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煤儲(chǔ)層多尺度裂隙特征及其對(duì)滲透性的控制 版權(quán)信息
- ISBN:9787030721532
- 條形碼:9787030721532 ; 978-7-03-072153-2
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù):暫無(wú)
- 重量:暫無(wú)
- 所屬分類:>
煤儲(chǔ)層多尺度裂隙特征及其對(duì)滲透性的控制 內(nèi)容簡(jiǎn)介
煤儲(chǔ)層是一種具有雙重孔-裂隙型儲(chǔ)層,孔隙是煤層中氣體儲(chǔ)存的主要空間;裂隙是煤層中流體運(yùn)移的主要通道,是影響和控制煤儲(chǔ)層滲透性的直接因素。本文采用理論分析、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬等多學(xué)科理論與方法,對(duì)煤儲(chǔ)層中多尺度裂隙參數(shù)進(jìn)行了精細(xì)定量表征,系統(tǒng)研究了煤儲(chǔ)層中宏觀裂隙、微米級(jí)裂隙和納米級(jí)裂隙結(jié)構(gòu)演化特征及其主控因素,探討了煤儲(chǔ)層多尺度裂隙結(jié)構(gòu)對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性的控制機(jī)理。
煤儲(chǔ)層多尺度裂隙特征及其對(duì)滲透性的控制 目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 煤中裂隙研究的意義 1
1.2 煤中裂隙研究現(xiàn)狀 2
1.3 煤儲(chǔ)層滲透性研究現(xiàn)狀 6
1.4 本書的研究?jī)?nèi)容 9
參考文獻(xiàn) 10
第2章 煤儲(chǔ)層多尺度裂隙特征 16
2.1 煤中裂隙的研究思路 16
2.1.1 煤中裂隙的識(shí)別 16
2.1.2 煤中裂隙的表征參數(shù) 17
2.1.3 煤中裂隙的研究方法及其適用范圍 22
2.2 宏觀裂隙發(fā)育特征 25
2.2.1 分析測(cè)試方法 25
2.2.2 宏觀裂隙發(fā)育特征及其影響因素 25
2.3 微米尺度裂隙發(fā)育特征 33
2.3.1 體視顯微鏡下的微米尺度裂隙特征 34
2.3.2 偏光顯微鏡下的微米尺度裂隙特征 46
2.3.3 微米CT掃描下的微米尺度裂隙特征 50
2.4 納米尺度裂隙特征 73
2.4.1 納米CT掃描原理 74
2.4.2 納米尺度裂隙實(shí)驗(yàn)方法及步驟 74
2.4.3 納米尺度裂隙發(fā)育特征 78
參考文獻(xiàn) 92
第3章 煤儲(chǔ)層滲透率各向異性特征及其主控因素 101
3.1 煤儲(chǔ)層滲透率理論計(jì)算 101
3.2 立方體煤樣不同方向滲透率變化特征及其主控因素 103
3.2.1 實(shí)驗(yàn)方法與步驟 103
3.2.2 結(jié)果與討論 105
3.2.3 裂隙各向異性對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的控制作用 117
3.3 柱狀樣品不同方向滲透率變化特征及其主控因素 122
3.3.1 實(shí)驗(yàn)方法和步驟 122
3.3.2 儲(chǔ)層滲透性評(píng)價(jià)參數(shù) 123
3.3.3 結(jié)果與討論 124
3.3.4 微裂隙對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的控制機(jī)理 136
參考文獻(xiàn) 140
第4章 三維微裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的滲流模擬 144
4.1 *大連通域提取 144
4.2 Avizo中單相水流滲流模擬 144
4.2.1 不可壓縮斯托克斯方程 145
4.2.2 絕對(duì)滲透率求解 145
4.2.3 參數(shù)設(shè)置 146
4.2.4 模擬結(jié)果與討論 147
4.3 Comsol中單相水流滲流模擬 148
4.3.1 Avizo與Comsol數(shù)據(jù)交互 148
4.3.2 入口與出口選取 149
4.3.3 模擬方程與參數(shù)設(shè)置 150
4.3.4 壓力場(chǎng)分布特征 151
4.3.5 速度場(chǎng)分布特征 153
4.4 甲烷氣體滲流模擬 158
4.4.1 數(shù)值模擬條件 158
4.4.2 壓力場(chǎng)分布特征 159
4.4.3 速度場(chǎng)分布特征 162
參考文獻(xiàn) 167
第5章 裂隙和滲透率的縱波速度響應(yīng)特征 168
5.1 樣品制備與實(shí)驗(yàn) 168
5.1.1 樣品制備 168
5.1.2 樣品的縱波速度測(cè)定 168
5.2 縱波速度與裂隙面密度的關(guān)系 171
5.3 縱波速度與滲透率的關(guān)系 172
參考文獻(xiàn) 174
煤儲(chǔ)層多尺度裂隙特征及其對(duì)滲透性的控制 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 煤中裂隙研究的意義 20世紀(jì)80年代,美國(guó)成功地實(shí)現(xiàn)了煤層氣的地面開發(fā),自此,煤層氣成為世界能源發(fā)展中一個(gè)非常重要的領(lǐng)域(方愛民等,2003)。煤層氣的開發(fā)可以產(chǎn)生諸多效益。首先,我國(guó)煤層氣儲(chǔ)量豐富,根據(jù)自然資源部發(fā)布數(shù)據(jù)顯示,截至2019年底,全國(guó)煤層氣累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量為7.54561×1011m3(趙路正等,2020),煤層氣開發(fā)前景巨大,對(duì)煤層氣進(jìn)行有效開發(fā)可以較好地解決我國(guó)“少氣”的問(wèn)題,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。其次,我國(guó)高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占礦井總量的46%,在煤炭開采過(guò)程中,瓦斯災(zāi)害十分嚴(yán)重,儼然成為煤礦安全生產(chǎn)的“**殺手”(孟召平和劉世民,2018),因此采用多種手段和方法對(duì)煤層氣(礦井瓦斯)進(jìn)行抽采可保障煤礦安全生產(chǎn)。此外,煤層甲烷的排放會(huì)造成的極為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題(方愛民等,2003),這與我國(guó)“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)相悖(趙路正等,2020)。因此開展煤層氣(礦井瓦斯)的勘探開發(fā)并加以有效利用對(duì)加強(qiáng)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、保障煤礦安全生產(chǎn)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有極為重要的意義。 煤層氣開發(fā)主要是采用一些技術(shù)手段和方法使煤層中主要以吸附態(tài)存在的甲烷氣體經(jīng)過(guò)解吸、擴(kuò)散、滲流,*終運(yùn)移至煤層氣井筒并抽采至地面的過(guò)程。煤中裂隙作為煤層氣的主要滲流通道,其發(fā)育特征(裂隙的密度、方向、連通性及礦物充填等)直接影響煤儲(chǔ)層的滲透性和煤礦瓦斯的抽采效果,對(duì)煤層氣開發(fā)中的井距和井向布置也起到?jīng)Q定性作用(Durucan and Edwards,1986;王生維等,2004;Paul and Chatterjee,2011)。此外,裂隙的廣泛發(fā)育極大地降低了煤柱的抗壓強(qiáng)度,造成煤柱支護(hù)能力顯著降低(Ting,1977)。因此,煤中裂隙發(fā)育特征研究對(duì)指導(dǎo)煤層氣勘探開發(fā)和煤礦安全生產(chǎn)意義重大(Gamson et al.,1993)。然而,我國(guó)煤炭資源地質(zhì)條件復(fù)雜、煤層氣開發(fā)地質(zhì)理論與技術(shù)研究相對(duì)薄弱,對(duì)于煤中裂隙發(fā)育特征及其影響因素的認(rèn)識(shí)仍然較為欠缺,難以有效指導(dǎo)煤層氣井布置和增透措施的實(shí)施,造成地面煤層氣井產(chǎn)量低、不穩(wěn)定,連續(xù)多年實(shí)際煤層氣產(chǎn)量與規(guī)劃目標(biāo)存在較大差距(郭威和潘繼平,2019)。因此針對(duì)不同煤層氣開發(fā)區(qū)塊煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育特征進(jìn)行研究,對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化煤層氣井布置方案、優(yōu)化煤儲(chǔ)層增透技術(shù),進(jìn)而合理高效地開發(fā)煤層氣具有重要的理論和實(shí)際意義。 1.2 煤中裂隙研究現(xiàn)狀 煤是由植物遺體在地質(zhì)埋藏過(guò)程中經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用而形成的一種非均質(zhì)性強(qiáng)的有機(jī)巖石,這種非均質(zhì)性不僅表現(xiàn)為各種形態(tài)和大小孔隙的發(fā)育,還表現(xiàn)為各種尺度裂隙的普遍發(fā)育。煤層中廣泛分布裂隙,這些裂隙對(duì)煤層的穩(wěn)定性、可采性和流體的滲流起著重要作用(Laubach et al.,1998)。 在煤炭資源開發(fā)的早期,露天礦的開發(fā)對(duì)技術(shù)要求較低,煤中裂隙對(duì)煤炭開發(fā)的影響可以忽略,因此煤中裂隙的研究未得到人們的關(guān)注。隨著煤礦井下開采的逐步進(jìn)行,出于井巷工程設(shè)計(jì)和施工的需要(Esterhuizen,1995;Molinda and Mark,1996),人們開始了對(duì)煤中裂隙的研究工作,但也由于涉及面較窄,有關(guān)煤中裂隙的研究進(jìn)展十分緩慢(蘇現(xiàn)波等,2002)。隨著更深、更復(fù)雜地質(zhì)條件下煤炭開發(fā)的進(jìn)行,煤與瓦斯突出、礦井突水等問(wèn)題日漸突出,作為流體運(yùn)移通道的裂隙不可避免地引起了人們的極大關(guān)注,有關(guān)裂隙的研究也逐漸增加,并涉及煤巖裂隙對(duì)地下煤礦的設(shè)計(jì)和安全的影響(Hanes and Shepherd,1981)、煤中裂隙和煤與瓦斯突出的關(guān)系(黃德生,1982;周世寧,1990)、裂隙與礦井突水及地下水富集的關(guān)系(李寶林等,1981)等方面。20世紀(jì)60年代,蘇聯(lián)學(xué)者Ammosov和Eremin(1963)所著的《煤中裂隙》出版,標(biāo)志著對(duì)煤中裂隙的研究在方法和理論上開始達(dá)到了相對(duì)成熟的階段。而后,煤中瓦斯(煤層氣)作為一種礦產(chǎn)資源被人們廣泛關(guān)注,煤層氣開發(fā)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展促使煤中裂隙的研究發(fā)生了質(zhì)的飛躍(王生維等,1995),自此涌現(xiàn)出大量關(guān)于煤中裂隙的研究成果(蘇現(xiàn)波等,2002),煤中裂隙的成因和發(fā)育特征的研究也日漸增多。 在裂隙研究之初,人們往往忽略了關(guān)于煤中裂隙特征和成因的研究,而更多地關(guān)注裂隙對(duì)煤礦開發(fā)所造成的影響(Laubach et al.,1998),隨著研究的進(jìn)行,裂隙成因的研究對(duì)判別煤巖形成環(huán)境、還原區(qū)域構(gòu)造歷史(陳建國(guó),1976)、進(jìn)行煤儲(chǔ)層可采性評(píng)價(jià)(王生維等,1996)等的重要意義被逐漸發(fā)現(xiàn),此后,關(guān)于裂隙成因的相關(guān)研究逐漸成為裂隙研究的重點(diǎn)之一。受研究目的、研究方法和研究區(qū)域等因素的限制,人們對(duì)裂隙成因的認(rèn)識(shí)存在較大差異,并形成了各種學(xué)說(shuō)。通常情況下,可將煤中裂隙的成因概括為凝膠化物質(zhì)收縮說(shuō)(Gresley,1892;Steeg,1942;Ting,1977;Spearsa and Caswell,1986;Daniels and Edwards,1990;Levine,1996;張勝利和李寶芳,1996;Harpalani and Chen,1997;Laubach et al.,1998;Su et al.,2001;畢建軍等,2001;張慧等,2002;鐘玲文,2004;Dawson and Esterle,2010;Kumar et al.,2011)、流體壓力說(shuō)(Secor,1965;Segall,1984;王生維等,1996;張勝利和李寶芳,1996;Pollard and Aydin,1998;Laubach et al.,1998;畢建軍等,2001;Su et al.,2001;鐘玲文,2004;Dawson and Esterle,2010)和有效地應(yīng)力說(shuō)(Steeg,1942;Price,1959;Ting,1977;Spearsa and Caswell,1986;Daniels and Altaner,1990;王生維等,1996;張勝利和李寶芳,1996;Laubach et al.,1998;Pollard and Aydin,1998;Su et al.,2001;畢建軍等,2001;張慧等,2002;鐘玲文,2004;Rippon et al.,2006;Dawson and Esterle,2010;Kumar et al.,2011;Paul and Chatterjee,2011)三種。結(jié)合上述假說(shuō),可以認(rèn)為煤中裂隙的形成是內(nèi)驅(qū)力和外應(yīng)力共同作用的結(jié)果。內(nèi)驅(qū)力為裂隙的形成提供了內(nèi)在動(dòng)力,從根本上為裂隙的產(chǎn)生提供了可能。以煤基質(zhì)為受力研究對(duì)象,煤中裂隙的內(nèi)驅(qū)力包括兩種:①煤化作用過(guò)程中受溫度、壓力的影響,煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列物理化學(xué)變化,基質(zhì)脫水、脫揮發(fā)分,從而導(dǎo)致體積均勻收縮而產(chǎn)生的內(nèi)張力;②煤中原有流體和煤化過(guò)程中產(chǎn)生但并未逸出的流體在煤體中不斷集聚,并受溫度、地應(yīng)力作用的影響而產(chǎn)生的局部流體高壓。外應(yīng)力作為裂隙(尤其是外生裂隙)發(fā)育特征的主要影響因素,與各裂隙參數(shù)和裂隙類型有著密切關(guān)聯(lián)。形成煤中裂隙的外應(yīng)力包括煤層的原始地應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力。當(dāng)作用于煤體上的原始地應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力之和大于煤體的強(qiáng)度時(shí),外生裂隙產(chǎn)生。應(yīng)力場(chǎng)的分布決定了裂隙的組合類型及裂隙走向。 基于不同的研究目的,對(duì)煤中裂隙進(jìn)行適當(dāng)劃分是十分必要的,有效的裂隙劃分方案對(duì)正確而全面地揭示煤巖裂隙發(fā)育特征具有重要意義。然而,目前對(duì)于煤儲(chǔ)層中的裂隙尚未形成統(tǒng)一的分類方案(表1-1)。一部分學(xué)者主要依據(jù)裂隙的成因和形態(tài)對(duì)裂隙進(jìn)行定性劃分,其中以Dron(1925)為代表的學(xué)者用割理這一術(shù)語(yǔ)來(lái)描述煤中裂隙(Laubach et al.,1991,1998;Kulander and Dean,1993),并將其劃分為面割理和端割理[圖1-1(a)];之后,張勝利(1995)將煤中割理進(jìn)一步劃分為巨割理、大割理、中割理、小割理、微割理等。Laubach等(1991)將煤中裂隙劃分為一級(jí)裂隙、二級(jí)裂隙、三級(jí)裂隙等[圖1-1(b)];李小彥(1998)將煤中裂隙劃分為主裂隙和次裂隙。多位學(xué)者(楊起和韓德馨,1979;霍永忠和張愛云,1998;張慧等,2002)將按照裂隙的成因?qū)⒚褐辛严斗譃閮?nèi)生裂隙和外生裂隙兩大類,在此基礎(chǔ)上,蘇現(xiàn)波等(2002)按形態(tài)進(jìn)一步將煤中裂隙細(xì)分為7組17型(網(wǎng)狀、孤立狀、疊加型、羽狀、樹枝狀、鋸齒狀、疊瓦狀、階梯狀、X型、橋構(gòu)造、辮狀裂隙、褶劈理、流劈理等)。 在對(duì)煤中裂隙的定量分類方面,不同學(xué)者的分類方法也不同。通常情況下可將煤中裂隙分為宏觀裂隙和微觀裂隙。其中宏觀裂隙可用肉眼或放大鏡進(jìn)行觀測(cè),微觀裂隙需要在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀測(cè)。此外,根據(jù)裂隙寬度大小,Zhang Y H等(2016)認(rèn)為,煤中的裂隙可以分為微裂隙(寬度≤20μm)和大裂隙(寬度>20μm)兩類。微裂隙這一術(shù)語(yǔ),*早由Simmons和Richter(1976)提出,他們將其定義為出現(xiàn)在巖石中的具有一個(gè)或者兩個(gè)尺度明顯小于第三個(gè)尺度并且寬長(zhǎng)比小于0.01的張開裂隙;Shepherd等(1981)將微裂隙定義為寬度小于1μm的裂隙;Gamson等(1993)認(rèn)為,煤中的微裂隙是指在手標(biāo)本中不可見的,且寬度為微米級(jí)的,并與煤中割理不同的一類裂隙;Li等(2015)提出,宏觀裂隙是那些用肉眼可以看見的裂隙,而把那些需要借助顯微鏡才能觀測(cè)到的裂隙稱為微裂隙。在此基礎(chǔ)上,Vandersteen等(2003)將煤中的微裂隙進(jìn)一步劃分為小微裂隙(寬度≤0.15mm)和大微裂隙(寬度>0.15mm)。然而,Chen等(2015)認(rèn)為,上述分類方法仍然不夠具體,因此,他們根據(jù)微裂隙的長(zhǎng)度、寬度和連通性情況將煤中的微裂隙分為四種類型:A型(寬度≥5μm,長(zhǎng)度>10mm)、B型(寬度≥5μm,1mm<長(zhǎng)度≤10mm)、C型(寬度<5μm,300μm<長(zhǎng)度≤1mm)和D型(寬度<5μm,長(zhǎng)度≤300μm)。 圖1-1 煤中裂隙的形態(tài)示意圖(據(jù)Laubach et al.,1991) 次生裂隙 煤中裂隙的研究方法經(jīng)歷了一個(gè)從宏觀到微觀、從定性分析到定量評(píng)價(jià)的過(guò)程。大體而言,煤中裂隙的研究方法包括直接觀察法(肉眼直接觀測(cè)、體視顯微鏡觀測(cè)、偏光顯微鏡觀測(cè)、掃描電子顯微鏡觀測(cè)等)(Karacan and Okandan,2000;張素新和肖紅艷,2000;姚艷斌等,2006)、X射線CT掃描技術(shù)(Karacan and Okandan,2000;白斌等,2013;Shi et al.,2018)和聲波測(cè)試方法(Boadu,1997;Giovanni and Lara,2006;Yoshitaka et al.,2011)等。其中直接觀察法主要用于觀測(cè)煤樣表面的裂隙,即裂隙的平面形態(tài),不能實(shí)現(xiàn)對(duì)裂隙的立體形態(tài)和空間分布特征的觀測(cè)(Liu et al.,2011)。X射線CT掃描技術(shù)被證明是無(wú)損全面地了解裂隙空間分布特征的有效手段之一(Yao et al.,2009;Bera et al.,2011;Ramandi et al.,2016;Shi et al.,2018),但是受限于實(shí)驗(yàn)選用的樣品較小,僅能實(shí)現(xiàn)微米和納米級(jí)別裂隙的觀測(cè)工作。波速測(cè)試技術(shù)作為一種無(wú)損分析方法,近年來(lái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)工程研究(Nelson,2000;Ghorbani et al.,2009;Kassab and Weller,2011;Cardarelli et al.,2014)。研究表明,當(dāng)縱波傳播方向平行于裂隙的延伸方向時(shí),裂隙對(duì)波速產(chǎn)生的影響極小,而當(dāng)縱波垂直于裂隙延伸方向傳播時(shí),裂隙對(duì)波速產(chǎn)生的影響極大(Holt,1997);且縱波速度與裂隙的密度有線性或非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,另外,隨著孔隙度的增大,縱波速度具有冪函數(shù)關(guān)系減小的趨勢(shì)。顯然,縱波速度與煤中裂隙延伸方向(Zhang et al.,2009)、密度和孔隙度等具有較
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