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无烟煤储层煤层水的相变传质过程及其煤层气开发的工程启示

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煤炭学报 2023年第8期48卷 3138-3150页

作者：刘世奇王鹤桑树勋胡秋嘉贾慧敏毛崇昊中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学碳中和研究院江苏徐州221008 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221008 中国石油天然气股份有限公司山西煤层气勘探开发分公司山西长治046000

科学认识煤层孔裂隙中流体流动与传质机理是实现煤层气高效产出的治本之策。煤层气开发过程中,煤层水的赋存和运移产出特征不仅决定了煤层气井疏水降压效果,同时显著影响了CH4解吸、运移、产出过程,对煤层气井高效排采管控至关重要。以... 详细信息

科学认识煤层孔裂隙中流体流动与传质机理是实现煤层气高效产出的治本之策。煤层气开发过程中,煤层水的赋存和运移产出特征不仅决定了煤层气井疏水降压效果,同时显著影响了CH4解吸、运移、产出过程,对煤层气井高效排采管控至关重要。以沁水盆地南部樊庄区块为例,基于煤层水赋存形式、产出过程和流动形态的认识,开展了煤层水相变传质机制的研究,并量化了工程背景下无烟煤储层煤层水相变传质的阈值孔径,探讨了其对煤层气开发的工程启示。结果表明:煤层水的赋存状态可动态转变,流体压差是发生动态转变的主要机制。水的单相流动阶段,可动水的运移主要受表面张力作用;工程背景下,大孔(孔径>50 nm)尺度孔裂隙中可动水的运移产出是煤层压力整体释放的前提,并奠定了煤层气井高产稳产的基础。气水两相流条件下,束缚水(毛管水)向可动水的转变受煤岩润湿性以及气水之间的界面性质与相互作用的重要影响,并因毛管效应发生而压力条件要求增加。其中,泡状流和气团流为主的阶段,CH4的解吸产出促进了部分介孔(2~50 nm)尺度孔裂隙中束缚水(毛管水)向可动水的转变,并决定了煤层压力的整体释放效果;指示了见套压后,煤层压力的整体释放是气水两相共同作用的结果,排水阶段向降压采气阶段缓慢过渡对煤层气井高产是必需,持续憋压可能造成介孔尺度孔裂隙中过早形成段塞流,不利于煤层气井高产稳产。随煤层压力降低,等效孔径>40 nm的孔裂隙中的液态水可汽化脱离形成气态水自由水,与吸附态CH4形成竞争吸附/解吸,而等效孔径煤层水则以液态形式保存或进行润湿迁移,对气水两相流阶段束缚水(毛管水)向可动水的转变影响较小。

关键词：煤层气井相变传质毛管效应气水两相流无烟煤樊庄区块

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无烟煤中甲烷和二氧化碳混合气吸附运移规律

煤炭学报 2021年第2期46卷 544-555页

作者：张松航张守仁唐书恒信迪刘冰中国地质大学(北京)能源学院北京100083 非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室北京100083 中联煤层气有限责任公司北京100015

煤中CH_(4)和CO_(2)的运移和竞争吸附,是煤中CO_(2)封存和提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)项目注入优化设计、注入驱替效果评价的重要依据。针对沁水盆地南部3个高阶煤样品开展了煤岩煤质、孔隙结构测试(低温液氮和二氧化碳吸附实验)和... 详细信息

煤中CH_(4)和CO_(2)的运移和竞争吸附,是煤中CO_(2)封存和提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)项目注入优化设计、注入驱替效果评价的重要依据。针对沁水盆地南部3个高阶煤样品开展了煤岩煤质、孔隙结构测试(低温液氮和二氧化碳吸附实验)和纯甲烷、二氧化碳及其混合气(体积分数75%CH_(4)+25%CO_(2),50%CH_(4)+50%CO_(2),25%CH_(4)+75%CO_(2))吸附试验。基于混合气吸附相密度计算,分析了煤中混合气吸附的绝对吸附量和气体分离因子随压力的变化规律;同时采用双孔隙扩散模型计算了吸附实验中每个压力段气体的等效扩散系数和大孔扩散占比;最后研究了煤岩煤质和孔隙结构对煤中CH_(4),CO_(2)吸附运移和竞争吸附作用的影响。结果表明:①煤中超微孔比表面积较低温氮比表面积高1~2个数量级,是煤岩吸附的主要场所;②高阶煤气体吸附分离因子(S(CO_(2)-CH_(4)))随平衡压力和气体体积分数于3~20变化,一般随压力的升高而下降,与煤中微、小孔发育正相关;③双孔扩散模型可以较好的描述混合气体的扩散过程,总体上受基质膨胀效应影响煤样的大孔等效扩散率随压力升高呈幂函数降低,且在相同压力下,大孔等效扩散率随CO_(2)体积分数增加而增高。煤样的小孔等效扩散率与气体体积分数和压力关系不明显,大孔扩散占比随压力升高呈“V”型变化。项目成果有助于深入理解CH_(4)和CO_(2)的吸附解吸过程。

关键词：无烟煤 CO_(2)-ECBM 竞争吸附混合气扩散沁水盆地

无烟煤断裂韧度与断裂过程区各向异性试验研究

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煤炭学报 2024年

作者：龚爽赵毅鑫张寒松周永恒赵灿鑫王文煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南理工大学能源科学与工程学院中国矿业大学(北京)能源与矿业学院

为了测定原生层理构造引起各向异性对无烟煤断裂韧度和断裂过程区(FPZ)孕育特性的影响，在MTS液压伺服试验系统上对不同层理倾角直切槽半圆弯曲(NSCB)无烟煤试样进行了I型三点弯曲加载试验。结合数字图像相关法(DICM)和声发射(AE)定位... 详细信息

为了测定原生层理构造引起各向异性对无烟煤断裂韧度和断裂过程区(FPZ)孕育特性的影响，在MTS液压伺服试验系统上对不同层理倾角直切槽半圆弯曲(NSCB)无烟煤试样进行了I型三点弯曲加载试验。结合数字图像相关法(DICM)和声发射(AE)定位技术研究了裂纹尖端FPZ孕育过程。同时，基于Irwin-Bazant模型、Strip-yield均匀牵引模型和Strip-yield线性牵引模型，对无烟煤样完全发育FPZ长度进行预测，并与试验结果进行了对比分析。探讨了各向异性无烟煤FPZ几何形态以及不同层理角度无烟煤FPZ孕育过程中剪切和拉伸变形时序特征。结果表明：无烟煤的峰值载荷、峰值位移和断裂韧度均随层理倾角的增加而增大；与0°层理角度煤样相比，层理角度为22.5°、45°、67.5°和90°的煤样平均断裂韧度分别增大了6.76%、86.82%、85.47%和134.46%。Irwin-Bazant模型和Strip-yield均匀牵引模型预测的不同层理角度试样FPZ长度比试验值更短，而Strip-yield线性牵引模型预测值普遍高于试验值，Strip-yield均匀牵引模型对无烟煤FPZ长度预测与试验值最为接近。表明无烟煤试样裂纹尖端内聚力分布形态更加趋于均匀。无烟煤试样FPZ长度与断裂韧度和抗拉强度比值的平方成正比：L∝(KIC/σt)2。裂纹尖端变形以拉伸为主，剪切为辅，拉伸变形范围分布于27.71%～57.26%Pmax，剪切变形范围分布于72.88%～92.4%Pmax，裂纹尖端的拉伸变形发生时刻优先于剪切变形。层理角度为0°和45°试样各环向测量线上的应变场分布呈类似洋葱切面纹理分布，而90°试样的最大主应变监测值在大部分测量角度呈波动无序分布。无烟煤试样FPZ尖端各方向发散测线上，应变增加梯度并不相同。研究成果有助于进一步理解掌握含层理弱面无烟煤裂纹起裂与扩展机制，为煤层压裂增透缝网改造调控方法提供理论指导。

关键词：无烟煤断裂韧度断裂过程区裂纹扩展各向异性

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低围压条件下无烟煤三轴蠕变特性试验研究

Journal of Central South University 2023年第5期30卷 1618-1630页

作者：闫建兵张小强宋选民王开姜玉龙岳少飞 Key Laboratory of In-situ Property Improving Mining of Ministry of Education(Taiyuan University of Technology) Taiyuan 030024China College of Mining Engineering Taiyuan University of TechnologyTaiyuan 030024China

旧采遗留煤柱的蠕变特性直接影响井下工程的长期稳定性,小煤柱边界及内部弹性核区的应力环境一般为低围压三向应力状态。为了研究山西沁水煤田3#无烟煤柱的蠕变特性及长期稳定性,进行了4种低围压(0.5、1.0、1.5和2.0 MPa)状态的常规三... 详细信息

旧采遗留煤柱的蠕变特性直接影响井下工程的长期稳定性,小煤柱边界及内部弹性核区的应力环境一般为低围压三向应力状态。为了研究山西沁水煤田3#无烟煤柱的蠕变特性及长期稳定性,进行了4种低围压(0.5、1.0、1.5和2.0 MPa)状态的常规三轴压缩和三轴蠕变试验,探索了不同围压条件下无烟煤的蠕变规律,并基于试验数据建立了能较好地描述各蠕变阶段的非线性黏弹塑性蠕变模型。试验研究结果表明:1)轴向应力大于屈服应力时,无烟煤的蠕变经历三个阶段:即初始蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段;2)无烟煤试样的瞬时弹性应变与轴向应力水平大致呈线性增长关系,且围压越小,其瞬时弹性应变随轴向应力水平的增长速率越快;3)与瞬时强度相比,无烟煤的长期强度降低20%;蠕变特性降低了无烟煤的强度参数,与短期抗剪强度相比,其内摩擦角和内聚力分别降低了8%和14%。

关键词：无烟煤低围压蠕变试验蠕变模型长期强度

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无烟煤厌氧代谢产物对其纳米孔隙的影响

煤炭学报 2020年第11期45卷 3841-3852页

作者：张攀攀郭红光段凯鑫陈超梁卫国太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030024 原位改性采矿教育部重点实验室太原理工大学山西太原030024 太原理工大学矿业工程学院山西太原030024

为研究厌氧代谢产物对煤纳米孔隙发育的影响,选用山西沁水盆地寺河矿无烟煤作为底物,以寺河矿煤层气井产出水中富集并驯化获得的原位真菌与产甲烷菌混合菌群为菌源,开展微生物厌氧降解煤产甲烷实验。通过额外添加2-溴乙烷磺酸钠(BES)抑... 详细信息

为研究厌氧代谢产物对煤纳米孔隙发育的影响,选用山西沁水盆地寺河矿无烟煤作为底物,以寺河矿煤层气井产出水中富集并驯化获得的原位真菌与产甲烷菌混合菌群为菌源,开展微生物厌氧降解煤产甲烷实验。通过额外添加2-溴乙烷磺酸钠(BES)抑制生物甲烷生成,促进煤生物厌氧降解代谢产物的积累;利用低温氮气吸附、有机溶剂萃取、气质联用(GC/MS)等方法,分析微生物降解作用下的煤孔隙结构和有机物组成变化规律。研究发现,微生物厌氧降解后,残煤总孔容与比表面积降低,孔隙分形维数D1(煤孔隙发育降低,孔隙表面粗糙程度和孔隙结构复杂程度增加。添加BES增强了微生物厌氧降解对煤孔隙的作用。同时,微生物厌氧降解后煤中可溶有机组成及含量发生显著变化,降解残煤中芳香族含氧衍生物和杂环有机物含量明显增加。添加BES促进更多新产生的可溶有机质滞留于煤中,尤其是芳香族含氧衍生物中的对甲酚。此外,煤中芳香族含氧衍生物含量与煤的总孔容和比表面积具有显著负相关性,而与煤孔隙分形维数D1和D2具有显著正相关性。以上研究结果表明,厌氧代谢产物在微生物降解对煤孔隙影响中发挥重要作用;微生物代谢产生的可溶有机质,尤其是芳香族含氧衍生物在煤中的滞留积累是微生物厌氧降解影响煤孔隙发育的主要途径。

关键词：生物成因煤层气厌氧降解纳米孔隙可溶有机质无烟煤

超临界CO_(2)作用下无烟煤结构响应特征及高压吸附机理

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天然气工业 2024年第4期44卷 115-125页

作者：王建美梁卫国牛栋陈跃都王聪伟贺伟原位改性采矿教育部重点实验室·太原理工大学太原理工大学矿业工程学院太原师范学院碳中和研究院中国科学院山西煤炭化学研究所

中国深部煤层气资源丰富,将CO_(2)注入深部煤层,在提高煤层气采收率同时,还可实现CO_(2)地质封存(CO_(2)-ECBM)。通常,深部煤层CO_(2)处于超临界态并显著影响煤体吸附能力,但对于超临界CO_(2)作用下煤体结构演化及吸附机理尚不清晰。为... 详细信息

中国深部煤层气资源丰富,将CO_(2)注入深部煤层,在提高煤层气采收率同时,还可实现CO_(2)地质封存(CO_(2)-ECBM)。通常,深部煤层CO_(2)处于超临界态并显著影响煤体吸附能力,但对于超临界CO_(2)作用下煤体结构演化及吸附机理尚不清晰。为此,以山西晋城成庄矿二叠系山西组三号煤层为研究对象,开展了无烟煤对超临界CO_(2)的高压吸附实验,结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射光电子能谱(XPS)测试及比表面积(BET)测试,分析了超临界CO_(2)高压吸附引起的无烟煤化学结构与孔隙结构响应特征,最后揭示了无烟煤对超临界CO_(2)的高压吸附特性及吸附机理。研究结果表明:①超临界CO_(2)高压吸附存在突变点,35℃时突变点位于临界压力(8 MPa)附近,在突变点处的吸附能力最小;②超临界CO_(2)可使芳香环枝接官能团、醚氧键、羟基氢键断裂,脂肪结构甲基脱落,可为CO_(2)提供更多的吸附位点,增强了无烟煤表面吸附能力;③超临界CO_(2)改变无烟煤介孔的孔隙结构特征和分形特征,吸附后平均孔径、孔体积、比表面积、分形维数呈增大趋势,孔隙粗糙度增大,对孔隙结构改造作用表现为“增孔、扩孔、粗糙化”,可提供更多吸附空间,增强了无烟煤吸附能力;④在深部煤层中注入CO_(2),应优先选择高孔隙度、高渗透性储层,注入煤层环境应尽可能远离CO_(2)临界点区域,储层对CO_(2)才有最大吸附能力。结论认为,成果认识为深部煤层CO_(2)可注性及封存潜力评估提供了重要的理论依据,对煤层气高效开发具有重要现实意义。

关键词： CO_(2)-ECBM 超临界CO_(2) 高压吸附特性化学结构孔隙结构无烟煤封存可注性

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无烟煤各向异性吸附膨胀动态响应实验研究

煤矿安全 2022年第4期53卷 1-6,12页

作者：赵楷棣傅雪海平顶山天安煤业股份有限公司六矿河南平顶山467099 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

为研究注入CO_(2)后煤岩吸附膨胀的各向异性特征,以沁水盆地无烟煤为研究对象,开展了煤岩CO_(2)吸附量及各向异性膨胀实验研究,并讨论了煤岩CO_(2)吸附量与应变量之间的关系。结果表明:煤岩注入CO_(2)后体积发生变形,体积应变随时间呈... 详细信息

为研究注入CO_(2)后煤岩吸附膨胀的各向异性特征,以沁水盆地无烟煤为研究对象,开展了煤岩CO_(2)吸附量及各向异性膨胀实验研究,并讨论了煤岩CO_(2)吸附量与应变量之间的关系。结果表明:煤岩注入CO_(2)后体积发生变形,体积应变随时间呈现阶段性变化;CO_(2)绝对吸附量和膨胀应变与CO_(2)注入压力之间均可用Langmuir模型来表征;煤岩吸附膨胀变形呈现明显的各向异性特征,煤岩垂直层理方向应变最大,其次是平行面割理方向,而平行端割理方向应变最小;煤岩绝对吸附量和煤岩膨胀应变符合S型曲线变化关系,可用Slogistic函数拟合;煤岩吸附CO_(2)基质膨胀首先以内部膨胀为主,割理或裂隙遭受压缩之后开始向外部膨胀,最终当煤岩内部应力状态达到平衡后,煤岩膨胀变形趋于稳定。

关键词： CO_(2)-ECBM 吸附量膨胀变形各向异性无烟煤煤层气开发

超临界CO_(2)作用后无烟煤力学损伤演化特性及机理

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煤炭学报 2022年第6期47卷 2340-2351页

作者：肖畅王开张小强姜玉龙闫建兵岳少飞王文伟詹傲太原理工大学矿业工程学院山西太原030024

超临界CO_(2)作用后会导致煤体微观结构发生变化,进而导致煤体结构损伤,从而改变煤体的力学性能。为定量表征在超临界CO_(2)作用后煤体力学性质的损伤演化规律,以无烟煤为对象,开展干/饱两种含水率下煤体的超临界CO_(2)浸泡试验,确定在... 详细信息

超临界CO_(2)作用后会导致煤体微观结构发生变化,进而导致煤体结构损伤,从而改变煤体的力学性能。为定量表征在超临界CO_(2)作用后煤体力学性质的损伤演化规律,以无烟煤为对象,开展干/饱两种含水率下煤体的超临界CO_(2)浸泡试验,确定在超临界CO_(2)作用下无烟煤各力学参数的演化规律,结合声发射试验及电镜扫描试验,明确了无烟煤在超临界CO_(2)作用下的损伤模型及机理。研究结果表明:①超临界CO_(2)对煤体的抗压强度、弹性模量及泊松比具有明显的损伤劣化效应,抗压强度、弹性模量均出现不同程度的降低,泊松比表现出升高趋势。水分也是影响煤体力学特性的重要因素,较干燥组煤样而言,饱水组煤样在超临界CO_(2)作用下的劣化效果更为明显。不同试验条件下煤样的总劣化程度和阶段劣化度均表现出一定的时间效应和非均匀性,随着浸泡时间的增加,煤体损伤程度逐渐减弱,最后趋向于某个定值。②煤体的声发射累计数随着浸泡时间的增加出现不同程度的减少,声发射累计曲线的4个阶段与应力-应变曲线中的4个阶段有良好的一致性。③构建了基于超临界CO_(2)浸泡不同时间下煤体的损伤模型,由模型可知,弹性模量的变化趋势与泊松比的变化趋势成负相关关系,与试样结果相符合。随着浸泡时间的增加,超临界CO_(2)对煤样的损伤不断增加,但增幅逐渐减小。④水+超临界CO_(2)会与煤样发生一系列物理、化学反应,改变煤样内部的微观结构,使得煤样的微裂隙增多,从而导致煤体力学性能的劣化。超临界CO_(2)对煤体的损伤演化效应是从微观到宏观的累积过程。

关键词：力学特性无烟煤超临界CO_(2) CO_(2)地质封存损伤变量声发射

宁夏碱沟山脱灰无烟煤石墨烯量子点制备与谱学特征

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煤炭学报 2022年第12期47卷 4278-4289页

作者：唐跃刚李瑞青樊江涛马鹏亮王绍清罗鹏郭伟勇中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 宁夏回族自治区煤田地质局宁夏银川750011

采用一步化学氧化法,以宁夏碱沟山无烟煤为碳源,探讨了脱灰无烟煤制备石墨烯量子点的可行性。利用X射线衍射分析、拉曼光谱、高分辨透射电镜、X射线光电子能谱和荧光光谱等谱学方法,表征了脱灰无烟煤以及产物石墨烯量子点的化学结构和... 详细信息

采用一步化学氧化法,以宁夏碱沟山无烟煤为碳源,探讨了脱灰无烟煤制备石墨烯量子点的可行性。利用X射线衍射分析、拉曼光谱、高分辨透射电镜、X射线光电子能谱和荧光光谱等谱学方法,表征了脱灰无烟煤以及产物石墨烯量子点的化学结构和化学组成。宁夏碱沟山无烟煤及其脱灰样品的碳质量分数较高,分别为94.19%和94.43%,H/C原子比非常低,分别为0.14和0.15。原煤的显微组分以镜质体为主,为81.4%。X射线衍射分析结果表明,脱灰无烟煤的芳香片层直径(L_(a))、堆砌高度(L_(c))及平均堆积层数(Nave)均较好,L_(a)达6.0 nm以上,L_(c)为2.02 nm,平均Nave超过6,具有较高的芳香度,fa为0.89。拉曼光谱分析显示,脱灰无烟煤多环芳香化合物的C—C震动强烈,I_(D)/I_(G)强度比为0.85,G-D峰位差为157.88 cm^(-1),利于石墨烯量子点的制备。研究发现,碱沟山无烟煤通过一步化学氧化法可以制备出尺寸均一、晶型良好、荧光性质稳定的石墨烯量子点,芳香簇尺寸整体较大(8~9 nm),最大直径为12 nm,尺寸在6~10 nm的芳香簇数量达92%;与前驱体煤样相比,脱矿煤样制备的煤基石墨烯量子点具有更小的缺陷度,ID/IG强度比为0.81,G-D峰位差为264.25 cm^(-1)。高分辨透射电镜下煤基石墨烯量子点芳香环排列比较规则,六边形晶体结构可见,具有较好的结晶度。X射线光电子能谱表征表明脱灰无烟煤和所制备的石墨烯量子点的含氧官能团较为单一,主要为C=O(531.3eV),C-O(532.4 eV)和COO—(533.8 eV)。荧光光谱显示煤基石墨烯量子点最大荧光强度处的荧光颜色为蓝色且强度相对较弱,荧光量子产率也比较低,为3.98%。通过与前人研究结果对比,GQDs-JGS的直径明显大于烟煤、褐煤和焦炭制备的石墨烯量子点,散落面积也比其他煤级煤制备的石墨烯量子点要大,GQDs-JGS的芳香环排列也比较规则,不存在部分烟煤基石墨烯量子点中的缺陷结构。GQDs-JGS石墨烯量子点在激发条件下呈蓝色荧光,由于尺寸较大以及量子点边缘的缺陷效应,GQDs-JGS最大强度处波长、荧发强度和荧光量子产率要低于其他无烟煤所制备的量子点。

关键词：无烟煤煤基石墨烯量子点一步化学氧化法谱学特征荧光