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(lǐng)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(shù),具有較大的應(yīng)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(jī)理進(jìn)行了分析,并對液氮致裂技術(shù)的可行性和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。其次,借助X射線衍射儀對實驗煤樣進(jìn)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(shù)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(luò)模型對煤體微觀裂隙分形特征、空間尺寸分布和連通性進(jìn)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(yīng)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(yīng)力共同作用下,造成原有裂隙擴(kuò)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(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：94 頁

【學(xué)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(xué)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(kuò)散運(yùn)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(yùn)移過程[71]。圖1-2瓦斯氣體在煤層中的運(yùn)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(rèn)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(rèn)為瓦斯在煤層中的運(yùn)移主要是因為壓力差的存在，而事實上擴(kuò)散效應(yīng)也對瓦斯運(yùn)移有一定影響。部分學(xué)者研究指出，瓦斯在煤層中的擴(kuò)散運(yùn)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(yùn)移的擴(kuò)散運(yùn)動，運(yùn)移速度與濃度梯度相關(guān)。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(yīng)力、瓦斯壓力、Klinkenberg效應(yīng)（氣體滑脫效應(yīng)）、基質(zhì)收縮效應(yīng)等主要因素影響。李鵬[75]基于瓦斯抽采鉆孔周邊應(yīng)力演變規(guī)律，進(jìn)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(yīng)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(yīng)力加載和卸載過程中有效應(yīng)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(yīng)力的增大而減小，它們之間滿足負(fù)指數(shù)函數(shù)。在研究煤體滲透率與瓦斯壓力的關(guān)系上，曹樹剛等[78]研究了不同應(yīng)力下煤體滲透率與瓦斯

碩士學(xué)位論文102液氮致裂機(jī)理及其應(yīng)用2MechanismandApplicationofLiquidNitrogenFracturing2.1液氮致裂的機(jī)理（MechanismofLiquidNitrogenFracturing）液氮致裂過程中影響煤體裂隙擴(kuò)展的因素主要包括以下四個方面：地應(yīng)力、水-冰相變凍脹力、煤基質(zhì)不均勻收縮導(dǎo)致的溫度應(yīng)力、液氮汽化膨脹力。在常壓下液氮溫度可達(dá)-196℃，當(dāng)液氮注入煤層時，會使一定區(qū)域內(nèi)煤體溫度驟降，導(dǎo)致煤基質(zhì)發(fā)生不均勻收縮從而形成溫度應(yīng)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(yīng)力導(dǎo)致煤體破壞。此外，1m3液氮汽化會形成696m3氮?dú)�，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(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力的存在將會抑制液氮致裂過程中裂隙的擴(kuò)展。本文受限于液氮處理設(shè)備，在進(jìn)行液氮致裂過程中并未對煤體施加應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力兩方面致裂因素進(jìn)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(yīng)力共同作用下，煤體發(fā)生了原有裂隙的擴(kuò)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(xiàn)】：
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本文編號：3227055