溶剂改造后构造煤的甲烷扩散响应特征及机理分析

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煤是一种以有机质为主并含有部分无机矿物质、具有复杂孔隙的多孔固体。因煤中孔隙孔径变化范围很大,决定了其内部气体扩散行为的复杂性。因此,立足于煤的物质组成和孔隙结构的复杂性,探求溶剂作用后物质组成、孔隙性变化对煤的扩散性的影响规律及其机理。论文以霍尔辛赫矿区3号煤层不同煤体结构煤为研究对象,采用四氢呋喃(THF)、二硫化碳(CS2)等有机溶剂,盐酸(HCl)、二氧化氯(ClO2)等无机溶剂对煤样进行改造,萃取/溶出煤中的部分无机物或有机小分子,改善煤的孔隙性,借助于现代测试手段,对比分析溶剂作用前后构造煤的孔隙结构、亲水性和扩散特性的变化规律,以揭示溶剂作用对甲烷扩散特性的影响机理。研究表明:(1)随着煤体的破坏程度增加,萃取/溶出率有增大的趋势。(2)与原煤相比,有机溶剂萃取后的煤样比表面积有增大的趋势,而碎粒煤和糜棱煤经无机溶剂(HCl和ClO2)作用后比表面积减小。针对不同孔径段孔隙,与原煤相比,不同溶剂作用后过渡孔的比表面积基本无变化,微孔和中孔的比表面积变化有较大差异。(3)对于原煤而言,随着煤体的破坏程度增加,孔隙体积分形维数(DA)呈现增大的趋势,而孔隙表面分形维数(DB)变化不明显。有机溶剂作用后,DA随着煤体的破坏程度的增加有增大的趋势,但DB的变化趋势不明显;无机溶剂萃取后,随着煤体的破坏程度增加,DA呈减小趋势,DB有增大的趋势。当煤体结构相同,有机溶剂处理后DA整体呈减小的趋势,无机溶剂处理后,碎裂煤和糜棱煤的DA显著减小;不同溶剂处理后DB无明显变化趋势。(4)溶剂作用前后,甲烷扩散系数和扩散量随着煤体的破坏程度增加而增大,当煤体结构相同,不同溶剂萃取/溶出前后甲烷扩散量和扩散系数的大小关系为:CS2>原煤>THF>ClO2>HCl。(5)溶剂改造后煤的甲烷扩散性主要受孔隙结构和润湿性影响。基于溶剂作用前后煤的孔隙结构、扩散性能、润湿性的变化规律,深入分析煤中可溶组分对其孔隙结构、润湿性的作用机理,进而揭示可溶组分对甲烷在煤中扩散的影响机理。研究成果可丰富和完善煤层气储层改造理论,制定有针对性的煤层气抽采方案具有理论意义。
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