煤岩注液氮致裂实验研究

摘要

煤层瓦斯作为煤的伴生资源，属于非常规矿产能源。煤层瓦斯的开发利用，对从根本上预防和解决煤矿瓦斯事故，缓解我国油气资源的短缺状况，以及保护大气环境都具有非常重要的意义。 煤是天然的多孔介质，其内部的孔隙裂隙网络结构是煤层气渗流的主要通道。煤层的渗透性是控制煤层气开采成效的重要因素。我国大多数煤层属于低渗透煤层，其在煤层气开采过程中存在产气量少，稳产周期短、开采效率低下等诸多问题。现有的煤层增透工艺在工业应用中效果均不理想，煤层增透新工艺仍有待开发。液氮在常压下温度极低，可以作为稳定的冷源，而且成本低容易获取。利用液氮对煤层进行“冷冲击”能使煤层产生裂纹，达到煤层增透的效果，可作为煤层致裂增透工艺广泛利用。 本文利用CT扫描技术与金相显微观测手段，分别对煤岩钻孔注液氮煤岩内部细观变化以及不同含水煤岩液氮冻融前后表观细观破坏进行观测，分析液氮深冷作用下煤岩孔隙裂隙演化规律，进而对煤岩注液氮的致裂的效果进行评价。主要研究结果如下： （1）在液氮低温作用下，煤岩体中的遇冷产生的收缩应力以及液氮汽化产生的孔隙压力共同作用使煤岩体钻孔孔径外围发生大量细观破坏，煤岩孔隙率发生明显变化。并且，液氮作用后煤岩孔隙率变化量随着与钻孔距离的增大呈负指数趋势减小。 （2）煤岩在液氮低温作用下发生细观破坏，受低温冲击下收缩应力以及液氮汽化后孔隙压力的影响，其作用的效果与距离钻孔距离相关，与钻孔距离越远其作用效果越弱，使煤岩发生细观破坏致裂的效果也越差，距离钻孔越近其作用效果越好；受煤岩体碎涨作用的影响，煤岩中距离钻孔的较近的部位其发生细观破坏致裂的效果较好，反之在远离钻孔的位置其致裂效果较弱。据此，在煤层钻孔注液氮致裂增透的实际工程应用中，可以将普通煤层钻孔增透技术和煤岩注液氮致裂的方法结合起来，从而达到改善煤岩低渗透性的效果。 （3）液氮对煤岩孔隙的作用效果与煤岩的原始孔隙率之间存在着一定的联系：液氮汽化体积膨胀，在煤岩原始孔隙率较低的部位，对汽化后氮气产生封堵效果，孔隙压力剧增。在原始孔隙率越低的部位，该孔隙压力越大，孔隙率增加越明显，而在原始孔隙率较高的区域，孔隙率反而没有明显增加甚至略有减小。由此可推知，对于低渗煤层钻孔注液氮技术其致裂效果更加显著。 （4）利用金相显微镜可以对煤样表观裂隙在冻融作用下的扩展演化规律进行有效观测。不同饱水度煤样在相同的液氮冻融循环次数下，其冻融损伤后孔隙率变化百分比随煤样饱水度的增加而增大，且煤岩饱水度越高其孔隙率变化百分比的增幅也越大。对于相同含水率的煤样在不同液氮冻融次数下，其冻融损伤后的孔隙率变化百分比随融冻循环次数增加而增大，且随冻融次数的增加其增大幅度减缓。含水煤岩在液氮循环冻融作用下，孔隙率可有效增加，从而达到致裂效果。 （5）煤岩经液氮浸融后，其内部裂隙发生一系列变化：裂隙长度发生延伸，宽度增加，同时伴有部分新裂隙的产生。并且，煤岩的饱水度越大，煤岩裂隙长度及宽度的增幅也越大。煤岩液氮浸融会使煤岩裂隙扩展，煤岩裂隙密度明显增大，从而达到煤岩致裂的效果。 （6）煤样经液氮冻融作用后，观测区域逾渗概率均发生明显变化。随着液氮浸融次数的增加，逾渗概率增大。并且煤样饱水度越高，逾渗概率经液氮浸融后逾渗概率增加的幅度越大。煤样经液氮融浸后，孔隙裂隙的连通性有效增加。煤样的饱水度越高，孔隙裂隙的连通性增加的效果越明显。

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