液氮致裂烟煤裂隙结构演变及渗流特性实验研究
发布时间：2021-06-13 05:05
煤层气是一种重要的煤伴生资源,具有丰富的资源储量和重大的开发利用价值。如何提高煤层渗透性,实现煤层气高效抽采,一直是煤层气开采领域的研究热点与难点之一。液氮致裂是一种有效的煤层增透技术,具有较大的应用开发前景。煤层渗透率是评价煤层可抽采性的重要参数,而渗透率高低、透气性的好坏主要取决于煤层内部裂隙发育程度。本文以安徽省许疃煤矿烟煤作为研究对象,开展了煤体单次和循环液氮致裂实验,探究了致裂前后煤体孔隙和裂隙结构以及渗流特性演变规律。首先,对液氮致裂机理进行了分析,并对液氮致裂技术的可行性和应用现状进行了总结。其次,借助X射线衍射仪对实验煤样进行了矿物组成鉴定和半定量分析。利用压汞实验和CT扫描技术定量表征了液氮致裂前后煤体孔隙和裂隙变化规律。采用分形几何和孔隙网络模型对煤体微观裂隙分形特征、空间尺寸分布和连通性进行了定量分析。最后,借助受载煤体注气驱替瓦斯测试仪开展了渗流实验,揭示了单次和循环液氮致裂不同应力条件下煤体渗透率的变化规律。本文得出的主要结论如下:（1）在水-冰相变膨胀力和煤基质非均匀收缩引起的热应力共同作用下,造成原有裂隙扩展和延伸,并伴随着新裂隙的形成和裂隙间相互贯通,从...
【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】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
煤体孔隙尺寸测试方式适用范围对比图
硕士学位论文61.2.3液氮致裂煤体渗流特性研究现状煤层气主要以吸附态赋存与煤基质孔隙（主要为微孔和小孔）中，其在煤层中不断发生解吸和吸附，并处于一种平衡状态。而煤层的采掘活动以及煤层气的抽采则会打破这种平衡，致使煤层孔隙中瓦斯由吸附态向游离态转变并扩散运移到裂隙系统，最终顺着裂隙通道渗流到瓦斯抽采钻孔或者煤层气井中[32,70]。图1-2描述了瓦斯在煤层中的运移过程[71]。图1-2瓦斯气体在煤层中的运移Figure1-2TransportofcoalseamgasincoalDarcy定律由Darcy于1856年提出，并由周世宁院士引入国内用于解释瓦斯在煤层中的流动规律[72]。他们认为瓦斯在煤层内的流动基本遵循Darcy定律，并把煤层看成一种均匀分布的虚拟连续介质[73]。Darcy定律认为瓦斯在煤层中的运移主要是因为压力差的存在，而事实上扩散效应也对瓦斯运移有一定影响。部分学者研究指出，瓦斯在煤层中的扩散运动符合Fick定律[74]。Fick定律表明由于浓度差的存在气体分子会不断由高浓度向低浓度运移的扩散运动，运移速度与浓度梯度相关。渗透率是孔隙介质输送流体的能力，也是评价煤层气储层产能的重要因素。煤层渗透率受到其所受应力、瓦斯压力、Klinkenberg效应（气体滑脱效应）、基质收缩效应等主要因素影响。李鹏[75]基于瓦斯抽采钻孔周边应力演变规律，进行了围压恒定轴压升高、围压升高轴压降低加载路径下煤体渗流实验，揭示了应力路径变化和孔隙压力的改变对煤体渗流特性的影响规律。尹光志等[76,77]研究了应力加载和卸载过程中有效应力变化对煤体渗透率的影响规律。研究结果表明，煤体渗透率随着有效应力的增大而减小，它们之间满足负指数函数。在研究煤体渗透率与瓦斯压力的关系上，曹树刚等[78]研究了不同应力下煤体渗透率与瓦斯
硕士学位论文102液氮致裂机理及其应用2MechanismandApplicationofLiquidNitrogenFracturing2.1液氮致裂的机理（MechanismofLiquidNitrogenFracturing）液氮致裂过程中影响煤体裂隙扩展的因素主要包括以下四个方面：地应力、水-冰相变冻胀力、煤基质不均匀收缩导致的温度应力、液氮汽化膨胀力。在常压下液氮温度可达-196℃，当液氮注入煤层时，会使一定区域内煤体温度骤降，导致煤基质发生不均匀收缩从而形成温度应力。赋存于煤层孔裂隙内的水分也会迅速冻结，水冰相变产生9%的体积膨胀，形成冻胀应力导致煤体破坏。此外，1m3液氮汽化会形成696m3氮气，在有限空间内产生巨大的汽化膨胀力。煤层气开采过程中，煤层处于原岩应力状态，应力的存在将会抑制液氮致裂过程中裂隙的扩展。本文受限于液氮处理设备，在进行液氮致裂过程中并未对煤体施加应力。液氮汽化膨胀力也仅在有限空间内会对煤体产生挤压应力，而本实验煤样在液氮处理过程中处于未密封状态。因此，本文不考虑地应力以及汽化膨胀力对煤体液氮致裂过程的影响，仅对水-冰相变冻胀力和温度应力两方面致裂因素进行分析。图2-1为液氮致裂因素分析示意图。在水-冰相变冻胀力和温度应力共同作用下，煤体发生了原有裂隙的扩展和延伸，并伴有新孔隙和裂隙产生，以及一些孔隙和裂隙间的相互贯通。图2-1液氮致裂因素分析示意图Figure2-1SchematicdiagramoftheanalysisofLN2fracturingfactors
【参考文献】：
期刊论文
[1]碎软低透煤层底板梳状长钻孔分段水力压裂增透技术研究[J]. 郑凯歌. 采矿与安全工程学报. 2020(02)
[2]液氮冷却作用下高温花岗岩损伤实验[J]. 黄中伟,温海涛,武晓光,李根生,杨睿月,李冉,张诚成. 中国石油大学学报(自然科学版). 2019(02)
[3]软岩保护层开采卸压增透效应及瓦斯抽采技术研究[J]. 程详,赵光明,李英明,孟祥瑞,董春亮,许文松. 采矿与安全工程学报. 2018(05)
[4]微波作用下煤层渗透性变化规律实验研究[J]. 张永利,尚文龙,马玉林,苏畅,马凯. 中国安全生产科学技术. 2018(08)
[5]基于CT三维重建煤骨架结构模型的渗流过程动态模拟研究[J]. 王刚,江成浩,刘世民,褚翔宇,沈俊男. 煤炭学报. 2018(05)
[6]超声波功率对煤体孔隙影响规律研究[J]. 于国卿,翟成,秦雷,汤宗情,武世亮,徐吉钊. 中国矿业大学学报. 2018(02)
[7]温度冲击作用下煤的渗透率变化规律与增透机制[J]. 魏建平,孙刘涛,王登科,李波,彭明,刘淑敏. 煤炭学报. 2017(08)
[8]基于CT三维重建的高阶煤孔裂隙结构综合表征和分析[J]. 王刚,沈俊男,褚翔宇,曹春杰,江成浩,周晓华. 煤炭学报. 2017(08)
[9]焦煤和无烟煤的液氮冷冻致裂效果对比试验[J]. 张春会,刘泮森,王锡朝,于永江,郭晓康,王来贵. 煤炭科学技术. 2017(06)
[10]基于CT扫描的煤岩钻孔注液氮致裂试验研究[J]. 王乔,赵东,冯增朝,周动,张超. 煤炭科学技术. 2017(04)
博士论文
[1]低透气性松软煤层高压水力割缝增透机理研究及应用[D]. 郭君.北京科技大学 2019
[2]基于CT可视化的深部煤体损伤和渗透率演化规律研究[D]. 钟江城.中国矿业大学(北京) 2018
[3]液氮循环致裂煤体孔隙结构演化特征及增透机制研究[D]. 秦雷.中国矿业大学 2018
[4]微波辐射下煤体的温升特性及孔隙结构改性增渗研究[D]. 洪溢都.中国矿业大学 2017
[5]复合加卸载条件下含瓦斯煤渗流特性及其应用研究[D]. 李鹏.中国矿业大学(北京) 2015
硕士论文
[1]不同含水率煤体液氮冻融损伤效应实验研究[D]. 闫道成.中国矿业大学 2019
[2]煤岩注液氮致裂实验研究[D]. 王乔.太原理工大学 2018
[3]液态CO2溶浸煤体孔裂隙损伤特性与置换驱替CH4机制研究[D]. 魏高明.西安科技大学 2018
[4]许疃矿烟煤瓦斯吸附渗流特性及注气驱替瓦斯实验研究[D]. 叶志伟.中国矿业大学 2018
[5]液氮溶浸煤致裂增透的实验研究[D]. 李伟龙.河北科技大学 2015
本文编号：3227055
【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】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
煤体孔隙尺寸测试方式适用范围对比图
硕士学位论文61.2.3液氮致裂煤体渗流特性研究现状煤层气主要以吸附态赋存与煤基质孔隙（主要为微孔和小孔）中，其在煤层中不断发生解吸和吸附，并处于一种平衡状态。而煤层的采掘活动以及煤层气的抽采则会打破这种平衡，致使煤层孔隙中瓦斯由吸附态向游离态转变并扩散运移到裂隙系统，最终顺着裂隙通道渗流到瓦斯抽采钻孔或者煤层气井中[32,70]。图1-2描述了瓦斯在煤层中的运移过程[71]。图1-2瓦斯气体在煤层中的运移Figure1-2TransportofcoalseamgasincoalDarcy定律由Darcy于1856年提出，并由周世宁院士引入国内用于解释瓦斯在煤层中的流动规律[72]。他们认为瓦斯在煤层内的流动基本遵循Darcy定律，并把煤层看成一种均匀分布的虚拟连续介质[73]。Darcy定律认为瓦斯在煤层中的运移主要是因为压力差的存在，而事实上扩散效应也对瓦斯运移有一定影响。部分学者研究指出，瓦斯在煤层中的扩散运动符合Fick定律[74]。Fick定律表明由于浓度差的存在气体分子会不断由高浓度向低浓度运移的扩散运动，运移速度与浓度梯度相关。渗透率是孔隙介质输送流体的能力，也是评价煤层气储层产能的重要因素。煤层渗透率受到其所受应力、瓦斯压力、Klinkenberg效应（气体滑脱效应）、基质收缩效应等主要因素影响。李鹏[75]基于瓦斯抽采钻孔周边应力演变规律，进行了围压恒定轴压升高、围压升高轴压降低加载路径下煤体渗流实验，揭示了应力路径变化和孔隙压力的改变对煤体渗流特性的影响规律。尹光志等[76,77]研究了应力加载和卸载过程中有效应力变化对煤体渗透率的影响规律。研究结果表明，煤体渗透率随着有效应力的增大而减小，它们之间满足负指数函数。在研究煤体渗透率与瓦斯压力的关系上，曹树刚等[78]研究了不同应力下煤体渗透率与瓦斯
硕士学位论文102液氮致裂机理及其应用2MechanismandApplicationofLiquidNitrogenFracturing2.1液氮致裂的机理（MechanismofLiquidNitrogenFracturing）液氮致裂过程中影响煤体裂隙扩展的因素主要包括以下四个方面：地应力、水-冰相变冻胀力、煤基质不均匀收缩导致的温度应力、液氮汽化膨胀力。在常压下液氮温度可达-196℃，当液氮注入煤层时，会使一定区域内煤体温度骤降，导致煤基质发生不均匀收缩从而形成温度应力。赋存于煤层孔裂隙内的水分也会迅速冻结，水冰相变产生9%的体积膨胀，形成冻胀应力导致煤体破坏。此外，1m3液氮汽化会形成696m3氮气，在有限空间内产生巨大的汽化膨胀力。煤层气开采过程中，煤层处于原岩应力状态，应力的存在将会抑制液氮致裂过程中裂隙的扩展。本文受限于液氮处理设备，在进行液氮致裂过程中并未对煤体施加应力。液氮汽化膨胀力也仅在有限空间内会对煤体产生挤压应力，而本实验煤样在液氮处理过程中处于未密封状态。因此，本文不考虑地应力以及汽化膨胀力对煤体液氮致裂过程的影响，仅对水-冰相变冻胀力和温度应力两方面致裂因素进行分析。图2-1为液氮致裂因素分析示意图。在水-冰相变冻胀力和温度应力共同作用下，煤体发生了原有裂隙的扩展和延伸，并伴有新孔隙和裂隙产生，以及一些孔隙和裂隙间的相互贯通。图2-1液氮致裂因素分析示意图Figure2-1SchematicdiagramoftheanalysisofLN2fracturingfactors
【参考文献】：
期刊论文
[1]碎软低透煤层底板梳状长钻孔分段水力压裂增透技术研究[J]. 郑凯歌. 采矿与安全工程学报. 2020(02)
[2]液氮冷却作用下高温花岗岩损伤实验[J]. 黄中伟,温海涛,武晓光,李根生,杨睿月,李冉,张诚成. 中国石油大学学报(自然科学版). 2019(02)
[3]软岩保护层开采卸压增透效应及瓦斯抽采技术研究[J]. 程详,赵光明,李英明,孟祥瑞,董春亮,许文松. 采矿与安全工程学报. 2018(05)
[4]微波作用下煤层渗透性变化规律实验研究[J]. 张永利,尚文龙,马玉林,苏畅,马凯. 中国安全生产科学技术. 2018(08)
[5]基于CT三维重建煤骨架结构模型的渗流过程动态模拟研究[J]. 王刚,江成浩,刘世民,褚翔宇,沈俊男. 煤炭学报. 2018(05)
[6]超声波功率对煤体孔隙影响规律研究[J]. 于国卿,翟成,秦雷,汤宗情,武世亮,徐吉钊. 中国矿业大学学报. 2018(02)
[7]温度冲击作用下煤的渗透率变化规律与增透机制[J]. 魏建平,孙刘涛,王登科,李波,彭明,刘淑敏. 煤炭学报. 2017(08)
[8]基于CT三维重建的高阶煤孔裂隙结构综合表征和分析[J]. 王刚,沈俊男,褚翔宇,曹春杰,江成浩,周晓华. 煤炭学报. 2017(08)
[9]焦煤和无烟煤的液氮冷冻致裂效果对比试验[J]. 张春会,刘泮森,王锡朝,于永江,郭晓康,王来贵. 煤炭科学技术. 2017(06)
[10]基于CT扫描的煤岩钻孔注液氮致裂试验研究[J]. 王乔,赵东,冯增朝,周动,张超. 煤炭科学技术. 2017(04)
博士论文
[1]低透气性松软煤层高压水力割缝增透机理研究及应用[D]. 郭君.北京科技大学 2019
[2]基于CT可视化的深部煤体损伤和渗透率演化规律研究[D]. 钟江城.中国矿业大学(北京) 2018
[3]液氮循环致裂煤体孔隙结构演化特征及增透机制研究[D]. 秦雷.中国矿业大学 2018
[4]微波辐射下煤体的温升特性及孔隙结构改性增渗研究[D]. 洪溢都.中国矿业大学 2017
[5]复合加卸载条件下含瓦斯煤渗流特性及其应用研究[D]. 李鹏.中国矿业大学(北京) 2015
硕士论文
[1]不同含水率煤体液氮冻融损伤效应实验研究[D]. 闫道成.中国矿业大学 2019
[2]煤岩注液氮致裂实验研究[D]. 王乔.太原理工大学 2018
[3]液态CO2溶浸煤体孔裂隙损伤特性与置换驱替CH4机制研究[D]. 魏高明.西安科技大学 2018
[4]许疃矿烟煤瓦斯吸附渗流特性及注气驱替瓦斯实验研究[D]. 叶志伟.中国矿业大学 2018
[5]液氮溶浸煤致裂增透的实验研究[D]. 李伟龙.河北科技大学 2015
本文编号：3227055
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