發(fā)布時間：2021-06-13 05:05

　　煤層氣是一種重要的煤伴生資源,具有豐富的資源儲量和重大的開發(fā)利用價值。如何提高煤層滲透性,實現(xiàn)煤層氣高效抽采,一直是煤層氣開采領域的研究熱點與難點之一。液氮致裂是一種有效的煤層增透技術,具有較大的應用開發(fā)前景。煤層滲透率是評價煤層可抽采性的重要參數(shù),而滲透率高低、透氣性的好壞主要取決于煤層內(nèi)部裂隙發(fā)育程度。本文以安徽省許疃煤礦煙煤作為研究對象,開展了煤體單次和循環(huán)液氮致裂實驗,探究了致裂前后煤體孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)以及滲流特性演變規(guī)律。首先,對液氮致裂機理進行了分析,并對液氮致裂技術的可行性和應用現(xiàn)狀進行了總結(jié)。其次,借助X射線衍射儀對實驗煤樣進行了礦物組成鑒定和半定量分析。利用壓汞實驗和CT掃描技術定量表征了液氮致裂前后煤體孔隙和裂隙變化規(guī)律。采用分形幾何和孔隙網(wǎng)絡模型對煤體微觀裂隙分形特征、空間尺寸分布和連通性進行了定量分析。最后,借助受載煤體注氣驅(qū)替瓦斯測試儀開展了滲流實驗,揭示了單次和循環(huán)液氮致裂不同應力條件下煤體滲透率的變化規(guī)律。本文得出的主要結(jié)論如下:（1）在水-冰相變膨脹力和煤基質(zhì)非均勻收縮引起的熱應力共同作用下,造成原有裂隙擴展和延伸,并伴隨著新裂隙的形成和裂隙間相互貫通,從... 

【文章來源】：中國礦業(yè)大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：94 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

煤體孔隙尺寸測試方式適用范圍對比圖

碩士學位論文61.2.3液氮致裂煤體滲流特性研究現(xiàn)狀煤層氣主要以吸附態(tài)賦存與煤基質(zhì)孔隙（主要為微孔和小孔）中，其在煤層中不斷發(fā)生解吸和吸附，并處于一種平衡狀態(tài)。而煤層的采掘活動以及煤層氣的抽采則會打破這種平衡，致使煤層孔隙中瓦斯由吸附態(tài)向游離態(tài)轉(zhuǎn)變并擴散運移到裂隙系統(tǒng)，最終順著裂隙通道滲流到瓦斯抽采鉆孔或者煤層氣井中[32,70]。圖1-2描述了瓦斯在煤層中的運移過程[71]。圖1-2瓦斯氣體在煤層中的運移Figure1-2TransportofcoalseamgasincoalDarcy定律由Darcy于1856年提出，并由周世寧院士引入國內(nèi)用于解釋瓦斯在煤層中的流動規(guī)律[72]。他們認為瓦斯在煤層內(nèi)的流動基本遵循Darcy定律，并把煤層看成一種均勻分布的虛擬連續(xù)介質(zhì)[73]。Darcy定律認為瓦斯在煤層中的運移主要是因為壓力差的存在，而事實上擴散效應也對瓦斯運移有一定影響。部分學者研究指出，瓦斯在煤層中的擴散運動符合Fick定律[74]。Fick定律表明由于濃度差的存在氣體分子會不斷由高濃度向低濃度運移的擴散運動，運移速度與濃度梯度相關。滲透率是孔隙介質(zhì)輸送流體的能力，也是評價煤層氣儲層產(chǎn)能的重要因素。煤層滲透率受到其所受應力、瓦斯壓力、Klinkenberg效應（氣體滑脫效應）、基質(zhì)收縮效應等主要因素影響。李鵬[75]基于瓦斯抽采鉆孔周邊應力演變規(guī)律，進行了圍壓恒定軸壓升高、圍壓升高軸壓降低加載路徑下煤體滲流實驗，揭示了應力路徑變化和孔隙壓力的改變對煤體滲流特性的影響規(guī)律。尹光志等[76,77]研究了應力加載和卸載過程中有效應力變化對煤體滲透率的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，煤體滲透率隨著有效應力的增大而減小，它們之間滿足負指數(shù)函數(shù)。在研究煤體滲透率與瓦斯壓力的關系上，曹樹剛等[78]研究了不同應力下煤體滲透率與瓦斯

碩士學位論文102液氮致裂機理及其應用2MechanismandApplicationofLiquidNitrogenFracturing2.1液氮致裂的機理（MechanismofLiquidNitrogenFracturing）液氮致裂過程中影響煤體裂隙擴展的因素主要包括以下四個方面：地應力、水-冰相變凍脹力、煤基質(zhì)不均勻收縮導致的溫度應力、液氮汽化膨脹力。在常壓下液氮溫度可達-196℃，當液氮注入煤層時，會使一定區(qū)域內(nèi)煤體溫度驟降，導致煤基質(zhì)發(fā)生不均勻收縮從而形成溫度應力。賦存于煤層孔裂隙內(nèi)的水分也會迅速凍結(jié)，水冰相變產(chǎn)生9%的體積膨脹，形成凍脹應力導致煤體破壞。此外，1m3液氮汽化會形成696m3氮氣，在有限空間內(nèi)產(chǎn)生巨大的汽化膨脹力。煤層氣開采過程中，煤層處于原巖應力狀態(tài)，應力的存在將會抑制液氮致裂過程中裂隙的擴展。本文受限于液氮處理設備，在進行液氮致裂過程中并未對煤體施加應力。液氮汽化膨脹力也僅在有限空間內(nèi)會對煤體產(chǎn)生擠壓應力，而本實驗煤樣在液氮處理過程中處于未密封狀態(tài)。因此，本文不考慮地應力以及汽化膨脹力對煤體液氮致裂過程的影響，僅對水-冰相變凍脹力和溫度應力兩方面致裂因素進行分析。圖2-1為液氮致裂因素分析示意圖。在水-冰相變凍脹力和溫度應力共同作用下，煤體發(fā)生了原有裂隙的擴展和延伸，并伴有新孔隙和裂隙產(chǎn)生，以及一些孔隙和裂隙間的相互貫通。圖2-1液氮致裂因素分析示意圖Figure2-1SchematicdiagramoftheanalysisofLN2fracturingfactors

【參考文獻】：
期刊論文
[1]碎軟低透煤層底板梳狀長鉆孔分段水力壓裂增透技術研究[J]. 鄭凱歌.  采礦與安全工程學報. 2020(02)
[2]液氮冷卻作用下高溫花崗巖損傷實驗[J]. 黃中偉,溫海濤,武曉光,李根生,楊睿月,李冉,張誠成.  中國石油大學學報(自然科學版). 2019(02)
[3]軟巖保護層開采卸壓增透效應及瓦斯抽采技術研究[J]. 程詳,趙光明,李英明,孟祥瑞,董春亮,許文松.  采礦與安全工程學報. 2018(05)
[4]微波作用下煤層滲透性變化規(guī)律實驗研究[J]. 張永利,尚文龍,馬玉林,蘇暢,馬凱.  中國安全生產(chǎn)科學技術. 2018(08)
[5]基于CT三維重建煤骨架結(jié)構(gòu)模型的滲流過程動態(tài)模擬研究[J]. 王剛,江成浩,劉世民,褚翔宇,沈俊男.  煤炭學報. 2018(05)
[6]超聲波功率對煤體孔隙影響規(guī)律研究[J]. 于國卿,翟成,秦雷,湯宗情,武世亮,徐吉釗.  中國礦業(yè)大學學報. 2018(02)
[7]溫度沖擊作用下煤的滲透率變化規(guī)律與增透機制[J]. 魏建平,孫劉濤,王登科,李波,彭明,劉淑敏.  煤炭學報. 2017(08)
[8]基于CT三維重建的高階煤孔裂隙結(jié)構(gòu)綜合表征和分析[J]. 王剛,沈俊男,褚翔宇,曹春杰,江成浩,周曉華.  煤炭學報. 2017(08)
[9]焦煤和無煙煤的液氮冷凍致裂效果對比試驗[J]. 張春會,劉泮森,王錫朝,于永江,郭曉康,王來貴.  煤炭科學技術. 2017(06)
[10]基于CT掃描的煤巖鉆孔注液氮致裂試驗研究[J]. 王喬,趙東,馮增朝,周動,張超.  煤炭科學技術. 2017(04)

博士論文
[1]低透氣性松軟煤層高壓水力割縫增透機理研究及應用[D]. 郭君.北京科技大學 2019
[2]基于CT可視化的深部煤體損傷和滲透率演化規(guī)律研究[D]. 鐘江城.中國礦業(yè)大學(北京) 2018
[3]液氮循環(huán)致裂煤體孔隙結(jié)構(gòu)演化特征及增透機制研究[D]. 秦雷.中國礦業(yè)大學 2018
[4]微波輻射下煤體的溫升特性及孔隙結(jié)構(gòu)改性增滲研究[D]. 洪溢都.中國礦業(yè)大學 2017
[5]復合加卸載條件下含瓦斯煤滲流特性及其應用研究[D]. 李鵬.中國礦業(yè)大學(北京) 2015

碩士論文
[1]不同含水率煤體液氮凍融損傷效應實驗研究[D]. 閆道成.中國礦業(yè)大學 2019
[2]煤巖注液氮致裂實驗研究[D]. 王喬.太原理工大學 2018
[3]液態(tài)CO2溶浸煤體孔裂隙損傷特性與置換驅(qū)替CH4機制研究[D]. 魏高明.西安科技大學 2018
[4]許疃礦煙煤瓦斯吸附滲流特性及注氣驅(qū)替瓦斯實驗研究[D]. 葉志偉.中國礦業(yè)大學 2018
[5]液氮溶浸煤致裂增透的實驗研究[D]. 李偉龍.河北科技大學 2015



本文編號：3227055