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不同煤阶煤的吸附、扩散及渗流特征实验和模拟研究

郑贵强  
【摘要】:为对高、中、低煤阶的不同煤样进行实验和数值模拟研究,分别在沁水盆地晋城矿区和长治矿区,以及新疆准噶尔盆地铁厂沟煤矿进行采样。重点研究不同煤阶煤的吸附、扩散和渗流特征及变化规律,以及在ECBM过程中渗透率的动态变化和预测。 本次研究共使用四种气体,分别为:H_e,N_2,CH_4和CO_2,对于每种气体,测试条件为三到四个不同孔隙压力(一般为1MPa,2.5MPa,4MPa和6MPa)和五个不同有效应力(1MPa,2MPa,3MPa,4MPa和5MPa)及三个不同温度(35℃,40℃和45℃)。测定煤样的吸附量并绘制等温吸附曲线,测定扩散率随时间的变化并绘制其变化曲线,测定其渗透率并绘制渗透率变化曲线,同时进行膨胀量计算和压汞及低温液氮实验,分析实验现象与煤岩特征及孔径分布的定性或定量关系。 对三组煤样的吸附性能研究发现,同一煤样对不同气体的吸附能力不同。不同煤阶的煤样对同一气体的吸附能力也不同,基本上呈现随煤阶的增加吸附能力也相应增加的趋势。通过扩散实验和压汞及低温液氮实验研究发现,高煤阶煤以微孔为主,扩散和吸附所需的平衡时间长。中煤阶煤以中孔为主,而低煤阶煤样以中孔为主,也含有部分大孔。数值模拟的结果显示:本次实验所研究的煤样,均可使用双孔模型进行模拟研究。 对渗透率的实验研究发现,有效应力和孔隙压力对渗透率有重要的影响,使用的测试气体的类型对于渗透率也有重要影响。割理的压缩系数与渗透率数值关系密切,通过对其研究发现,割理的压缩系数与有效应力、孔隙压力和测试气体的类型有关。随着孔隙压力的增加,割理的压缩系数先降低然后又缓慢的增加。通过膨胀量计算和绘制动态渗透率预测曲线图发现,在ECBM过程中,渗透率随CO_2的摩尔分数的变化,呈现一定的变化规律:先急剧降低,后缓慢的降低,在保持某一固定的数值后,再缓慢的升高。动态渗透率预测曲线对于注气提高煤层气的采收率的过程有重要的指导意义。


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