地应力释放的构造煤解吸响应特征与机理的实验研究

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地应力释放的构造煤解吸响应特征与机理是构造煤煤层气勘探开发的理论基础。本文以淮南煤田刘庄井田11-2号煤层为研究对象,基于井田煤层气地质条件、构造煤孔裂隙特征和结构及其连通性发育特征分析,利用自主研发的“CO2注入与煤层气强化开发实验模拟系统”开展了地应力释放过程中的构造煤应力应变实验和吸附-解吸实验模拟,并基于实验数据分析了围岩压力、储层压力、煤体结构、储层温度、煤的含水性等因素对地应力释放过程中构造煤解吸的影响,揭示了地应力释放的构造煤解吸响应特征,探讨了地应力释放的构造煤煤层气解吸机理。研究取得了以下主要认识:(1)压汞和低温液氮吸附实验结果表明:碎粒煤煤样具有较高的阶段进汞量、累积进退汞量、孔比表面积增量、孔容增量、累积孔比表面积、累积孔容等,主要因为碎裂煤煤体结构较碎粒煤更为破碎。碎粒煤煤样的滞后环比碎裂煤煤样的较宽一些,其煤体的孔裂隙连通性更差,煤体吸附回线的特征也证明了这一点;因为随着煤体结构破坏程度加剧,煤基质的孔裂隙更加发育,煤粒更小,更有利于煤体的吸附解吸。通过扫描电镜和体视显微镜观察可知,碎裂煤的构造裂隙和内生裂隙较为发育,裂隙密度和裂隙网格较好,裂隙往往两三条呈现交叉状的裂隙发育特征;碎粒煤的长裂隙和宽裂隙较多,裂隙呈现线状和平行状,且局部被矿物充填。(2)应力应变实验表明,随着煤体结构破坏程度加剧,煤柱发生形变所需的轴压变小,而煤柱的轴向应变和径向应变的绝对值变大。吸附-解吸模拟实验结果显示,随着围岩压力的变大,构造煤的瞬时解吸量和累积解吸量就会变小;随着吸附气体注入压力的变大,构造煤的瞬时解吸量和累积解吸量就会增大;在前100s的解吸过程中,碎裂煤柱样的累积解吸量大约为原生结构煤的1.5倍,碎裂煤型煤样的累积解吸量大约为原生结构煤的2.5倍,碎粒煤型煤样的累积解吸量大约为原生结构煤累积解吸量的4.5倍;温度对煤体的解吸具有双重作用,储层温度升高对煤体解吸量增多的影响趋势不明显;水分含量越多,煤体解吸量越少,干燥的煤体的累积解吸量大约是饱水的煤体的累积解吸量的1-2倍;以二氧化碳为吸附质的煤体的累积解吸量大约是以氮气为吸附质的煤体的累积吸附量的3倍。(3)根据实验数据特点定义了解吸量衰减速率,围岩压力的升高、煤体水分的减少对于构造煤的解吸量衰减速率趋于平缓所需时间具有负效应;吸附气体注入压力增大、煤体结构破坏程度和二氧化碳对于构造煤的解吸量衰减速率趋于平缓所需时间具有正效应,储层温度升高对于构造煤的解吸量衰减速率趋于平缓所需时间影响不明显。因为构造煤特殊的煤体结构,地应力释放条件下构造煤的煤层气解吸过程所需要的时间很短,因此在构造煤煤层气解吸的初始时间段内(0<t≤3min)的煤层气的解吸规律与文特式模型具有更好的拟合关系,实验数据的分析拟合也证明了这一点。该论文有图59幅,表9个,参考文献146篇。
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