高阶煤煤体中的运移特征,以焦作中马村矿高阶煤为研究对象,利用低场核磁共振(LNMR)设备,测试煤样在负压浸水试验、等温浸润试验过程中不同浸水时间时的核磁谱图,结合煤样负压浸水过程的质量变化,获得制备饱水煤样所需的试验条件;结合煤样等温浸润过程质量变化,从微观层面定量分析煤样润湿过程中水分进入煤体的分布特征、煤样含水率和含水饱和度的变化规律。结果表明:水分在毛细管力作用下,可以浸润到煤体的最小孔径对应的核磁弛豫时间为0.014 ms;水分按照较大孔→小孔→微孔的路径依次进入到煤体中,按照微孔→小孔→较大孔的路径依次达到饱和状态,试验煤样在相同的润湿时间时,虽然含水率不同,但整体含水饱和度几乎一致,且煤样整体含水饱和度与润湿时间的0.5次方之间存在定量关系。

沁水盆地南部高阶煤层气成藏规律与勘探开发技术

基于对沁水盆地南部高阶煤层气基本地质特征及成藏控制因素的分析,研究其成藏规律与勘探开发技术。勘探开发实践证实研究区煤层气藏具有三大特性:1煤阶高,吸附能力强,资源条件优势明显;2孔隙率低,双峰态孔隙结构,渗流条件瓶颈显著;3储集层压力梯度低,制约产出。在深入分析高阶煤特性基础上,提出了构造、沉积、热动力和水文地质条件"协同、互补、共存"成藏理论,建立了研究区煤层气非富集成藏模式,使成藏界定问题简化且直接指导煤层气开发选区。沁水盆地南部煤层气区块勘探开发形成了五大关键技术体系:1地球物理勘探综合评价技术,2适合于高阶煤储集层的钻完井技术,3储集层改造主体技术,4智能化排采控制技术,5煤层气田的数字化技术,为新区块煤层气产能建设的有序推进提供了技术支撑。

高阶煤的吸附性能及其影响因素——以沁水盆地柿庄区块为例

对沁水盆地柿庄区块48件煤样进行煤岩测试、工业分析和平衡水等温吸附实验,分析了柿庄区块煤储层的吸附性能,探讨了高阶煤储层吸附性能的影响因素。实验表明,柿庄区块煤储层吸附能力较大,3号和15号煤平均兰氏体积分别为31.84 m3/t和33.00 m3/t,2层煤的兰氏压力中等偏低。研究表明,煤级是影响煤储层吸附能力的主控因素,兰氏体积随煤级的增大而增大,但当Ro大于3.2%时,兰氏体积逐渐下降。煤的吸附能力与镜质组含量呈正相关,与惰质组含量呈负相关,煤中水分和矿物的存在会降低煤储层的吸附性能。研究区兰氏压力的变化与兰氏体积相似。

不同溶剂抽提下高阶煤的化学组成和结构变化

以山西长治霍尔辛赫矿贫煤为研究对象,对煤样分别进行了不同溶剂的抽提,并借助柱层析法和X射线衍射技术(XRD)对抽提物和抽余物进行了测试分析.结果表明:高阶煤进行溶剂抽提后,THF对煤样的抽提率最高,其次是CS2、丙酮和乙醇,苯的抽提率最低;除CS2抽提物中非烃类含量高于总烃含量外,其余溶剂的抽提物均表现为总烃含量大于非烃类含量,同时,随着抽提效果的增强,抽提物中非烃类化合物的质量分数逐渐增大;经溶剂抽提后抽余物的基本结构单元(BSU)的芳香层间距d002、堆砌度Lc和芳香层数N均表现出大于原煤微晶结构的规律,而延展度La在溶剂抽提后却呈现出小于原煤微晶结构延展度的特性.

高阶煤煤层气直井低产原因分析及增产措施

我国煤层气井普遍产量低、开发效果差,主要原因是增产改造措施与地质条件匹配性差。通过分析沁水盆地南部郑庄区块直井的低产原因,提出针对性增产措施,并分析相关措施的增产机理及地质适应性,优化增产措施施工参数,并开展实践验证。研究和实践结果表明,埋深大的地区,裂缝开启困难,实施重复压裂可使裂缝转向并增加裂缝长度,增产效果较好。为了充分释放应力,实现裂缝偏转,重复压裂前排采时间至少应在1 000 d以上,重复压裂施工应降低支撑剂用量,且细砂应分段加入;碎裂煤–碎粒煤整体发育的煤层,直接压裂时裂缝延伸较短,实施间接顶板压裂可获得高产,压裂层位顶界至煤层顶板间隔距离为0.5~1.5 m,压裂液排量为5.0~5.5 m^3/min,射孔段长度为1.5~2.0 m,单位射孔层段压裂液量为200~300 m^3/m时增产效果最好;天然裂缝发育区,实施投球压裂实现裂缝转向,可大幅提高产量,该工艺适应于施工压力下降且低于15 MPa、日产水量为2~5 m^3的低产井,其增产措施为先实施以细砂为主的小型预压裂封堵原裂缝,然后投球封堵部分原射孔孔眼,双重封堵可大幅提高重复压裂时的施工压力,形成新裂缝。研究成果对高煤阶煤层气井低产原因分析及增产治理具有指导和借鉴作用。

典型高阶煤的催化气化特性研究

以碱金属盐(KNO3)、碱土金属盐(Ca(NO3)2)以及过度金属盐(Fe(NO3)3)为典型的催化剂,研究了我国典型高阶煤——奉节煤的催化气化行为。催化剂与煤样通过浸渍方法混合,而后在1 000℃进行热解制焦,然后对所得焦样采用热重分析仪进行非等温CO2气化,并采用收缩核模型对气化机理进行了探讨。研究发现:奉节无烟煤焦本身很难气化,最大气化速率出现在1 100℃,然而随着催化剂的加入,其气化温度显著降低(100℃左右),最大气化速率明显增大,催化作用随催化剂添加量的增加而加强,KNO3的低温催化作用较强,而Ca(NO3)2和Fe(NO3)3在高温下有较强的催化作用;煤焦的催化气化过程分为过渡区和动力区,且随着催化剂的加入,动力区的起始温度大幅度降低;催化系数不仅与温度有密切的关系,与煤种类型以及催化剂的添加量都有着紧密的联系。

沁水盆地南部高阶煤储层垂直压裂缝导流能力分析

以沁水盆地南部山西组高阶煤储层压裂缝的地质模型为依据,对常规储层压裂缝导流能力的计算模型进行修正,建立起适合高阶煤储层水力压裂填砂裂缝导流能力的计算模型;通过分析沁水盆地南部压裂施工工艺及煤储层力学特征,结合支撑剂在牛顿力学中的沉降理论,进行了填砂裂缝的导流能力计算,分析了影响因素,评估了结果的可靠性。研究表明:压裂缝中砂分布是分区的,且各区域的导流能力不同;缝长和缝宽越小,砂分布越均匀,单层砂重越大,则导流能力越强;导流能力与气井产能呈正相关关系。研究结果对于优化施工参数、获取最佳导流能力、提高煤层气井产能具有重要意义。

煤的预处理对高阶煤微生物溶解的影响

研究了煤的溶胀预处理和氧化预处理对微生物溶煤的影响,以及两种预处理方法处理过的煤样在固态培养基和液态培养基中的溶煤效果。考察了预处理方法、培养基选择、接种量等因素对溶煤作用的影响,得出了溶煤效果较好的适宜条件,并且对微生物溶煤的作用机理做了初步的探讨。

沁水盆地南部高阶煤气水相对渗透特征

文中通过对比分析核磁共振T2谱分布和基于非稳态法气水相对渗透率测试,研究了沁水盆地高阶煤样的孔隙结构及气水两相渗流特征。结果表明:研究煤样以贫煤、无烟煤为主,其核磁共振T2谱分别对应单峰和双峰2种分布形态;贫煤以微孔和超微孔为主,无烟煤以小孔为主,含部分微孔和超微孔;煤中微孔和超微孔之间的连通性较好,而小孔与微孔和超微孔之间的连通性很差,导致无烟煤中束缚水饱和度很高,有效孔隙度较低;煤体的渗流特征受煤中孔径分布和孔隙连通性的双重影响,孔隙度越大,大孔径孔隙越发育且孔隙连通性越好,则煤体两相共渗区越宽,煤体渗流能力越好。研究煤样相渗特征表现为残余水饱和度高、残余水条件下气相相对渗透率低、气水两相共渗区间窄等特点,揭示了研究区煤层气开发面临着解吸与渗流瓶颈问题。

不同溶剂对高阶煤的表面性及孔隙性的改造机理研究

为了探索新型有机压裂液中有机溶剂对高阶煤的作用效果,采用不同类型的有机溶剂对山西长治的高阶煤进行溶剂萃取,借助接触角和低温液氮吸附试验的测定结果,分析了不同溶剂改造下高阶煤表面性和孔隙性的差异性变化及其原因。研究结果表明:有机溶剂作用后,煤-水接触角显著变大,表面张力明显减小,说明处理后煤样的疏水性增强;不同溶剂作用后,煤样的BET比表面积和BJH孔容不同程度地增大,其中,丙酮改造后的煤样增幅最大;有机溶剂对煤样均有扩孔作用,且对微孔的扩孔效果最为明显;相比而言,二硫化碳、丙酮和过氧乙酸作用后的煤样的开放孔、大孔含量显著增多,孔隙连通性明显改善,而四氢呋喃、三乙胺和乙醇溶剂对煤样孔隙性的改善程度相对较弱。

渝南地区中-高阶煤储层测井评价方法研究

对渝南地区煤层气测井建立了非含煤和含煤测井的体积模型和多参数定量识别方法,煤层气储层测井曲线响应特征主要表现为"三高二低"特征(高电阻率、高补偿中子、高声波时差、低自然伽马、低密度),现今最大主应力方向为北东东-南西西向,煤层含气量在9.4～19.7 m`3/t,气体成分中甲烷含量较高(82.41%～99.21%),煤层气质量较好。通过对煤层气储层的物性、含气性、岩石力学性质、各向异性等地质参数进行定量评价,为该区域煤层气的井网规划和规模开发提供了重要的技术支撑。

基于CT三维重建的高阶煤孔裂隙结构综合表征和分析

为有效研究煤的孔裂隙结构特征,实现对煤的孔裂隙结构的定性定量表征和分析。以内蒙古巴彦高勒煤矿311102运输巷的煤样为研究对象,基于ZEISS Xradia510 Versa X射线显微镜扫描得到的CT数据,结合三维可视化软件AVIZO中内置数学算法,提出了煤的孔裂隙结构定量表征的方法,并建立了煤的三维孔裂隙结构模型和具有拓扑结构的孔隙网络简化模型。通过本文提出的方法,对巴彦高勒煤矿煤样的孔裂隙微观参数——孔径大小、孔体积、孔隙率、配位数、喉道长度等进行了统计分析。研究表明:在微米的尺度下,内蒙古巴彦高勒煤矿的煤样以大孔为主,并伴有网状的割理裂隙,有效孔隙率为10.34%,通过孔隙网络模型统计出的孔隙数为12 834,喉道数为432及其他的微观结构参数。

不同层理高阶煤孔隙特征的核磁共振试验

为探究不同层理高阶煤的孔隙分布特征,开展饱水煤样不同离心力条件下的核磁共振(NMR)试验。首先,分别选择3个平行和垂直层理的高阶煤样;然后,用低场NMR系统测试饱水煤样不同离心力下的T_(2)图谱、核磁孔隙度等。结果表明:高阶煤以吸附孔最为发育,其次是渗流孔和裂隙,煤样大孔和裂隙中的水分最先在离心力的作用下被分离,但微小孔中的水分很难被分离;平行和垂直层理煤样随着离心力的增加,T_(2)图谱峰值、峰面积和核磁孔隙度均呈逐步减小的趋势,平行和垂直层理煤样的核磁孔隙度和离心力之间符合指数函数关系;垂直层理煤样T_(2C)(T_(2)截止值)是平行层理煤样的1.44倍,垂直层理煤样的T_(2C)随着离心力增加而增大,平行层理煤样的T_(2C)随离心力增加呈先增大后减小的特征。

中国中阶煤和高阶煤的储层特性及提高单井产量主要对策

中国山西河东地区中阶煤储层的含气量比较低、含气饱和度低,而储层渗透性好,储层能量比较大;山西沁水盆地南部高阶煤储层的含气饱和度比较低,渗透率小,储层能量低。文章针对这些特点,进行了精细的地质对比研究,提出了提高气产量的对策。认为最大限度地降低储层的废弃压力可提高采收率;应通过改善钻井液、采用欠平衡钻井和羽状水平井钻井技术,最大限度地降低钻井工程对煤层气储层造成的伤害;同时还要利用合理的固井程序和水泥浆、套管射孔完井技术和压裂技术;通过排水降压提高有效压差及注入CO2来达到加快煤层气解吸和提高解吸量的目的。实践表明,该技术对提高单井气产量意义重大。

组合溶剂作用下高阶煤的表面性质和孔隙结构变化研究

为了对比分析组合压裂液中不同溶剂作用下高阶煤的表面性质和孔隙结构变化特征,分别以有机溶剂(THF)和无机酸(HCl)、有机溶剂(CS_2)和强氧化剂(ClO_2)为组合,对山西长治的高阶煤进行不同顺序试验,并借助接触角和低温液氮吸附试验。结果表明:有机溶剂+无机溶剂作用下的萃取(溶出)率要高于无机溶剂+有机溶剂作用下的,其中有机溶剂的萃取率远大于无机溶剂的溶出率; HCl作用后的煤样接触角减小,表面张力增大,润湿性增强,而有机溶剂和ClO_2作用后的煤样则相反;不同溶剂作用后煤样的BET比表面积和BJH孔容均显著增大,其中有机溶剂+无机溶剂作用下的增大程度大于无机溶剂+有机溶剂作用下的;各种溶剂对煤样均具有扩孔效果,特别是对小孔径段效果最为显著。相比而言,两种溶剂作用后煤样的扩孔效果要明显优于一种溶剂作用后的,且CS_2+ClO_2组合溶剂最为显著。因此,将CS_2溶剂和ClO_2溶剂分别作为压裂液中的前置液和携砂液,可更好地改造煤储层的透气性。

O_(2)/H_(2)O预氧化对高阶煤中N元素迁移路径的影响

通过贫氧预氧化可以有效改善高阶煤燃烧过程中着火困难、燃尽率低、NOx排放量高等问题。基于O_(2)和H_(2)O对煤基燃料表面结构的协同活化特性,研究高阶煤O_(2)/H_(2)O预氧化过程中N元素的演化机制。应用等温固定床试验台作为反应器,将高阶煤样品承装于微型流化装置。当反应器温度稳定在1173 K时,在O_(2)/H_(2)O气氛下进行高阶煤活化改性试验。通过控制微型流化装置在反应区的停留时间,调节煤粉样品的预氧化程度。反应尾气由高精度红外烟气分析仪进行在线测量,半焦样品冷却后进行元素分析、工业分析和XPS分析,确定预氧化过程中N元素和C元素的迁移路径和析出规律。试验结果表明:在高阶煤贫氧预氧化过程中,H_(2)O的加入将导致半焦中残留N元素的含量明显降低,气态产物中N_(2),HCN和NH_(3)的占比明显升高,燃料氮向NO的转化率明显降低;预氧化过程中O_(2)和H_(2)O可以协同促进稠环芳香结构转化为小芳香环结构,导致结构内部的N元素逐渐迁移至结构边缘,促进燃料中热稳定性较强的吡啶(N-6)和季氮(N-Q)转化为HCN的前驱体吡咯(N-5);在反应过程中,O_(2)体积分数的提高和H_(2)O的加入可以定向促进结构氮的快速释放,降低N元素剥离过程中固定碳的损耗。因此,O_(2)/H_(2)O预氧化可以有效优化高阶煤在预氧化过程中N元素的析出路径,调控半焦中残留N元素的赋存形态,在一定程度上优化高阶煤的燃料品质。