不同變質程度煤高溫高壓條件下甲烷擴散動力學特性研究
發(fā)布時間：2021-07-10 06:06
本文針對深部煤層氣開發(fā)面臨的高溫、高地應力、高孔隙壓力等問題,從深部煤層的賦存條件出發(fā),通過針對性實驗裝置的開發(fā),系統(tǒng)開展了低變質程度的長焰煤、中等變質程度的氣煤、焦煤和高變質程度的無煙煤高溫高壓擴散特性實驗,研究了粒徑、氣體壓力、溫度、變質程度對甲烷擴散的影響,建立了煤粒甲烷高溫高壓擴散模型,并推導出新模型的簡化算法,進一步探討了煤粒甲烷擴散的控制機理。論文取得了以下主要研究成果:（1）四種煤樣在壓汞實驗低壓段和液氮吸附實驗高壓段均具有明顯的分形特征,分形維數(shù)隨著煤的變質程度的增高呈現(xiàn)先降低再升高的變化趨勢。（2）開發(fā)了一套高溫高壓甲烷擴散模擬測試裝置,實驗裝置最大可增壓至60MPa,最高溫度150℃,可對四個樣品同時測定。（3）高溫高壓甲烷擴散實驗結果表明,隨著煤樣粒徑的增加,甲烷擴散量、初始擴散速度和擴散系數(shù)均逐漸減小,并優(yōu)選出0.17-0.25mm為實驗合理粒徑;甲烷累計擴散量和擴散系數(shù)均隨著壓力的增加而增大,隨著溫度的增加也逐漸增大,煤樣初始擴散速度最大,擴散速度隨時間的延長逐漸降低,擴散速度與時間符合冪函數(shù)關系;煤的變質程度越高,在相同擴散時間內甲烷累積擴散量越大,擴散系數(shù)...
【文章來源】：中國礦業(yè)大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：172 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
不同變質程度煤的結構模型（楊濤，2014）
系數(shù)的不同。（a）孔隙的連通性分類 （b）孔隙的形狀分類圖1-3 煤的孔隙類型Figure 1-3 Types of pore in coal煤的孔隙結構是影響氣體擴散特性的重要因素。聶百勝等（2000）通過對顆粒煤中孔隙結構的分析，將氣體在多孔介質中的擴散分為晶體擴散、表面擴散及細孔擴散三種方式，根據諾森數(shù)（孔隙直徑和分子運動平均自由程的比值）的范圍又將細孔擴散劃分三種模式。在煤粒甲烷擴散的過程中，影響因素不斷發(fā)生變化，導致甲烷的擴散模式和擴散系數(shù)也隨之發(fā)生改變。Schueller（2001）通過實驗發(fā)現(xiàn)，超聲波可以影響多孔介質中氣體的擴散特性，并分析了溫度和氣體壓力對其的影響，得到氣體微觀結構等參數(shù)是控制宏觀擴散模式差異的根本。李小彥等（2004）研究認為，孔隙系統(tǒng)是為原生成因，其主要作用是把天然氣從微孔擴散到裂隙中；裂隙系統(tǒng)為后生成因
系的擴散模型對 4 種不同含水率煤樣擴散系數(shù)進行了計算，均得到擴散系數(shù)先快速降低而后緩慢降低，且隨著含水率的升高，擴散系數(shù)逐漸減小。圖1-4 水分阻塞孔喉示意圖Figure 1-4 Schematic diagram of pore throat blocked by Moisture1.2.4 煤中甲烷擴散物理模型研究根據研究需要國內外學者們做了大量的工作，提出并建立了多種煤粒甲烷擴散理論模型。目前所建的煤粒甲烷擴散物理模型主要是依據 Fick 定律，描述擴散過程的模型主要有單一孔隙擴散模型和雙孔隙擴散模型。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]2018年煤炭供需形勢分析及2019年展望[J]. 肖新建. 中國能源. 2019(02)
[2]高溫高壓下煤孔隙結構的變化對瓦斯吸附特性的影響[J]. 王玲玲,王兆豐,霍肖肖,劉勉. 中國安全生產科學技術. 2018(12)
[3]含水率對構造煤煤粒瓦斯擴散的影響研究[J]. 張慶浩,賈天讓,李松林,魏國營. 中國安全生產科學技術. 2018(08)
[4]顆粒煤甲烷吸附過程擴散特征[J]. 林晨,賈天讓,周市偉,張玉貴. 煤田地質與勘探. 2018(04)
[5]中國煤炭資源分布特征及其基礎性作用新思考[J]. 王海寧. 中國煤炭地質. 2018(07)
[6]全國煤層氣資源動態(tài)評價與可利用性分析[J]. 張道勇,朱杰,趙先良,高煖,庚勐,陳剛,焦健,劉思彤. 煤炭學報. 2018(06)
[7]頁巖對甲烷高溫高壓等溫吸附的熱力學特性[J]. 李希建,尹鑫,李維維,劉尚平,張培. 煤炭學報. 2018(S1)
[8]原生結構煤與構造煤孔隙結構與瓦斯擴散特性研究[J]. 胡彪,程遠平,王亮. 煤炭科學技術. 2018(03)
[9]不同條件煤粒瓦斯瞬時擴散系數(shù)變化特征試驗[J]. 史廣山,白鵬飛,張玉貴. 中國安全科學學報. 2017(08)
[10]不同溫壓下柱狀煤芯瓦斯吸附飽和度和進擴散時間的確定[J]. 李志強,成墻,段正鵬,宋黨育,溫志輝. 中國安全生產科學技術. 2017(07)
博士論文
[1]雙重孔隙煤體瓦斯多尺度流動機理及數(shù)值模擬[D]. 劉鵬.中國礦業(yè)大學(北京) 2018
[2]華北中南部中高煤級構造煤瓦斯擴散規(guī)律及控制機理研究[D]. 任建剛.河南理工大學 2016
[3]煤體瓦斯吸附解吸過程溫度變化實驗研究及機理分析[D]. 楊濤.中國礦業(yè)大學（北京） 2014
[4]顆粒煤瓦斯擴散時效特性研究[D]. 袁軍偉.中國礦業(yè)大學（北京） 2014
[5]煤層甲烷擴散物理模擬實驗及其機理研究[D]. 李冰.河南理工大學 2014
[6]高溫高壓三相介質煤吸附瓦斯機理與吸附模型[D]. 劉高峰.河南理工大學 2011
[7]煤粒瓦斯放散規(guī)律、機理與動力學模型研究[D]. 劉彥偉.河南理工大學 2011
[8]煤層注水抑制瓦斯解吸效應實驗研究與應用[D]. 肖知國.河南理工大學 2010
[9]煤層氣吸附解吸機理研究[D]. 馬東民.西安科技大學 2008
碩士論文
[1]宿東礦區(qū)構造煤分布規(guī)律及構造控制機理[D]. 朱冠宇.中國礦業(yè)大學 2017
[2]陜西省煤炭資源賦存規(guī)律及其信息管理系統(tǒng)研究[D]. 韋忙忙.西安科技大學 2016
[3]頁巖氣吸附的分子模擬及實驗研究[D]. 孟偉杰.西南石油大學 2016
[4]松遼盆地北部石炭—二疊系構造—熱演化史與生烴史的關系研究[D]. 史政.西北大學 2010
[5]甲烷在構造煤中吸附和擴散的分子模擬[D]. 荊雯.太原理工大學 2010
本文編號：3275344
【文章來源】：中國礦業(yè)大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：172 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
不同變質程度煤的結構模型（楊濤，2014）
系數(shù)的不同。（a）孔隙的連通性分類 （b）孔隙的形狀分類圖1-3 煤的孔隙類型Figure 1-3 Types of pore in coal煤的孔隙結構是影響氣體擴散特性的重要因素。聶百勝等（2000）通過對顆粒煤中孔隙結構的分析，將氣體在多孔介質中的擴散分為晶體擴散、表面擴散及細孔擴散三種方式，根據諾森數(shù)（孔隙直徑和分子運動平均自由程的比值）的范圍又將細孔擴散劃分三種模式。在煤粒甲烷擴散的過程中，影響因素不斷發(fā)生變化，導致甲烷的擴散模式和擴散系數(shù)也隨之發(fā)生改變。Schueller（2001）通過實驗發(fā)現(xiàn)，超聲波可以影響多孔介質中氣體的擴散特性，并分析了溫度和氣體壓力對其的影響，得到氣體微觀結構等參數(shù)是控制宏觀擴散模式差異的根本。李小彥等（2004）研究認為，孔隙系統(tǒng)是為原生成因，其主要作用是把天然氣從微孔擴散到裂隙中；裂隙系統(tǒng)為后生成因
系的擴散模型對 4 種不同含水率煤樣擴散系數(shù)進行了計算，均得到擴散系數(shù)先快速降低而后緩慢降低，且隨著含水率的升高，擴散系數(shù)逐漸減小。圖1-4 水分阻塞孔喉示意圖Figure 1-4 Schematic diagram of pore throat blocked by Moisture1.2.4 煤中甲烷擴散物理模型研究根據研究需要國內外學者們做了大量的工作，提出并建立了多種煤粒甲烷擴散理論模型。目前所建的煤粒甲烷擴散物理模型主要是依據 Fick 定律，描述擴散過程的模型主要有單一孔隙擴散模型和雙孔隙擴散模型。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]2018年煤炭供需形勢分析及2019年展望[J]. 肖新建. 中國能源. 2019(02)
[2]高溫高壓下煤孔隙結構的變化對瓦斯吸附特性的影響[J]. 王玲玲,王兆豐,霍肖肖,劉勉. 中國安全生產科學技術. 2018(12)
[3]含水率對構造煤煤粒瓦斯擴散的影響研究[J]. 張慶浩,賈天讓,李松林,魏國營. 中國安全生產科學技術. 2018(08)
[4]顆粒煤甲烷吸附過程擴散特征[J]. 林晨,賈天讓,周市偉,張玉貴. 煤田地質與勘探. 2018(04)
[5]中國煤炭資源分布特征及其基礎性作用新思考[J]. 王海寧. 中國煤炭地質. 2018(07)
[6]全國煤層氣資源動態(tài)評價與可利用性分析[J]. 張道勇,朱杰,趙先良,高煖,庚勐,陳剛,焦健,劉思彤. 煤炭學報. 2018(06)
[7]頁巖對甲烷高溫高壓等溫吸附的熱力學特性[J]. 李希建,尹鑫,李維維,劉尚平,張培. 煤炭學報. 2018(S1)
[8]原生結構煤與構造煤孔隙結構與瓦斯擴散特性研究[J]. 胡彪,程遠平,王亮. 煤炭科學技術. 2018(03)
[9]不同條件煤粒瓦斯瞬時擴散系數(shù)變化特征試驗[J]. 史廣山,白鵬飛,張玉貴. 中國安全科學學報. 2017(08)
[10]不同溫壓下柱狀煤芯瓦斯吸附飽和度和進擴散時間的確定[J]. 李志強,成墻,段正鵬,宋黨育,溫志輝. 中國安全生產科學技術. 2017(07)
博士論文
[1]雙重孔隙煤體瓦斯多尺度流動機理及數(shù)值模擬[D]. 劉鵬.中國礦業(yè)大學(北京) 2018
[2]華北中南部中高煤級構造煤瓦斯擴散規(guī)律及控制機理研究[D]. 任建剛.河南理工大學 2016
[3]煤體瓦斯吸附解吸過程溫度變化實驗研究及機理分析[D]. 楊濤.中國礦業(yè)大學（北京） 2014
[4]顆粒煤瓦斯擴散時效特性研究[D]. 袁軍偉.中國礦業(yè)大學（北京） 2014
[5]煤層甲烷擴散物理模擬實驗及其機理研究[D]. 李冰.河南理工大學 2014
[6]高溫高壓三相介質煤吸附瓦斯機理與吸附模型[D]. 劉高峰.河南理工大學 2011
[7]煤粒瓦斯放散規(guī)律、機理與動力學模型研究[D]. 劉彥偉.河南理工大學 2011
[8]煤層注水抑制瓦斯解吸效應實驗研究與應用[D]. 肖知國.河南理工大學 2010
[9]煤層氣吸附解吸機理研究[D]. 馬東民.西安科技大學 2008
碩士論文
[1]宿東礦區(qū)構造煤分布規(guī)律及構造控制機理[D]. 朱冠宇.中國礦業(yè)大學 2017
[2]陜西省煤炭資源賦存規(guī)律及其信息管理系統(tǒng)研究[D]. 韋忙忙.西安科技大學 2016
[3]頁巖氣吸附的分子模擬及實驗研究[D]. 孟偉杰.西南石油大學 2016
[4]松遼盆地北部石炭—二疊系構造—熱演化史與生烴史的關系研究[D]. 史政.西北大學 2010
[5]甲烷在構造煤中吸附和擴散的分子模擬[D]. 荊雯.太原理工大學 2010
本文編號：3275344
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