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煤体原位水力压注多尺度孔裂隙演化及渗透率跃变规律

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中国矿业大学学报 2024年

作者：郑春山韩飞林江丙友薛生李国富刘帅丽安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽理工大学安全科学与工程学院煤与煤层气共采国家重点实验室

煤体水力压注有助于促进瓦斯抽采流动,研发了煤岩多相多场真三轴动态渗流试验系统,验证分析了该系统方形样品高压渗流测试的边界密封性和三向应力加载稳定性,研究了不同应力加载和注水速率影响下原位水力压注煤体孔裂隙扩展、损伤破坏... 详细信息

煤体水力压注有助于促进瓦斯抽采流动,研发了煤岩多相多场真三轴动态渗流试验系统,验证分析了该系统方形样品高压渗流测试的边界密封性和三向应力加载稳定性,研究了不同应力加载和注水速率影响下原位水力压注煤体孔裂隙扩展、损伤破坏及渗透率跃变规律.采用Brunauer-Emmett-Teller（BET）、Barrett-Joyner-H alenda（BJH）、Frenkel-H alseyHill（FHH）等理论模型量化分析比表面积、孔径分布及孔隙分形特征,基于声发射系统监测煤体破裂损伤特性.结果表明:水力压注促进裂隙发育,煤体超声波速降低.水力压裂后,煤样磁滞回线范围增大,孔径主峰区域由0.7～2 nm扩展至0.7～30 nm,总孔容增大,1#煤样微孔和中孔体积百分比分别增加了10.57%和3.06%.3组煤样的比表面积分别增加了276.17%,224.59%和283.18%,分形维数D1值减小,而D2值增大,孔隙表面变得更加光滑.3组煤样破裂的水压值分别为14.49,19.26,22.40 MPa,破裂时间分别为164.7,107.0,205.5 s,表明同等情况下三向不等压加载比三向等压加载煤体的破裂压力小,注水速率越快,煤体破裂所需时间越短.1#煤样的声发射定位点最多（最大幅值83 dB）,2#煤样的最少,声发射定位点的投影基本与煤样XY和XZ端面的裂隙相吻合.水力压注后1#煤样的渗透率增大63.07倍,2#煤样的渗透率增大11.91倍,3#煤样仅增大2.33倍.每组煤样的孔隙、裂隙、损伤及渗透率变化规律均相互吻合,非等压加载和3 mL/min注水速率条件下的1#煤样改造效果最好.

关键词：瓦斯高效抽采水力压注孔裂隙渗透率跃变试验研究

基于低场核磁共振技术和多重分形理论的高阶煤样孔裂隙分维特征

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煤炭工程 2024年第6期56卷 158-162页

作者：祝汉京张军建河南能源永煤公司新桥煤矿山东科技大学地球科学与工程学院

结合沁水盆地中高阶煤样品NMR饱和及离心T2谱分布曲线，将中高阶煤样划分为三种类型。分析了单重分形和多重分形模型对中高阶煤样孔径分布定量表征的适用性，并综合孔隙结构和储层物性参数揭示了孔隙分形特征。表明A类样品T2值在1～1000... 详细信息

结合沁水盆地中高阶煤样品NMR饱和及离心T2谱分布曲线，将中高阶煤样划分为三种类型。分析了单重分形和多重分形模型对中高阶煤样孔径分布定量表征的适用性，并综合孔隙结构和储层物性参数揭示了孔隙分形特征。表明A类样品T2值在1～1000 ms之间，饱和T2谱分布呈“单峰态”,以大孔隙发育为主，物性条件较好。B类样品T2值主要为0.1～300 ms,T2谱呈对称状“三峰态”,束缚水饱和度相对较高，平均孔隙度和渗透率均小于A类。C和D类样品T2值分别为0.01～200和0.01～10 ms之间，饱和T2谱分布均呈“单峰态”,孔渗结构最差。单重分维值与孔隙度、T2 cutoff等物性参数具有良好的线性关系，主要适用于微孔相对发育的B、C和D型样品。同时，多重分形参数与单重分形参数间具有良好的负相关关系。受计算原理的差异性影响，小孔和大孔是影响单重分形参数变化的关键孔径，而介孔孔隙分布是影响多重分形参数变化的关键孔径。

关键词：煤储层孔裂隙分形特征分布非均质性

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循环荷载下粉砂岩孔裂隙扩展及卸载破坏特征

煤炭学报 2022年第S1期47卷 77-89页

作者：刘向御柴肇云刘绪杨泽前辛子朋太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 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

为揭示循环荷载下地下工程围岩体孔裂隙扩展及破坏机制,借助于单轴压缩和CT扫描,开展了粉砂岩的等幅循环、逐级一次循环加卸载试验。研究了循环荷载下粉砂岩应力-应变曲线、孔裂隙扩展及破坏阶段裂缝产状、规模等演化规律。结果表明:2... 详细信息

为揭示循环荷载下地下工程围岩体孔裂隙扩展及破坏机制,借助于单轴压缩和CT扫描,开展了粉砂岩的等幅循环、逐级一次循环加卸载试验。研究了循环荷载下粉砂岩应力-应变曲线、孔裂隙扩展及破坏阶段裂缝产状、规模等演化规律。结果表明:2种循环荷载作用下,粉砂岩孔隙率均呈先减小后增加的总趋势,且致裂循环的孔隙率均发生突变,具有瞬时破裂特征;等幅循环加卸载下,岩石破坏发生在第25次循环加载段,主要依据应变差、累积应变差及其一阶导数将岩样破坏段裂缝扩展细分为裂缝萌生、裂缝扩展和加速破坏等3个阶段;逐级一次循环加卸载下,岩石破坏发生在第4次循环卸载强度低于峰值载荷1.04 MPa时,呈现出小幅振荡破坏特征,主要依据单峰波动应力振幅、频率、应变差、累积应变差及其一阶导数将岩样破坏段裂缝扩展细分为裂缝萌生、裂缝快速扩展、裂缝扩展亚稳态、裂缝再生和加速破坏等5个阶段。按应力-应变曲线形态,小幅振荡破坏可细分为往复式、滞回环式波动,应力振幅、波动频率特征分析可见清晰的应力调整过程。岩样原始孔裂隙分布状态对其致裂部位及破坏形式起主控作用。2种循环荷载作用下,岩样破裂均以剪切破裂为主,并次生了张性破裂。卸载段回弹和扩容效应是出现小幅振荡破坏的主要原因。

关键词：循环加卸载粉砂岩孔裂隙扩展规律小幅振荡破坏阶段

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微波辐射煤体孔裂隙结构与渗流特性

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2022年第6期41卷 481-489页

作者：张永利刘婷马玉林尚文龙辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000

为研究微波技术在新型煤层气开采中的应用,采用扫描电子显微镜观测微波热辐射前后煤体的微观孔裂隙结构变化情况,并利用自行研制的微波辐射含瓦斯煤渗流实验系统开展渗透特性实验.结果表明:微波辐射对煤体存在致裂、拓孔等作用,孔裂隙... 详细信息

为研究微波技术在新型煤层气开采中的应用,采用扫描电子显微镜观测微波热辐射前后煤体的微观孔裂隙结构变化情况,并利用自行研制的微波辐射含瓦斯煤渗流实验系统开展渗透特性实验.结果表明:微波辐射对煤体存在致裂、拓孔等作用,孔裂隙结构改变明显,宽度增值最大达到300%以上,结构损伤发育占主导地位;通过对不同微波煤样宏观渗流实验数据进行拟合处理,发现渗透率与有效应力之间满足负指数函数关系,拟合优度均大于0.97,与经典渗透率变化曲线吻合;分析微宏观相互影响规律,提出微波辐射作用煤岩结构响应系数,对渗流经典方程进行修正.研究结果为微波辐射开采煤层气技术提供了理论依据.

关键词：微波辐射孔裂隙渗透率煤层气

油页岩无水、近/超临界水热解孔裂隙结构演化与渗透、力学响应

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油页岩无水、近/超临界水热解孔裂隙结构演化与渗透、力学响应

作者：韩贺旭太原理工大学

学位级别：硕士

油页岩作为石油的非常规油气替代品,对保障我国石油储备安全具有十分重要的意义。对油页岩进行地下原位开采是目前实现其大规模工业开发的唯一可行技术方案。对于埋深超1000m的油页岩原位开采来说,选择何种高效加热方式是关键的技术环... 详细信息

油页岩作为石油的非常规油气替代品,对保障我国石油储备安全具有十分重要的意义。对油页岩进行地下原位开采是目前实现其大规模工业开发的唯一可行技术方案。对于埋深超1000m的油页岩原位开采来说,选择何种高效加热方式是关键的技术环节。近/超临界水作为一种具有特殊物理和化学性质的流体,在进行油页岩热解时,可以提升油气的产率,提升油气质量,这就为原位近/超临界水热解油页岩提供了可能性。本文采用对比研究的方法,将辽宁抚顺油页岩作样品分为两组,分别进行无水传导加热和近/超临界水对流加热。然后,采用CT扫描技术、压汞仪、电子显微镜、渗透率测试系统和单轴压力机对热解后的试件进行实验,对比研究无水、近/超临界水热解油页岩的孔裂隙结构演化规律及渗透、力学响应特性。主要研究结论如下:(1)近/超临界水热解油页岩失重特征:近临界水300℃时,油页岩热解失重较低,与无水热解并无太大差异,均在2%左右;随着温度的升高,近/超临界水热解油页岩失重明显高于无水热解,在超临界水450℃时失重达到最高12.30%。表明近/超临界水更利于油页岩中有机质的热解,挥发性油气物质产出更多。(2)通过CT扫描对比无水、近/超临界水热解油页岩切片发现:无水300℃时,油页岩依然非常致密,没有可见裂隙,裂隙宽度处于3μm～10μm之间;升温至360℃时,油页岩内部出现了少量裂隙,裂隙宽度基本处于7μm～14μm之间;继续升温到450℃,油页岩内部产生明显的贯穿式裂隙,裂隙间相互交叉,裂隙宽度上升到14μm～30μm之间。不同于无水热解,在近临界水300℃,裂隙宽度已经达到10μm～50μm之间。到达超临界水450℃,出现贯穿式裂隙,裂隙宽度提升到10μm～150μm之间。说明超临界水具备更强的渗透性、传热性、溶解性和携带性,使油页岩在超临界水热解时产生了更多、且更为复杂的裂隙及孔隙结构;(3)压汞实验结果表明:无水热解,300℃时,与常温相比,中孔和小孔比例下降,微孔比例升高了11.68%,平均孔喉半径下降了近2倍;360℃时,中孔和小孔比例相比300℃,分别增长了13.73%和22.25%,导致平均孔喉半径提升了近6倍;450℃时,孔体积分布继续变宽,>50 nm的孔体积增大,造成中孔和大孔体积升高,平均孔喉半径一直增大,孔隙连通性增强。相比无水热解,近临界水300℃,孔和微孔含量增多,其中微孔比例增幅最大;近临界水360℃,孔和微孔体积急剧增多,>150 nm的大孔含量也明显增加;超临界水450℃,孔径分布继续拓宽,孔体积峰值增加至135nm附近,平均孔喉半径增大至42.04nm,孔体积降低,但>50 nm的孔体积升高,说明450℃超临界水促使部分孔径较小的孔隙连通成较大的孔裂隙;(4)通过电子显微镜扫描结果表明:近临界水300℃,油页岩内长石或石英等脆性矿物内部在近临界水压作用下发生粒内穿层破裂;近临界水促进了有机质的焦炭化反应,有机质转变为大小不等的微米级角砾,颗粒间形成角砾孔。同时,增大了部分有机组分的生烃反应,有机孔隙比例增多。近临界水的参与增强了粘土矿物伊利石化的转变速率,同时在弱酸性环境下促使高岭石转变为伊蒙混层;超临界450℃,形成似熔融态的纳米球粒集合体,促进了碳酸盐矿物的溶解和分解,提升了高岭石的伊利石化和伊蒙混层化,增强了黄铁矿的高温分解等地球化学反应,造成有机孔隙、溶蚀孔、粘土层间孔隙、层间微裂隙的数量显著增多;(5)通过渗透率测试结果表明:近/超临界水热解时,在不同地应力及孔隙压力条件下,油页岩的渗透率均呈线性升高过程,近临界水300℃最低,在100×10m附近;超临界SCW-450最高,达到了200×10m～700×10m之间的高渗区域。分析认为:近/超临界水具有特殊的物理、化学性质,可以降低油页岩的热解温度,加快热解速度,并且高温高压水渗入油页岩内最为薄弱的原生层理面,同时携带热量进入,使本来闭合的层理面产生由不均匀热膨胀而形成的大量平行于层理方向的裂隙结构,共同促进了油页岩内部各级别裂隙的快速发展。(6)通过岩石压力机压缩破坏结果表明:近/超临界水热解油页岩的抗压强度显著小于无水热解,说明近/超临界水的参与明显加快了“干酪根”的热解,冲击了油页岩的颗粒组成,使得油页岩在更低温度情况下出现了“离层现象”,破坏油页岩的完整性,大幅度降低其抗压强度,且造成了油页岩变形量的增加,同时使得近/超临界水热解时的弹性模量小于无水热解。

关键词：油页岩原位注热开采近/超临界水孔裂隙孔径渗透性渗流特征力学特性

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川东南龙马溪组页岩孔裂隙及渗透性特征

煤炭学报 2013年第5期38卷 772-777页

作者：汪吉林刘桂建王维忠张善进袁雷雷中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室江苏徐州221116 中国科学技术大学地球和空间科学学院安徽合肥230026 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030

采集了川东南龙马溪组页岩样品,开展了页岩孔-裂隙结构的测试,分析了孔-裂隙结构特征,根据孔-裂隙相对发育优势程度,将页岩孔-裂隙结构分为孔隙优势发育型、裂隙优势发育型和孔-裂隙均等发育型等3种类型。在不同轴压、围压和气体压力梯... 详细信息

采集了川东南龙马溪组页岩样品,开展了页岩孔-裂隙结构的测试,分析了孔-裂隙结构特征,根据孔-裂隙相对发育优势程度,将页岩孔-裂隙结构分为孔隙优势发育型、裂隙优势发育型和孔-裂隙均等发育型等3种类型。在不同轴压、围压和气体压力梯度下,对页岩试样进行了三轴应力条件下的CH4渗流实验,计算并分析了有效应力、气体滑脱效应等因素对页岩绝对渗透率K0的影响。揭示出在较低压力梯度下的K0与应力差近似呈负指数相关关系,K0与压力梯度之间亦呈负指数相关关系,K0在压力梯度0~0.2 MPa阶段衰减最显著。认为有效应力增大导致页岩微裂隙趋于闭合,渗透率降低;在压力梯度增大的过程中,基质收缩逆效应与滑脱效应并存,但滑脱效应对渗透率的贡献小于基质收缩逆效应;在不同应力条件下,页岩渗透率存在差异;页岩渗透率自身也具有非均一性,与微裂隙的发育差异有关。

关键词：页岩孔裂隙渗透率龙马溪组

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基于核磁共振的煤岩孔裂隙应力变形特征

煤炭学报 2015年第6期40卷 1415-1421页

作者：刘彦飞汤达祯许浩李松赵俊龙孟艳军中国地质大学(北京)煤层气国家工程中心煤储层实验室北京100083 中国地质大学(北京)能源学院北京100083

为探讨煤岩孔裂隙应力变形特征,设计不同围压(0,2,4,6,8,10 MPa)下的核磁共振实验,并基于弯曲变形理论对煤岩孔裂隙应力变形问题进行理论分析。实验得到各煤样孔裂隙在不同围压下的核磁共振T2谱图,绘制了各煤样不同围压下不同孔径的孔... 详细信息

为探讨煤岩孔裂隙应力变形特征,设计不同围压(0,2,4,6,8,10 MPa)下的核磁共振实验,并基于弯曲变形理论对煤岩孔裂隙应力变形问题进行理论分析。实验得到各煤样孔裂隙在不同围压下的核磁共振T2谱图,绘制了各煤样不同围压下不同孔径的孔裂隙核磁信号衰减率图,推导出煤岩应力变形时孔裂隙截面积弹性减小率公式。实验显示:煤岩孔裂隙应力变形存在差异性:相同围压下,裂隙变化最显著,大中孔次之,微小孔变化微弱;对孔隙(或裂隙)而言,孔径大者变化程度大;但无烟煤样不同孔径孔裂隙应力变形差异性不明显。理论分析表明:相同应力作用下,孔径越大,孔裂隙应力变形越严重。煤岩孔裂隙在实验中通过加载围压发生的"被动式"变形与实际排水降压生产过程中在有效应力作用下的"部分主动式"变形存在一定差异,需引起注意。

关键词：核磁共振孔裂隙应力变形煤储层

基于CT三维重建的高阶煤孔裂隙结构综合表征和分析

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煤炭学报 2017年第8期42卷 2074-2080页

作者：王刚沈俊男褚翔宇曹春杰江成浩周晓华山东科技大学矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛266590 卡尔蔡司(上海)管理有限公司上海200120

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... 详细信息

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。

关键词：高阶煤 CT 三维重建孔裂隙表征

页岩气复杂孔裂隙真实气体传输机理和数学模型

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中国科学：技术科学 2016年第8期46卷 851-863页

作者：吴克柳李相方陈掌星李靖梁羽丰吴修华中国石油大学石油工程教育部重点实验室北京102249 Chemical and Petroleum Engineering University of Calgary 中国海洋石油研究总院北京100027 山东省东营市胜利油田河口采油厂东营257200

基于滑脱流动和努森扩散,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数,进行权重叠加,建立了页岩气复杂孔裂隙气体传输模型.该模型综合考虑了滑脱效应和真实气体效应,同时还分别考... 详细信息

基于滑脱流动和努森扩散,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数,进行权重叠加,建立了页岩气复杂孔裂隙气体传输模型.该模型综合考虑了滑脱效应和真实气体效应,同时还分别考虑了截面类型(圆形和矩形)和形状对气体传输的影响.用公开发表的分子模拟数据验证模型.结果表明:(1)本文模型能够合理地描述页岩气复杂孔裂隙气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;(2)页岩气孔裂隙截面类型和形状影响气体传输能力,相同截面面积,圆形截面孔裂隙气体传输能力大于矩形截面孔裂隙气体传输能力,矩形截面孔裂隙气体传输能力随纵横比增大而减小;与截面类型相比,截面形状对气体传输能力的影响更大;(3)真实气体效应提高了气体传输能力,且这种影响随压力增大而增大,随孔裂隙尺度减小而增大;(4)与圆形截面相比,真实气体效应对矩形截面气体传导率影响更大,且随矩形截面纵横比增大而增大.本文模型能为页岩气准确数值模拟奠定一些理论基础.

关键词：页岩气孔裂隙截面类型真实气体滑脱流动努森扩散