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Effect of long reaction distance on gas composition from organic-rich shale pyrolysis under high-temperature steam environment

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International Journal of Coal Science & Technology 2024年第3期11卷 102-119页

作者： Lei Wang Rui Zhang Guoying Wang Jing Zhao Dong Yang zhiqin kang Yangsheng Zhao Key Laboratory of In-Situ Property Improving Mining of Ministry of Education Taiyuan University of TechnologyTaiyuan030024China The In-Situ Steam Injection Branch of State Center for Research and Development of Organic-Rich Shale Exploitation Taiyuan University of TechnologyTaiyuan030024China College of Mining Engineering Taiyuan University of TechnologyTaiyuan030024China School of Energy Science and Engineering Henan Polytechnic UniversityJiaozuo454002China

When high-temperature steam is used as a medium to pyrolyze organic-rich shale,water steam not only acts as heat transfer but also participates in the chemical reaction of organic matter pyrolysis,thus affecting the generation law and release characteristics of gas *** this study,based on a long-distance reaction system of organic-rich shale pyrolysis via steam injection,the effects of steam temperature and reaction distance on gas product composition are analyzed in depth and compared with other pyrolysis *** advantages of organic-rich shale pyrolysis via steam injection are then *** volume concentration of hydrogen in the gas product obtained via the steam injection pyrolysis of organic-rich shale is the highest,which is more than 60%.The hydrogen content increases as the reaction distance is extended;however,the rate of increase changes *** the reaction distance from 800 to 4000 mm increases the hydrogen content from 34.91%to 69.68%and from 63.13%to 78.61%when the steam temperature is 500℃ and 555℃,***,the higher the heat injection temperature,the smaller the reaction distance required to form a high concentration hydrogen pyrolysis environment(hydrogen concentration>60%).When the steam pyrolysis temperature is increased from 500℃ to 555℃,the reaction distance required to form a high concentration of hydrogen is reduced from 3800 to 800 *** with the direct retorting process,the volume concentration of hydrogen obtained from high-temperature steam pyrolysis of organic-rich shale is 8.82 and 10.72 times that of the commonly used Fushun and Kivite furnaces,*** pyrolysis of organic-rich shale via steam injection is a pyrolysis process in a hydrogen-rich environment.

关键词： Steam temperature Pyrolysis gas Hydrogen-rich Reaction distance Direct retorting

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高温水蒸汽作用后油页岩渗透特性及各向异性演化的试验研究

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岩石力学与工程学报 2021年第11期40卷 2286-2295页

作者：王磊杨栋康志勤太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024 太原理工大学国家油页岩原位注热开采分中心山西太原030024

油页岩是各向异性明显的沉积岩,以水蒸汽作为载热流体热解油页岩的过程中,岩体内部结构会发生复杂的变化。为了研究水蒸汽温度对油页岩渗透率及各向异性特征的影响规律,设计注水蒸汽热解油页岩的反应装置,对平行层理和垂直层理2个方向... 详细信息

油页岩是各向异性明显的沉积岩,以水蒸汽作为载热流体热解油页岩的过程中,岩体内部结构会发生复杂的变化。为了研究水蒸汽温度对油页岩渗透率及各向异性特征的影响规律,设计注水蒸汽热解油页岩的反应装置,对平行层理和垂直层理2个方向上的油页岩样品进行渗透率测试试验,计算得到渗透率各向异性系数,同时进行不同加热模式下油页岩渗透率的对比。研究结果显示:首先,垂直层理方向油页岩的渗透率较小,其量级最大也仅为10^(-2) mD,当热解温度从314℃增加到382℃的过程中,渗透率增幅明显,达到了2933倍;其次,平行层理方向油页岩渗透率的量级要远大于垂直层理方向油页岩渗透率,当热解温度从382℃增加到555℃,渗透率增幅显著;再次,当热解温度为314℃时,渗透率各向异性系数达到最大值,热解温度从382℃增加到555℃的过程中,渗透率各向异性系数较小,基本上呈缓慢增加趋势;最后,蒸汽加热和直接干馏2种加热模式下油页岩渗透率的区别主要体现在平行层理方向上,当热解温度从314℃增加到382℃,高温水蒸汽作用后油页岩在平行层理方向渗透率的增大程度要显著于直接干馏模式。

关键词：岩石力学水蒸汽渗透率热破裂各向异性渗流场加热模式

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典型构造煤变形特征及储集层物性

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石油勘探与开发 2014年第4期41卷 414-420页

作者：要惠芳康志勤李伟太原理工大学

以鄂尔多斯盆地东缘渭北韩城地区的煤岩样品为研究对象,采用扫描电镜、显微CT观测和压汞、低温液氮吸附等实验方法对构造煤变形和孔隙结构进行表征,对块状构造煤进行吸附实验,研究构造煤储气机理。研究结果表明：碎裂煤、碎粒煤原始层... 详细信息

以鄂尔多斯盆地东缘渭北韩城地区的煤岩样品为研究对象,采用扫描电镜、显微CT观测和压汞、低温液氮吸附等实验方法对构造煤变形和孔隙结构进行表征,对块状构造煤进行吸附实验,研究构造煤储气机理。研究结果表明：碎裂煤、碎粒煤原始层理可辨,由剪切作用形成的煤颗粒较粗（1~3 cm）,脆韧性变形的鳞片煤和韧性变形糜棱煤煤岩原始层理和结构均被破坏,由剪切、层间滑动、揉皱形成的煤颗粒较细,构造变形造成的定向排列明显;随着构造煤变形程度的增大,孔容、孔隙比表面积和微孔比例从碎裂煤、碎粒煤到鳞片煤、糜棱煤逐渐增大,孔隙连通性增强。随构造变形强度增大,从脆性到脆韧性、韧性,煤对甲烷的吸附能力呈逐渐增强趋势,构造煤煤岩结构、孔隙-裂隙系统共同制约了煤对甲烷的吸附能力。

关键词：构造煤变形特征孔隙结构吸附规律

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基于三维CT图像的油页岩热解及内部结构变化特征分析

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岩石力学与工程学报 2014年第1期33卷 112-117页

作者：赵静冯增朝杨栋康志勤太原理工大学采矿工艺研究所山西太原030024

利用显微CT试验分析系统，对油页岩样进行不同温度下的显微CT扫描，并应用三维衰减系数重建技术对不同温度下油页岩样内部孔、裂隙的演化特征进行分析研究，结果表明：（1）在20℃～600℃温度范围内，油页岩样内部孔隙、裂隙的数量和规... 详细信息

利用显微CT试验分析系统，对油页岩样进行不同温度下的显微CT扫描，并应用三维衰减系数重建技术对不同温度下油页岩样内部孔、裂隙的演化特征进行分析研究，结果表明：（1）在20℃～600℃温度范围内，油页岩样内部孔隙、裂隙的数量和规模发生了质的变化，从致密状态变为孔、裂隙发育的多孔介质。（2）随着温度的升高，油页岩内部空隙团不断得到连通，从100℃时的只局限在一个很小区域的小规模，发展到200℃时的连通了油页岩内部立方体区域2个相对面的渗流通道，到600℃时，油页岩内部热解率达到了39．80％，最大空隙团在空隙团中的比例达到97．45％，空隙团已基本全部得到连通，形成了连通整个区域的渗流通道。研究结论对分析油页岩原位热解过程中油气的渗流通道的发展规律有重要意义。

关键词：岩石力学显微CT 油页岩衰减系数空隙团

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煤体结构与甲烷吸附/解吸规律相关性实验研究及启示

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煤炭学报 2018年第5期43卷 1400-1407页

作者：康志勤李翔李伟赵静太原理工大学采矿工艺研究所山西太原030024 太原理工大学矿业工程学院山西太原030024

甲烷(CH_4)在煤体中的流动包含"渗流—扩散—吸附/解吸"3个环节,相比粉状煤,采用块状煤体进行CH_4吸附/解吸实验能够更有效地表征煤层中气体的流动状态。为此,依托渭北煤田韩城矿区煤样,利用自行设计的块煤吸附/解吸实验装置,研究了低... 详细信息

甲烷(CH_4)在煤体中的流动包含"渗流—扩散—吸附/解吸"3个环节,相比粉状煤,采用块状煤体进行CH_4吸附/解吸实验能够更有效地表征煤层中气体的流动状态。为此,依托渭北煤田韩城矿区煤样,利用自行设计的块煤吸附/解吸实验装置,研究了低压下块状同体积原生结构煤、碎裂煤和糜棱煤的CH_4等温吸附/解吸特性;采用显微CT和扫描电镜分析了3种煤样的孔裂隙结构和显微构造,探讨了煤体结构对CH_4吸附/解吸的影响。结果表明:不同煤体结构煤的CH_4吸附/解吸特性有显著差异。结构致密的原生结构煤,孔隙度较低,导致CH_4吸附/解吸平衡时间长,吸附量低,解吸率低;相比原生结构煤,脆性变形碎裂煤张裂隙发育且相互贯通,孔隙度变大,连通性好,导致CH_4吸附/解吸平衡时间变短,吸附量升高,解吸率增大;韧性变形糜棱煤孔隙数量虽增多,但裂隙被揉皱闭合,形成孤立分布的孔隙结构,渗透性变差,导致CH_4吸附/解吸平衡时间最短,解吸速率最快,说明大多数CH_4仅吸附在块煤内构造变形作用下形成的粒间孔隙中。可知,碎裂煤储层是煤层气开发的有利区域;而致密原生结构煤和糜棱煤储层可尝试通过多尺度压裂、注热等技术手段实施储层改造以增加煤体裂隙通道,达到气井增产增效的目的。

关键词：煤体结构构造煤吸附/解吸显微CT 扫描电镜

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高温三轴应力作用下油页岩的渗透特征各向异性演化规律实验研究

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岩石力学与工程学报 2020年第6期39卷 1129-1141页

作者：王国营杨栋康志勤太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024

油页岩各向异性渗透率影响热解油气和对流加热流体在油页岩岩层中的运移速度和范围。因此,研究高温下油页岩渗透率的各向异性特征对于原位注热开采油页岩具有重要意义。采用实时高温三轴稳态法渗透测试系统研究了不同温度不同层理方向... 详细信息

油页岩各向异性渗透率影响热解油气和对流加热流体在油页岩岩层中的运移速度和范围。因此,研究高温下油页岩渗透率的各向异性特征对于原位注热开采油页岩具有重要意义。采用实时高温三轴稳态法渗透测试系统研究了不同温度不同层理方向的油页岩的渗透率的演化规律。研究表明,垂直层理方向的渗透率在20℃~450℃在10-20 m^2之下,超出了稳态法渗透测试系统测试范围,处于超低渗阶段;当温度超过450℃之后,渗透率处于2.5×10-19~1.17×10-17 m^2范围,450℃称之为垂直层理渗透率演化的阈值温度。平行层理的渗透率在20℃~400℃范围,都处于较低渗透率阶段,为2.3×10^-19~2.9×10^-18 m^2,当温度高于400℃,平行层理方向的渗透率急剧增加,量级在10^-16~10^-15范围,因此400℃被称为平行层理渗透率演化的阈值温度。然后利用高温三轴瞬态法渗透测试系统,测得了20℃~200℃油页岩垂直层理方向的渗透率,结果表明滑脱效应在此温度段对渗透率起主导作用。然后利用X射线计算机断层扫描技术对不同温度下样品微观结构进行了详细的表征。研究发现,裂缝主要发生在平行层理方向,很少发生在垂直于层理方向。结合渗透规律和油页岩热破裂规律,讨论了不同温度下油页岩不同层理方向的渗透率出现各向异性的原因。最后讨论了研究成果在油页岩原位开采中所起到的理论指导意义。

关键词：岩石力学实时高温三轴应力渗透各向异性 CT 油页岩

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油页岩热破裂规律分形理论研究

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岩石力学与工程学报 2010年第1期29卷 90-96页

作者：康志勤赵阳升杨栋太原理工大学采矿工艺研究所山西太原030024

以不同温度下油页岩破裂显微CT图片作为分析对象,将分形的基本理论运用到油页岩的热破裂过程中。研究边长为7.0mm正方体油页岩试件在200℃～600℃范围内热破裂裂隙分布的分形规律,得到不同温度下热裂隙分布的分形维数和分布初值。研究... 详细信息

以不同温度下油页岩破裂显微CT图片作为分析对象,将分形的基本理论运用到油页岩的热破裂过程中。研究边长为7.0mm正方体油页岩试件在200℃～600℃范围内热破裂裂隙分布的分形规律,得到不同温度下热裂隙分布的分形维数和分布初值。研究结果表明:不同温度下油页岩内部裂隙的分布具有很强的自相似性,符合分形规律,分形维数为1.0～1.5。建立分形维数、分布初值与温度的关系,从分形理论上研究油页岩的热破裂过程,宏观量化裂隙的分布状况和复杂程度。研究结论对分析油页岩热解过程中"微渗流通道"的发展演化过程具有重要的意义;同时,为从分形的角度探索其他岩石的热破裂过程提供一种新的方法和思路。

关键词：岩石力学:油页岩分形热破裂理论研究

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利用原位电法加热技术开发油页岩的物理原理及数值分析

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石油学报 2008年第4期29卷 592-595,600页

作者：康志勤赵阳升杨栋太原理工大学采矿工艺研究所山西太原030024

针对目前国内传统地面干馏油页岩技术的缺点，并结合油页岩自身特性，介绍了一种新的油页岩开发技术—原位电法加热开发技术（ICP）。该技术可以解决传统油页岩开发技术在开发过程中高成本、高污染的难题。对油页岩高温热解失重及热破... 详细信息

针对目前国内传统地面干馏油页岩技术的缺点，并结合油页岩自身特性，介绍了一种新的油页岩开发技术—原位电法加热开发技术（ICP）。该技术可以解决传统油页岩开发技术在开发过程中高成本、高污染的难题。对油页岩高温热解失重及热破裂特征进行的分析结果表明：在350-500℃时，油页岩具有集中热解的特性，失重质量约占总质量的15％。高温热解后的油页岩会产生大量的孔隙、裂隙，从根本上提高了油页岩的渗透性，孔隙和裂隙的形成为应用ICP技术开采中油气的产出创造了条件。基于ICP开发技术的原理，建立了考虑化学反应热的能量守恒方程，并采用三维有限元法，对油页岩ICP原位电法加热开发过程进行了数值分析，获得了开发过程中温度场随时间的变化规律及地下油页岩热解范围，并计算了ICP技术在小规模开发过程中油气的产量。

关键词：油页岩原位电法加热开发技术热解渗透性三维有限元法数值分析

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原位开采状态下油页岩渗透特性演化规律研究

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岩石力学与工程学报 2021年第5期40卷 892-901页

作者：赵静刘增琪康志勤杨栋太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 国家油页岩开采研发中心北京100083 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024

为研究油页岩在原位热解状态下的渗透特性演化规律,以抚顺西露天矿油页岩为研究对象,利用高温三轴渗透实验系统进行渗透实验,并借助压汞方法对孔隙微观结构特征进行表征,在此基础上对渗透特性演化机制进行分析讨论。研究结果表明:(1)油... 详细信息

为研究油页岩在原位热解状态下的渗透特性演化规律,以抚顺西露天矿油页岩为研究对象,利用高温三轴渗透实验系统进行渗透实验,并借助压汞方法对孔隙微观结构特征进行表征,在此基础上对渗透特性演化机制进行分析讨论。研究结果表明:(1)油页岩孔隙率和渗透性演化具有很好的相关性,随着温度的升高,油页岩由原始致密状态演变为孔隙发育的多孔介质,孔隙率和渗透率增大;(2)孔隙压流体对孔隙结构变化产生多重物理作用影响,尤其在有机质热解产出油气阶段,经过高温渗透实验后油页岩的孔隙特征参数值较马弗炉加热有显著提升,300℃,400℃,500℃,600℃对应孔隙率分别增大0.6%,8.62%,1.82%和7.83%,600℃时大孔(孔径>1 000 nm)和中孔(100 nm≤孔径<1 000 nm)体积分别增大约1.3和2.4倍。(3) 300℃之前,油页岩渗透性主要受矿物颗粒不均匀热膨胀产生热应力和水分蒸发析出的影响;300℃~400℃时,油页岩内部的反应复杂,产生以不具有渗透性的孔隙为主,导致孔隙率和渗透性的变化出现不协同性;400℃~600℃为油气的主要热解生成阶段,油页岩内部热解孔隙不断生成并得到连通,构成了油气产物的流动通道,孔隙率增加25.77%,孔隙压力为1.0 MPa时,渗透率增大约9.06倍。

关键词：岩石力学油页岩原位开采渗透性孔隙结构压汞法

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特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究

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煤炭学报 2024年第6期49卷 2615-2629页

作者：李浩唐世斌康志勤杨栋马立强太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030000 大连理工大学土木工程学院岩石破裂与失稳研究所辽宁大连116024 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州211116

特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特... 详细信息

特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。

关键词：特厚煤层底板断层突水顶底板联动效应 CFDEM程序微震实验

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