充填煤岩裂隙渗透特性理论与实验研究

发布时间：2020-09-02 12:28

　　作为一种非常规清洁气体资源,煤层气(CBM)具备替代传统能源的巨大潜力。目前世界各国学者对煤层气的开采技术已经进行了比较深入的探究,但仍存在着诸多挑战。裂隙和裂隙充填物构成了煤层气运输的主要通道。充填煤岩的渗透率,通常基于煤的裂隙-充填物特征和应力-应变场来确定。在一定的有效应力条件下,煤渗透率是孔隙压力、充填物类型和注入气体类型的函数。为了准确描述多孔材料中气体流动的机理,众多学者已经提出了许多渗透率模型。然而,到目前为止大多数模型中对滑脱效应的影响考虑不足,而滑脱效应对煤岩裂隙的气体渗流行为有着显著的作用,特别是在低渗透性煤岩中。对充填煤岩裂隙渗透特性进行研究,通过分析有效应力对孔隙率的影响,以及利用努森数作为判断依据,来判定滑脱效应的影响,建立了充填煤岩裂隙渗透特性数学模型。然后,以充填煤岩为研究对象,进行了充填煤岩裂隙渗透特性验证试验。研究了充填煤岩裂隙渗透率(不同充填物、不同围压、不同气压)的变化规律。通过对实验数据的拟合,得到了不同有效应力、不同充填介质的滑脱因子,得出数学模型的计算结果。对比实验结果与计算结果,验证了所建数学模型的正确性。并对充填煤岩裂隙渗透率(不同围压、不同气压)的变化规律进行了分析。主要得到以下结论:1.通过对充填煤岩裂隙渗透特性进行理论分析,探讨了有效应力以及滑脱效应的影响。结果表明:有效应力会引起充填煤岩的体积应变,改变充填煤岩的孔隙率,进而影响充填煤岩裂隙渗透率;在低渗气体渗流系统中,滑脱效应也是不可忽略的影响因素,可以依据气体与不同充填介质组合的努森数大小,判定滑脱效应的影响。并建立了充填煤岩裂隙渗透特性数学模型。2.实验研究了充填煤岩裂隙渗透率(不同充填物、不同围压、不同气压)的变化规律。结果表明:(1)在气压不变条件下,充填煤岩裂隙渗透率随着围压的增大而减小;(2)在围压不变的条件下,随着气体压力的增大,以方解石、高岭土、方高混合物和膨润土为充填介质的充填煤岩裂隙,渗透率逐渐减小并趋于平缓。以煤粉为充填介质的充填煤岩裂隙,渗透率反而随着气压的增大而增大;(3)在围压不变的条件下,滑脱效应的影响随气体压力的增大而减小,滑脱效应只在低气压情况下表现较明显。3.对实验数据进行拟合,得到了不同有效应力、不同充填介质的充填煤岩k_g-1/p关系拟合方程和滑脱因子,拟合方程的相关系数R~2都在0.79以上。根据滑脱因子与充填煤岩的参数,得出数学模型的计算结果。计算结果与实验结果一致性较高,验证了数学模型的正确性。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD712
【部分图文】：

煤岩,裂隙

充填煤岩裂隙

钻取,岩芯,圆柱体,煤样

圆柱体原煤煤样制备过程：本次实验采用直径Φ=50mm，高度h=50mm的圆柱体煤样作为分析实验试样。将赵固一矿二1煤层取回的原煤块煤放入岩芯钻取机（如图4.1）中加工为圆柱体。然后将钻取出的圆柱体煤样在自动精密切割机（如图4.2）上制成底面直径为50mm，高度为50mm的圆柱体煤样煤芯取出后，利用磨床对其进行小心仔细地打磨，制成Φ50×50mm的原煤煤样，并将之置于烘箱内在80℃下烘干24h再用干燥箱存放，以备试验时用（如图4.3）。图 4.1 岩芯钻取机图 4.2 自动精密切割机

切割机,煤样,钻取

柱体煤样作为分析实验试样。将赵固一矿二1煤层取回的原煤块煤放入岩芯钻取机（如图4.1）中加工为圆柱体。然后将钻取出的圆柱体煤样在自动精密切割机（如图4.2）上制成底面直径为50mm，高度为50mm的圆柱体煤样煤芯取出后，利用磨床对其进行小心仔细地打磨，制成Φ50×50mm的原煤煤样，并将之置于烘箱内在80℃下烘干24h再用干燥箱存放，以备试验时用（如图4.3）。图 4.1 岩芯钻取机图 4.2 自动精密切割机

【参考文献】