不同变质程度煤高温高压条件下甲烷扩散动力学特性研究
发布时间：2021-07-10 06:06
本文针对深部煤层气开发面临的高温、高地应力、高孔隙压力等问题,从深部煤层的赋存条件出发,通过针对性实验装置的开发,系统开展了低变质程度的长焰煤、中等变质程度的气煤、焦煤和高变质程度的无烟煤高温高压扩散特性实验,研究了粒径、气体压力、温度、变质程度对甲烷扩散的影响,建立了煤粒甲烷高温高压扩散模型,并推导出新模型的简化算法,进一步探讨了煤粒甲烷扩散的控制机理。论文取得了以下主要研究成果:（1）四种煤样在压汞实验低压段和液氮吸附实验高压段均具有明显的分形特征,分形维数随着煤的变质程度的增高呈现先降低再升高的变化趋势。（2）开发了一套高温高压甲烷扩散模拟测试装置,实验装置最大可增压至60MPa,最高温度150℃,可对四个样品同时测定。（3）高温高压甲烷扩散实验结果表明,随着煤样粒径的增加,甲烷扩散量、初始扩散速度和扩散系数均逐渐减小,并优选出0.17-0.25mm为实验合理粒径;甲烷累计扩散量和扩散系数均随着压力的增加而增大,随着温度的增加也逐渐增大,煤样初始扩散速度最大,扩散速度随时间的延长逐渐降低,扩散速度与时间符合幂函数关系;煤的变质程度越高,在相同扩散时间内甲烷累积扩散量越大,扩散系数...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：172 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同变质程度煤的结构模型（杨涛，2014）
系数的不同。（a）孔隙的连通性分类 （b）孔隙的形状分类图1-3 煤的孔隙类型Figure 1-3 Types of pore in coal煤的孔隙结构是影响气体扩散特性的重要因素。聂百胜等（2000）通过对颗粒煤中孔隙结构的分析，将气体在多孔介质中的扩散分为晶体扩散、表面扩散及细孔扩散三种方式，根据诺森数（孔隙直径和分子运动平均自由程的比值）的范围又将细孔扩散划分三种模式。在煤粒甲烷扩散的过程中，影响因素不断发生变化，导致甲烷的扩散模式和扩散系数也随之发生改变。Schueller（2001）通过实验发现，超声波可以影响多孔介质中气体的扩散特性，并分析了温度和气体压力对其的影响，得到气体微观结构等参数是控制宏观扩散模式差异的根本。李小彦等（2004）研究认为，孔隙系统是为原生成因，其主要作用是把天然气从微孔扩散到裂隙中；裂隙系统为后生成因
系的扩散模型对 4 种不同含水率煤样扩散系数进行了计算，均得到扩散系数先快速降低而后缓慢降低，且随着含水率的升高，扩散系数逐渐减小。图1-4 水分阻塞孔喉示意图Figure 1-4 Schematic diagram of pore throat blocked by Moisture1.2.4 煤中甲烷扩散物理模型研究根据研究需要国内外学者们做了大量的工作，提出并建立了多种煤粒甲烷扩散理论模型。目前所建的煤粒甲烷扩散物理模型主要是依据 Fick 定律，描述扩散过程的模型主要有单一孔隙扩散模型和双孔隙扩散模型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]2018年煤炭供需形势分析及2019年展望[J]. 肖新建. 中国能源. 2019(02)
[2]高温高压下煤孔隙结构的变化对瓦斯吸附特性的影响[J]. 王玲玲,王兆丰,霍肖肖,刘勉. 中国安全生产科学技术. 2018(12)
[3]含水率对构造煤煤粒瓦斯扩散的影响研究[J]. 张庆浩,贾天让,李松林,魏国营. 中国安全生产科学技术. 2018(08)
[4]颗粒煤甲烷吸附过程扩散特征[J]. 林晨,贾天让,周市伟,张玉贵. 煤田地质与勘探. 2018(04)
[5]中国煤炭资源分布特征及其基础性作用新思考[J]. 王海宁. 中国煤炭地质. 2018(07)
[6]全国煤层气资源动态评价与可利用性分析[J]. 张道勇,朱杰,赵先良,高煖,庚勐,陈刚,焦健,刘思彤. 煤炭学报. 2018(06)
[7]页岩对甲烷高温高压等温吸附的热力学特性[J]. 李希建,尹鑫,李维维,刘尚平,张培. 煤炭学报. 2018(S1)
[8]原生结构煤与构造煤孔隙结构与瓦斯扩散特性研究[J]. 胡彪,程远平,王亮. 煤炭科学技术. 2018(03)
[9]不同条件煤粒瓦斯瞬时扩散系数变化特征试验[J]. 史广山,白鹏飞,张玉贵. 中国安全科学学报. 2017(08)
[10]不同温压下柱状煤芯瓦斯吸附饱和度和进扩散时间的确定[J]. 李志强,成墙,段正鹏,宋党育,温志辉. 中国安全生产科学技术. 2017(07)
博士论文
[1]双重孔隙煤体瓦斯多尺度流动机理及数值模拟[D]. 刘鹏.中国矿业大学(北京) 2018
[2]华北中南部中高煤级构造煤瓦斯扩散规律及控制机理研究[D]. 任建刚.河南理工大学 2016
[3]煤体瓦斯吸附解吸过程温度变化实验研究及机理分析[D]. 杨涛.中国矿业大学（北京） 2014
[4]颗粒煤瓦斯扩散时效特性研究[D]. 袁军伟.中国矿业大学（北京） 2014
[5]煤层甲烷扩散物理模拟实验及其机理研究[D]. 李冰.河南理工大学 2014
[6]高温高压三相介质煤吸附瓦斯机理与吸附模型[D]. 刘高峰.河南理工大学 2011
[7]煤粒瓦斯放散规律、机理与动力学模型研究[D]. 刘彦伟.河南理工大学 2011
[8]煤层注水抑制瓦斯解吸效应实验研究与应用[D]. 肖知国.河南理工大学 2010
[9]煤层气吸附解吸机理研究[D]. 马东民.西安科技大学 2008
硕士论文
[1]宿东矿区构造煤分布规律及构造控制机理[D]. 朱冠宇.中国矿业大学 2017
[2]陕西省煤炭资源赋存规律及其信息管理系统研究[D]. 韦忙忙.西安科技大学 2016
[3]页岩气吸附的分子模拟及实验研究[D]. 孟伟杰.西南石油大学 2016
[4]松辽盆地北部石炭—二叠系构造—热演化史与生烃史的关系研究[D]. 史政.西北大学 2010
[5]甲烷在构造煤中吸附和扩散的分子模拟[D]. 荆雯.太原理工大学 2010
本文编号：3275344
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：172 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同变质程度煤的结构模型（杨涛，2014）
系数的不同。（a）孔隙的连通性分类 （b）孔隙的形状分类图1-3 煤的孔隙类型Figure 1-3 Types of pore in coal煤的孔隙结构是影响气体扩散特性的重要因素。聂百胜等（2000）通过对颗粒煤中孔隙结构的分析，将气体在多孔介质中的扩散分为晶体扩散、表面扩散及细孔扩散三种方式，根据诺森数（孔隙直径和分子运动平均自由程的比值）的范围又将细孔扩散划分三种模式。在煤粒甲烷扩散的过程中，影响因素不断发生变化，导致甲烷的扩散模式和扩散系数也随之发生改变。Schueller（2001）通过实验发现，超声波可以影响多孔介质中气体的扩散特性，并分析了温度和气体压力对其的影响，得到气体微观结构等参数是控制宏观扩散模式差异的根本。李小彦等（2004）研究认为，孔隙系统是为原生成因，其主要作用是把天然气从微孔扩散到裂隙中；裂隙系统为后生成因
系的扩散模型对 4 种不同含水率煤样扩散系数进行了计算，均得到扩散系数先快速降低而后缓慢降低，且随着含水率的升高，扩散系数逐渐减小。图1-4 水分阻塞孔喉示意图Figure 1-4 Schematic diagram of pore throat blocked by Moisture1.2.4 煤中甲烷扩散物理模型研究根据研究需要国内外学者们做了大量的工作，提出并建立了多种煤粒甲烷扩散理论模型。目前所建的煤粒甲烷扩散物理模型主要是依据 Fick 定律，描述扩散过程的模型主要有单一孔隙扩散模型和双孔隙扩散模型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]2018年煤炭供需形势分析及2019年展望[J]. 肖新建. 中国能源. 2019(02)
[2]高温高压下煤孔隙结构的变化对瓦斯吸附特性的影响[J]. 王玲玲,王兆丰,霍肖肖,刘勉. 中国安全生产科学技术. 2018(12)
[3]含水率对构造煤煤粒瓦斯扩散的影响研究[J]. 张庆浩,贾天让,李松林,魏国营. 中国安全生产科学技术. 2018(08)
[4]颗粒煤甲烷吸附过程扩散特征[J]. 林晨,贾天让,周市伟,张玉贵. 煤田地质与勘探. 2018(04)
[5]中国煤炭资源分布特征及其基础性作用新思考[J]. 王海宁. 中国煤炭地质. 2018(07)
[6]全国煤层气资源动态评价与可利用性分析[J]. 张道勇,朱杰,赵先良,高煖,庚勐,陈刚,焦健,刘思彤. 煤炭学报. 2018(06)
[7]页岩对甲烷高温高压等温吸附的热力学特性[J]. 李希建,尹鑫,李维维,刘尚平,张培. 煤炭学报. 2018(S1)
[8]原生结构煤与构造煤孔隙结构与瓦斯扩散特性研究[J]. 胡彪,程远平,王亮. 煤炭科学技术. 2018(03)
[9]不同条件煤粒瓦斯瞬时扩散系数变化特征试验[J]. 史广山,白鹏飞,张玉贵. 中国安全科学学报. 2017(08)
[10]不同温压下柱状煤芯瓦斯吸附饱和度和进扩散时间的确定[J]. 李志强,成墙,段正鹏,宋党育,温志辉. 中国安全生产科学技术. 2017(07)
博士论文
[1]双重孔隙煤体瓦斯多尺度流动机理及数值模拟[D]. 刘鹏.中国矿业大学(北京) 2018
[2]华北中南部中高煤级构造煤瓦斯扩散规律及控制机理研究[D]. 任建刚.河南理工大学 2016
[3]煤体瓦斯吸附解吸过程温度变化实验研究及机理分析[D]. 杨涛.中国矿业大学（北京） 2014
[4]颗粒煤瓦斯扩散时效特性研究[D]. 袁军伟.中国矿业大学（北京） 2014
[5]煤层甲烷扩散物理模拟实验及其机理研究[D]. 李冰.河南理工大学 2014
[6]高温高压三相介质煤吸附瓦斯机理与吸附模型[D]. 刘高峰.河南理工大学 2011
[7]煤粒瓦斯放散规律、机理与动力学模型研究[D]. 刘彦伟.河南理工大学 2011
[8]煤层注水抑制瓦斯解吸效应实验研究与应用[D]. 肖知国.河南理工大学 2010
[9]煤层气吸附解吸机理研究[D]. 马东民.西安科技大学 2008
硕士论文
[1]宿东矿区构造煤分布规律及构造控制机理[D]. 朱冠宇.中国矿业大学 2017
[2]陕西省煤炭资源赋存规律及其信息管理系统研究[D]. 韦忙忙.西安科技大学 2016
[3]页岩气吸附的分子模拟及实验研究[D]. 孟伟杰.西南石油大学 2016
[4]松辽盆地北部石炭—二叠系构造—热演化史与生烃史的关系研究[D]. 史政.西北大学 2010
[5]甲烷在构造煤中吸附和扩散的分子模拟[D]. 荆雯.太原理工大学 2010
本文编号：3275344
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