构造煤微观结构精细定量表征及瓦斯分形输运特性研究

作者

张开仲

毕业学校

中国矿业大学

摘要

我国煤储层资源开采面临着“三高一低”复杂地质环境,煤与瓦斯突出事故频有发生,煤矿安全中涉及突出灾害的研究课题仍是重中之重。国内外现场突出事故案例表明地质构造是煤与瓦斯突出发生的重要控制因素,地质运动过程中煤储层结构演化受到构造因素而形成低强度弱粘结构造煤,其宏微观结构从根本上决定了突出易发区储层具有煤与瓦斯突出危险性。本文主要运用表面物理化学、吸附科学、流体力学、分形学、油气储层地质学、煤力学等理论,分别从微观孔裂隙形态学、微晶化学形态学、微观连通拓扑学、微观分形几何学等方面开展了构造煤和原生煤大分子尺度、纳米尺度、微米尺度、毫米尺度等多尺度多维度系统研究,构建了能综合描述煤体微观结构复杂程度的归一化评价体系及分形输运模型,研究了突出易发区构造因素对储层瓦斯赋存运移的宏观和微观控制作用,揭示了构造煤和原生煤微观结构本质差异性,探讨了构造煤宏微观结构突出倾向性及对突出机理再认识,得到的主要结论如下:

(1)构造因素对煤微观孔裂隙形态学多尺度结构改造决定了储层流体的存在形式和传输性能。光电辐射技术表征了煤体表观极度粗糙的多尺度形貌及空间形态特征,反映出微观结构内可能出现不利于流体有效运移的收缩型(Constriction)孔隙配置关系,而流态法对应曲线所产生滞后环现象虽然有不同机理解释,但也验证了控制瓦斯有效运移的收缩型空间广泛存在;构造煤三维表观形貌比原生煤呈现更多不规则特征,构造因素对介孔和大孔发育影响较大,导致收缩型结构更加发育,促使构造煤孔喉比和曲折度降低而呈现结构简单化;基于逾渗理论推导了煤体简化孔隙网络可达性(Accessibility)评价数学表达式,证明了煤微观形态结构运移路径受构造因素影响而更多样化,且气体分子运移效率也进一步提升。

(2)煤化程度和构造变形对煤微晶形态学结构演化起到关键作用,从分子尺度上控制着超微孔隙结构发育特征。随着变质程度和构造作用增强,煤大分子形态结构发生了微观尺度演化,引起微晶结构尺寸朝向芳香化程度、石墨化度、结晶度增加的趋势生长;同时,高阶构造煤相比原生煤在类石墨芳香晶格条纹长度、生长取向角度和多环芳烃尺寸归属上具有更高芳构化和有序化程度,微晶结构单元整体更加密集化、堆叠化、缩合化、芳构化,促使超微孔隙朝更发育方向演化。

(3)从数字化、可视化、无损化角度建立了构造煤结构三维重构模型,获取了微观连通拓扑学网络结构及其定量参数演化特征。原生煤微观结构三维重构中近似垂直分布的割理系统将基质分割成立方体块;构造煤中微裂隙和孔隙群零星分布在尺度空间内,导致基质尺度减小;外应力加载后重塑构造煤内部裂隙空间骤减,形成以连通团为主局部有杂乱弥散状发育的微裂隙形式。在三维重构和形态学骨架模型基础上,获得原生煤、构造煤、重塑煤的平均曲折度分别是1.2213、1.1205、1.1741。依据最大球算法获取了拓扑等价连通结构和定量参数演化特征,构造煤孔腔与喉道的等效体积、直径、长度及连通性相比原生煤大幅增加,而重塑煤受到外加载荷导致配位数发生骤减。开展了微观拓扑学等效网络模型流动模拟,构造煤在不同方向上展示出相似流动规律,压力值普遍高于原生煤,而原生煤不同方向展现不同流动压力分布,其微观结构体现出非均质性和各向异性。

(4)基于分形几何学结构属性建立了综合表征原生煤和构造煤微观结构复杂程度的系数及瓦斯分形输运数学模型。在分形学思维框架下将满足分形标度定律的原生煤储层认定为若干束管状大割理连接分叉小割理通道共同构成的类树状分支结构,将受构造地质作用的构造粉煤体认定为毛细管状结构;通过对两种简化结构进行分形表征,厘定基于分形理论的原生煤体和构造煤体微观结构几何学属性,在此基础上获取了微观结构复杂度系数并构建了分形瓦斯流动输运数学模型,选取100μm和20μm分别作为裂隙通道最大直径上下限值,通过渗透率实测数据与分形渗透率拟合曲线验证了分形渗流输运模型可靠性。

(5)构造地质演化导致原生煤和构造煤结构产生多尺度本质化差异,间接控制着储层宏观和微观瓦斯赋存和运移特征,确定了突出易发区构造煤的宏微观结构演化特征及对其多尺度结构突出倾向性的宏观和微观再认识。原始储层受到多期构造地质运动影响,其宏观结构演化为易碎裂、质地软、无光泽的构造煤散体颗粒;基于拓扑学连通性结构参数、分形输运模型和多尺度多维度本质差异化表征综合反映出解除应力构造煤复杂程度低于原生煤,孔隙长度缩短,连通性能显著提升,瓦斯运移难度降低,而外加应力重塑煤分形复杂度重新升高,收缩孔更加发育,低配位数、高曲折度和高孔喉比特性也促使其连通特性和瓦斯运移效率降低,瓦斯运移难度加大;通过祁南矿井区域地质构造对储层瓦斯运移宏观和微观控制作用方面验证了地质构造对储层瓦斯赋存和运移主导控制性,其中随构造因素影响增加,分形复杂度系数从1.701下降至1.565,坚固性系数由0.7减少至0.2,渗流通道孔容从0.016 mL/g降低至0.004 mL/g,瓦斯运移难度减小,微观结构输运瓦斯能力越强。以上结果有助于论证构造煤储层结构的突出倾向性特征。

本论文共有图109幅,表12个,参考文献227篇。

相关文件下载地址
*该资源需回复评论后下载,马上去发表评论?
©下载资源版权归作者所有;本站所有资源均来源于网络,仅供学习使用,请支持正版!
默认图片
bossliu
清醒 专注 努力
文章: 541

2 评论

  1. 下载学习

  2. 下载学习

留下评论

Captcha Code

构造煤微观结构精细定量表征及瓦斯分形输运特性研究