本文選題：云南東南部　切入點(diǎn)：低煤階煤　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：抽采煤層甲烷既可以降低礦井瓦斯災(zāi)害風(fēng)險,又可以減輕溫室效應(yīng),還可以獲得天然氣資源。因此,抽采煤層甲烷氣受到世界各國的普遍重視。我國煤層氣可采資源量達(dá)11×1012 m3,云南低煤階煤層氣資源十分豐富,開發(fā)潛力很大。但低煤階煤層氣資源研究與勘探工作程度相對較低。近年來,隨著我國煤層氣勘探開發(fā)推進(jìn),云南省的煤層氣資源勘探開發(fā)開始受到關(guān)注。因此,開展云南低煤階煤層氣基礎(chǔ)理論研究,具有明顯的理論與實(shí)際意義。煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存于煤基質(zhì)微孔隙中,煤層氣的產(chǎn)出包括解吸、擴(kuò)散和滲流三個階段。煤層的甲烷吸附擴(kuò)散性能是評價煤層氣資源量及開發(fā)潛力的關(guān)鍵參數(shù)之一,目前低煤階煤的吸附擴(kuò)散性能及控制機(jī)理不清楚。這對這一問題,本文以云南東南部典型低煤階煤為研究對象,運(yùn)用煤巖學(xué)、煤層氣地質(zhì)學(xué)、滲流力學(xué)等理論,通過實(shí)驗測試、理論研究及數(shù)值模擬等方法,,研究了低煤階煤的煤巖煤質(zhì)特征、基質(zhì)孔隙特征、甲烷吸附擴(kuò)散性能及產(chǎn)氣規(guī)律,揭示了研究區(qū)低煤階煤甲烷吸附擴(kuò)散規(guī)律及控制機(jī)理。取得的主要成果和認(rèn)識如下:(1)研究區(qū)典型低煤階煤的宏觀煤巖類型主要為暗淡煤,其比重較輕,質(zhì)地松軟,易污手;其中,石槽河2號煤樣割理較為發(fā)育,割理系統(tǒng)有礦物充填,煤塊的硬度較大,且含有斑狀黃褐色黃鐵礦;山心村礦的煤樣水分含量相對較高,文山普陽煤樣質(zhì)地相對較硬,斷口可見黃鐵礦顆粒。煤樣水分含量比較高,約20.24%~57.26%;灰分產(chǎn)率相對較低,約2.39%~20.46%;干燥無灰基的揮發(fā)分產(chǎn)率約50%左右,干燥無灰基的固定碳的含量在23.37%~47.98%;腐植組反射率平均在0.3左右,為低煤階煤褐煤。煤樣中含有少量蒙脫石、高嶺石、石英、方解石、黃鐵礦、石膏以及大量的非晶質(zhì)。蒙脫石等膨脹性粘土礦物的存在,表明在煤層氣井施工中,存在儲層傷害的可能性,建議在今后的鉆井施工中使用抗膨脹劑。(2)應(yīng)用低溫氮吸附法、壓汞法測試了煤樣的基質(zhì)孔隙分布特征,通過原子力顯微鏡下的觀測,考察了低煤階煤基質(zhì)納米孔隙的形貌特征,并與河南新安礦中煤階煙煤、山西省晉城礦區(qū)寺河礦高煤階無煙煤進(jìn)行了孔隙形貌特征的對比分析。結(jié)果表明,低煤階煤樣基質(zhì)孔隙以平板型開放性中孔為主,含有部分半封閉孔;低煤階煤的中孔發(fā)育程度明顯高于中、高煤階煤。煤的平均比表面積為1.32468m2/g;其中中孔比表面積所占的比例最高,達(dá)到60%以上,而微孔雖少,但對比表面積也有著較高的貢獻(xiàn);孔隙直徑均值為27.2523nm,屬于中孔范圍;中孔對其孔容的貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上,其次是大孔和微孔。壓汞實(shí)驗結(jié)果顯示低煤階煤樣中可見孔、大孔和中孔發(fā)育,但連通性不好;低煤階煤中存在一定量的“墨水瓶”型、半封閉的吸附孔;孔隙率較高,平均值為20.7913%,壓汞法得到的比表面積均值為10.005m2/g。原子力顯微鏡觀測顯示,研究區(qū)褐煤樣和河南新安礦煙煤樣的基質(zhì)中孔發(fā)育,而晉城寺河礦的無煙煤樣基質(zhì)孔隙為大孔;在相同分辨率下,研究區(qū)褐煤大、中孔的孔隙數(shù)量明顯多于無煙煤的孔隙數(shù)量,我們認(rèn)為無煙煤中發(fā)育更多數(shù)目超過原子力顯微鏡觀測范圍的微孔和超微孔。(3)采用高壓容量法進(jìn)行了云南東南部典型低煤階煤樣的等溫吸附實(shí)驗,考察了溫度、水分條件變化對吸附能力的影響。結(jié)果表明,低煤階樣品的甲烷吸附能力相對較低,遠(yuǎn)低于中高煤階煤吸附能力。在25℃~27℃、平衡水條件下,云南東南部褐煤樣品的蘭氏體積為2.15 m3/t~4.61 m3/t,蘭氏壓力為3.17 MPa~7.67MPa。而太原西山礦區(qū)中煤階煤樣在27℃、平衡水條件下的蘭氏體積為25.37 m3/t,蘭氏壓力為1.91 MPa。在溫度條件近似的情況下,干燥煤樣吸附能力高于平衡水樣。平衡水樣的吸附能力隨溫度升高而略有上升,原因可能有兩方面:一是溫度上升,水分揮發(fā)速率增快,自由空間水分含量增多,煤基質(zhì)實(shí)際含水量減少,水分子占據(jù)的吸附位減少,導(dǎo)致甲烷的吸附能力略有上升;二是可能存在實(shí)驗誤差,因為實(shí)驗溫度實(shí)際上并不是定值,而是隨時間有一定幅度波動。溫度波動對低煤階煤樣吸附實(shí)驗結(jié)果的影響大于對中煤階煤樣的影響,即,吸附能力越低,受溫度波動的影響越顯著,其實(shí)驗結(jié)果的誤差越大。研究區(qū)褐煤的蘭氏壓力高于山西中煤階煤的蘭氏壓力,表明在排水降壓過程中,低煤階煤吸附的氣體更容易解吸。隨著溫度的升高,低煤階煤樣的蘭氏壓力也升高,表明溫度升高,甲烷氣體更易脫附、解吸,吸附能力有所上升。溫度變化對吸附能力的影響相對較小,而對蘭氏壓力的影響相對較大。(4)建立了低階煤氣體擴(kuò)散系數(shù)計算模型,提出了描述低階煤初期吸附擴(kuò)散行為的單孔隙模型�；诓煌瑴囟�、水分條件下的甲烷等溫吸附實(shí)驗實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù),應(yīng)用一元孔隙模型進(jìn)行了低煤階煤基質(zhì)甲烷擴(kuò)散系數(shù)的模擬計算,并比較了不同煤階煤基質(zhì)甲烷擴(kuò)散性能的差異;進(jìn)行了吸附擴(kuò)散實(shí)測數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)的比較,揭示了溫度、水分、吸附能力對甲烷擴(kuò)散行為的影響。。結(jié)果表明,甲烷在低煤階中的擴(kuò)散性能高于在中煤階煤中的擴(kuò)散性能,云南東南部典型低煤階煤樣擴(kuò)散系數(shù)為4.4E-13~2.63E-12m2/s,0.20mm~0.25mm粒徑的煤粒吸附時間常數(shù)為320.76s~1917.85s,粒徑越大,擴(kuò)散路徑越復(fù)雜,吸附時間常數(shù)越大。低煤階煤的甲烷吸附能力與擴(kuò)散系數(shù)正相關(guān),吸附能力強(qiáng)的擴(kuò)散系數(shù)也相對較高�；谝辉紫督Y(jié)構(gòu)的擴(kuò)散模型可以較好地描述研究區(qū)低煤階煤樣的擴(kuò)散行為。而對于中煤階煤,一元孔隙擴(kuò)散模型可以較好地描述初期的吸附擴(kuò)散行為,但隨著時間的推移,由擴(kuò)散系數(shù)計算的擬合值高于實(shí)際測試值,表明實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)降低了,擴(kuò)散性能隨時間的推移而下降。擴(kuò)散模擬結(jié)果易受吸附過程溫度波動的影響,吸附能力越弱的樣品,受溫度波動的影響越明顯。溫度越高,擴(kuò)散系數(shù)越高;水分的存在抑制了甲烷的擴(kuò)散,降低了低煤階煤的擴(kuò)散系數(shù)。基于一元孔隙擴(kuò)散模型,低煤階煤干樣的擴(kuò)散系數(shù)高于平衡水樣,水分對擴(kuò)散系數(shù)的影響強(qiáng)于溫度的影響。(5)通過低煤階煤層氣井產(chǎn)氣特征的數(shù)值模擬計算,分析了含氣飽和度、煤厚、排采控制面積、溫度、滲透率及割理壓縮率等對煤層氣井產(chǎn)氣潛力的影響,揭示了低煤階煤層氣較快的擴(kuò)散效率和解吸特征。數(shù)值分析結(jié)果表明,對于吸附飽和氣藏,產(chǎn)氣速率對于排采面積較敏感,排采面積大的氣井產(chǎn)氣速率、累計產(chǎn)氣量以及產(chǎn)水速率均明顯高于排采面積小的氣井;但氣井的產(chǎn)氣速率峰值差別不大,排采面積大的峰值相對較高,但其后期產(chǎn)氣速率明顯高于排采面積小的氣井。煤層氣井生產(chǎn)規(guī)律對液面降速不敏感,降速高的氣井產(chǎn)氣速率和累計產(chǎn)氣量略高,而產(chǎn)水速率略低。同等地層壓力條件下,吸附飽和的煤層氣藏可以獲得較高的煤層氣產(chǎn)氣速率、累計產(chǎn)氣量及較低的產(chǎn)水速率;而吸附不飽和的煤層氣藏,由于含水較多需要排水,其達(dá)到產(chǎn)氣速率峰值所需的時間較長,且產(chǎn)氣速率峰值較低,不利于獲得較好的排采效果,有必要采用儲層改造措施。對于吸附不飽和煤層,煤厚對于產(chǎn)氣規(guī)律的影響比較顯著。吸附飽和度小于1的氣井產(chǎn)水速率遠(yuǎn)高于吸附飽和度為1的煤層,含氣飽和度低于1的煤層產(chǎn)氣產(chǎn)水規(guī)律受溫度影響更顯著。在低煤階煤層滲透率較好的情況下,解吸時間常數(shù)或擴(kuò)散性能對排采的影響不顯著。煤層滲透率、割理壓縮率對產(chǎn)氣規(guī)律影響較大。對于吸附不飽和的低煤階煤層,采用壓裂措施,可以顯著增強(qiáng)排采效果,有利于取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD712

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1568695