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注热过程中高温蒸汽渗流与煤体热应变动态演化规律
1
作者
李志强
张宁超
+4 位作者
陈金生
陈立伟
冯文祥
刘龙威
王云刚
《煤田地质与勘探》
北大核心
2025年第5期93-103,共11页
【背景】高温蒸汽热激励煤层是一种极具前景的增产瓦斯技术方法,蒸汽渗透率是表征热流体注入能力的关键参数。然而,蒸汽在煤中的渗流规律及其演化机理目前依然未知,探索上述问题对注热增产瓦斯工程具有重要的科学意义。【方法】采用稳...
【背景】高温蒸汽热激励煤层是一种极具前景的增产瓦斯技术方法,蒸汽渗透率是表征热流体注入能力的关键参数。然而,蒸汽在煤中的渗流规律及其演化机理目前依然未知,探索上述问题对注热增产瓦斯工程具有重要的科学意义。【方法】采用稳态法进行了煤中注入高温蒸汽的渗流与热应变实验,研究了蒸汽渗透率和煤体热应变随时间的动态变化规律。采用Kelvin毛细凝聚理论、段塞流理论和热应力理论,分别分析了蒸汽在煤中的冷凝相变、脉动渗流和煤体热应变变化机制。【结果】高温蒸汽注入煤体过程中,随注热时间延长,蒸汽液测渗透率呈间歇性脉动规律。随蒸汽温度升高,脉动峰值降低,周期缩短,脉动更加剧烈。注热过程中,煤体径向、体积应变呈2~3段阶段式膨胀变化。蒸汽温度较低时,轴向应变为压缩应变,而温度较高时,转为膨胀应变。【结论】蒸汽在煤体微孔隙中的平衡压力小于大空间中的饱和蒸汽压,孔径越小,蒸汽冷凝所需压力越低,也越容易冷凝相变。蒸汽在煤体中产生的气液段塞流是造成其渗透率间歇性脉动的主要原因。此外,高温蒸汽对煤体渗透率还叠加了内外膨胀影响效应,导致大孔渗透率降低,基质小孔渗透率增大。蒸汽注入过程中,前期的快速膨胀应变,主要由孔隙压力控制,中后期的缓慢膨胀应变,主要由升温引起的热应变控制。研究结果为蒸汽热采瓦斯工程和数值模拟提供了事实依据和理论参考。
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关键词
瓦斯
蒸汽
温度
两相渗流
热应变
注热
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职称材料
煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验-模型-机理及意义
被引量：
4
2
作者
李志强
陈金生
+1 位作者
李林
彭建松
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2023年第4期1551-1566,共16页
多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一,已拓展到自然科学与工程技术的众多领域,作为多尺度科学的一个分支,煤岩渗流力学亦存在自身的多尺度科学问题。煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍之巨,这...
多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一,已拓展到自然科学与工程技术的众多领域,作为多尺度科学的一个分支,煤岩渗流力学亦存在自身的多尺度科学问题。煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍之巨,这使得煤体渗透率也呈现出百万量级的空间与时间多尺度特征。因而,煤体多尺度渗透率研究既是煤岩渗流力学的学科内涵问题,亦是瓦斯抽采亟需的工程外延问题。采用柱状原煤煤心开展了无应力和三轴应力下CH4/He的非稳态扩散-渗流实验和三轴应力下稳态渗流实验。实验结果表明:柱状煤心的表观扩散系数随时间延长而动态衰减,并呈现出2类时间多尺度特征,一种为连续光滑的动态衰减特征,一种为两阶段阶跃式动态衰减特征。导出了动态表观扩散数学模型,该模型能较准确描述柱状煤心中气体(CH4/He)非稳态流动全过程。提出了多管串联多尺度孔隙结构物理模型和数学模型,采用压汞孔径数据验证了串联多尺度孔径模型,并据此给出了串联多尺度渗透率的数学证明。以努森数(Kn)为标准,划分了连续流-滑移流-过渡流-自由分子流等流域,以串联多尺度孔径为关联纽带,建立了考虑有效应力和流态的多尺度渗透率模型。研究结果揭示了煤层瓦斯串联多尺度渗流机理,即煤体微纳米孔径及其串联级数是影响多尺度渗透率的决定性因素,可测孔径范围内多尺度效应影响程度可达数万量级。流动初期,气体首先从外层大孔裂隙中流出,流动后期,逐渐从微小孔隙中流出,直至深达纳米级孔隙。随着时间延长,串联孔隙级数逐渐增长,等效孔径逐渐减小,其量级接近于最小孔径,进而使得等效渗透率随时间延长而急速衰减,渗透率的时间多尺度动态衰减特征是空间多尺度的外在反映。气体流动后期,努森数增大,滑移-过渡流态效应超过有效应力效应,并占据主导作用。瓦斯串联多尺度渗透率的实验发现和模型构建,解决了当前多尺度渗流缺乏实验的问题,弥补了单管理论的缺陷,表观意义上实现了扩散与渗流的统一,实现了多尺度渗透率的微观区分与宏观联合。
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关键词
多尺度
动态
渗透率
扩散
微纳米孔
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职称材料
题名
注热过程中高温蒸汽渗流与煤体热应变动态演化规律
1
作者
李志强
张宁超
陈金生
陈立伟
冯文祥
刘龙威
王云刚
机构
河南
理
工
大学
安全
科学与
工
程学院
河南
理
工
大学
煤矿
灾害预防与抢险救灾教育
部
工
程研究
中心
河南理工大学煤矿安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心
河南
理
工
大学
河南
省
瓦斯地质与瓦斯治
理
重点实验室-
省
部
共建
国家重点实验室培育基地
郑州煤炭
工
业集团东坪
煤矿
有限责任公司
出处
《煤田地质与勘探》
北大核心
2025年第5期93-103,共11页
基金
国家自然科学基金项目(52304213)
河南理工大学“双一流”学科创建工程项目(AQ20250702)。
文摘
【背景】高温蒸汽热激励煤层是一种极具前景的增产瓦斯技术方法,蒸汽渗透率是表征热流体注入能力的关键参数。然而,蒸汽在煤中的渗流规律及其演化机理目前依然未知,探索上述问题对注热增产瓦斯工程具有重要的科学意义。【方法】采用稳态法进行了煤中注入高温蒸汽的渗流与热应变实验,研究了蒸汽渗透率和煤体热应变随时间的动态变化规律。采用Kelvin毛细凝聚理论、段塞流理论和热应力理论,分别分析了蒸汽在煤中的冷凝相变、脉动渗流和煤体热应变变化机制。【结果】高温蒸汽注入煤体过程中,随注热时间延长,蒸汽液测渗透率呈间歇性脉动规律。随蒸汽温度升高,脉动峰值降低,周期缩短,脉动更加剧烈。注热过程中,煤体径向、体积应变呈2~3段阶段式膨胀变化。蒸汽温度较低时,轴向应变为压缩应变,而温度较高时,转为膨胀应变。【结论】蒸汽在煤体微孔隙中的平衡压力小于大空间中的饱和蒸汽压,孔径越小,蒸汽冷凝所需压力越低,也越容易冷凝相变。蒸汽在煤体中产生的气液段塞流是造成其渗透率间歇性脉动的主要原因。此外,高温蒸汽对煤体渗透率还叠加了内外膨胀影响效应,导致大孔渗透率降低,基质小孔渗透率增大。蒸汽注入过程中,前期的快速膨胀应变,主要由孔隙压力控制,中后期的缓慢膨胀应变,主要由升温引起的热应变控制。研究结果为蒸汽热采瓦斯工程和数值模拟提供了事实依据和理论参考。
关键词
瓦斯
蒸汽
温度
两相渗流
热应变
注热
Keywords
gas
steam
temperature
two-phase seepage
thermal strain
heat injection
分类号
TD712 [矿业工程—矿井通风与安全]
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职称材料
题名
煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验-模型-机理及意义
被引量：
4
2
作者
李志强
陈金生
李林
彭建松
机构
河南
理
工
大学
煤矿
灾害预防与抢险救灾教育
部
工
程研究
中心
河南理工大学煤矿安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心
河南
理
工
大学
中原经济区煤层/页岩气
河南
省
协同
创新
中心
河南
理
工
大学
河南
省
瓦斯地质与瓦斯治
理
重点实验室−
省
部
共建
国家重点实验室培育基地
出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2023年第4期1551-1566,共16页
基金
国家自然科学基金资助项目(52174173)
河南理工大学博士基金资助项目(B2018b258,B2021b27)。
文摘
多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一,已拓展到自然科学与工程技术的众多领域,作为多尺度科学的一个分支,煤岩渗流力学亦存在自身的多尺度科学问题。煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍之巨,这使得煤体渗透率也呈现出百万量级的空间与时间多尺度特征。因而,煤体多尺度渗透率研究既是煤岩渗流力学的学科内涵问题,亦是瓦斯抽采亟需的工程外延问题。采用柱状原煤煤心开展了无应力和三轴应力下CH4/He的非稳态扩散-渗流实验和三轴应力下稳态渗流实验。实验结果表明:柱状煤心的表观扩散系数随时间延长而动态衰减,并呈现出2类时间多尺度特征,一种为连续光滑的动态衰减特征,一种为两阶段阶跃式动态衰减特征。导出了动态表观扩散数学模型,该模型能较准确描述柱状煤心中气体(CH4/He)非稳态流动全过程。提出了多管串联多尺度孔隙结构物理模型和数学模型,采用压汞孔径数据验证了串联多尺度孔径模型,并据此给出了串联多尺度渗透率的数学证明。以努森数(Kn)为标准,划分了连续流-滑移流-过渡流-自由分子流等流域,以串联多尺度孔径为关联纽带,建立了考虑有效应力和流态的多尺度渗透率模型。研究结果揭示了煤层瓦斯串联多尺度渗流机理,即煤体微纳米孔径及其串联级数是影响多尺度渗透率的决定性因素,可测孔径范围内多尺度效应影响程度可达数万量级。流动初期,气体首先从外层大孔裂隙中流出,流动后期,逐渐从微小孔隙中流出,直至深达纳米级孔隙。随着时间延长,串联孔隙级数逐渐增长,等效孔径逐渐减小,其量级接近于最小孔径,进而使得等效渗透率随时间延长而急速衰减,渗透率的时间多尺度动态衰减特征是空间多尺度的外在反映。气体流动后期,努森数增大,滑移-过渡流态效应超过有效应力效应,并占据主导作用。瓦斯串联多尺度渗透率的实验发现和模型构建,解决了当前多尺度渗流缺乏实验的问题,弥补了单管理论的缺陷,表观意义上实现了扩散与渗流的统一,实现了多尺度渗透率的微观区分与宏观联合。
关键词
多尺度
动态
渗透率
扩散
微纳米孔
Keywords
multiscale
dynamic
permeability
diffusion
micro-nano pore
分类号
TD713.2 [矿业工程—矿井通风与安全]
P618.11 [天文地球—矿床学]
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作者
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被引量
操作
1
注热过程中高温蒸汽渗流与煤体热应变动态演化规律
李志强
张宁超
陈金生
陈立伟
冯文祥
刘龙威
王云刚
《煤田地质与勘探》
北大核心
2025
0
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职称材料
2
煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验-模型-机理及意义
李志强
陈金生
李林
彭建松
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2023
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