煤层处置二氧化碳模拟实验研究

为了研究CO2在煤层中的储存能力与置换驱替CH4特性,利用沁水煤田潞安矿区3号煤层大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)煤样,在确定应力约束条件下,开展了CO2在煤体中的吸附特性与其在含甲烷煤试样中的驱替实验,并对含甲烷煤和不含甲烷煤中CO2的储存特性做了对比分析。结果表明:在模拟真实地应力(围压=轴压=8 MPa)条件与0.5 MPa注入压力作用下,180min内试验煤样中储存CO2量达11.03 L,CO2在测试煤体中的渗透率随其吸附量的增加而减小;在既定的地应力条件和近于14.93 cm3/g煤层平均瓦斯含量条件下,当CO2注入压力由0.5 MPa提高到1.0 MPa时,CO2在试验煤体中的储存量可提高93.00%、储存率提高13.50%、相应CH4的解吸量提高了18.13%;在实验初期,CH4的解吸量高于CO2的吸附量,随注入过程的持续,煤体中CH4的解吸量逐渐趋于平缓且远小于CO2的吸附量;同等条件下,含CH4煤比不含CH4煤可多储存59.29%的CO2,储存率提高了12.51%。     

主动测压法测定煤层瓦斯压力中补偿气体的选择

为选择合适的气体作为主动测压法测定钻孔煤层瓦斯压力中的补偿气体,从煤对CH4、CO2和N2的吸附性研究入手,证实了煤层对CH4和N2的吸附-解吸是可逆的,而对CO2的吸附解吸是不可逆的,并分析了CO2作为补偿气体对CH4的吸附-解吸平衡产生的影响,最终提出了N2更适合作为补偿气体。通过现场实践表明：CO2作为补偿气体测得的瓦斯压力存在一定的误差,误差可达0.05～0.20 MPa,而N2作为补偿气体时误差较小,能够较准确测得煤层原始瓦斯压力。     

甲烷浓度对间接法测定煤层瓦斯含量的影响

大量实测资料表明煤层瓦斯的组分中,除CH4外尚含有一定比例的N2和CO2。在间接法测定煤层瓦斯含量时,由于使用的是煤对纯CH4吸附实验所测定的吸附常数,因此在瓦斯组分中CH4浓度较低的情况下,间接法计算的煤层瓦斯含量会出现一定误差,而且CH4浓度愈低造成的误差愈大。对多组分气体的吸附情况进行了讨论,并提出了校正吸附瓦斯总量的计算方法。     

碱金属对煤燃烧特性的影响及动力学分析

采用热重法研究了碱金属盐（K2CO3、NaCl）对煤粉燃烧特性的影响。升温速率为20 ℃/min,20%（体积比）的氧气（99999%）和氮气（99999%）混合气体作为气氛气体,气体流量为80 mL/min。实验结果表明：K2CO3、NaCl能够改善煤粉的燃烧性能,当K2CO3、NaCl负载量（煤）在低于52049 7 mg/g和8969 4 mg/g时,随着负载量的增加着火温度降低,与原煤相比最多降低60 ℃和32 ℃。K对挥发分的析出、着火以及固定碳的燃烧都具有催化作用,Na主要催化固定碳的燃烧。Na、K均可降低煤样高温燃烧区的表观活化能,提高燃烧反应速度。     

粉煤粒径对煤层瓦斯含量影响机制的研究

为了探讨煤层瓦斯含量对粉煤粒径变化的响应机制，选取阳泉13^#煤层的煤体并制备成0.17～0.28 mm、0.28～0.8 mm、0.8～1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～6 mm、6～10 mm 7种不同粒径的煤样，开展了不同粒径条件下煤等温瓦斯解吸/吸附试验，分析了粒径对煤层瓦斯含量的影响规律，构建了煤层瓦斯含量与平均粒径之间的数学模型。结果表明：煤层瓦斯含量随粒径的增加，呈现出先显著减小后又缓慢增加的趋势；煤层瓦斯含量在平均粒径为2.6 mm处，两侧增长趋势相反；平均粒径增大到6 mm时，煤层瓦斯含量增长缓慢趋于定值。确定了煤的极限粒径为6.8 mm;构建的煤层瓦斯含量和平均粒径数学模型能够准确预测不同粒径条件下煤层瓦斯含量，其绝对误差不超过3%。     

煤中二元气体竞争吸附与置换解吸的差异性及其置换规律

煤对气体的吸附有强弱之分,多元气体之间存在竞争吸附和置换解吸。他们之间会不会因为气体进入的先后顺序不同而产生差异呢?为此进行了煤对CH4-CO2混合气体的竞争吸附和CO2置换煤中CH4的置换吸附对比实验。实验表明,煤对CH4-CO2二元气体的竞争吸附与置换解吸结果是一致的,理论分析表明煤对气体的吸附解吸与气体进入煤体先后顺序和过程无关,只与吸附前后的状态有关。气体置换煤中CH4的规律为:混合气体中强吸附性气体含量越大,置换效率越高;置换压力越大置换效率越高。最后对煤层注气措施提出了建议:应先将煤层瓦斯压力降到安全范围再实施注气措施。     

煤层注氮模拟实验中的置换-驱替效应及其转化机制分析

为了研究注N_2促排煤层瓦斯过程中驱替和置换效应及其主导作用,利用自研的煤层注气实验装置,进行了单轴应力、分层预压成型条件下煤层注N_2促排瓦斯的模拟实验。实验结果表明:驱替和置换效应始终贯穿整个注气过程,共同作用将煤体中瓦斯排出。在注气初期14 min内,置换解吸效应起主导作用,注入的N_2由于被吸附或充填于煤层孔裂隙等自由空间而被全部滞留煤中,表现为出口并无N_2排出,而煤体中的CH_4则大量解吸排出。在14~200 min注气实验时间内,置换作用的主导地位将逐渐丧失,开始进入置换作用减弱和驱替作用增强的转换阶段;在注气时间大于400 min的后期,处于置换和驱替相互作用、彼此平衡的时期,但置驱总效率处于较低水平。根据注气400 min(6.67 h)后注气促排效率较低的实验结果,建议井下煤层注气时间控制在8 h工作制的一个小班以内为宜。     

注水对煤层吸附瓦斯解吸影响的试验研究

水力化措施在煤矿开采中广泛应用,为了研究注水对煤层瓦斯解吸的影响,采用高压吸附-注水-解吸测试装置对不同吸附平衡压力和水分条件下煤对瓦斯的置换解吸量、卸压解吸量及总瓦斯解吸量进行了测试计算。结果表明:注水过程中及注水一段时间内煤样罐瓦斯压力呈现出继续增高的趋势,说明注入的水置换出了煤体吸附的瓦斯,且水分越高,置换解吸量越大,测试的最大置换量可达11.88 mL/g;卸压后,注水煤样的瓦斯解吸量减小,且水分越大,瓦斯解吸量降幅越大,降幅最大值可达68.29%;注水后煤的总解吸量增大,说明注水对试验煤样的瓦斯解吸起促进作用。     

低渗透性煤层群邻近层瓦斯卸压抽采技术

在煤层群开采过程中,本煤层开采会使得工作面围岩应力重新分布,邻近煤层内赋存的吸附态瓦斯卸压解吸。同时岩层移动与破断在上覆煤岩层中形成采动裂隙,瓦斯大量涌入工作面。为了解决临近层瓦斯涌出造成的工作面瓦斯超限,通过研究上覆岩层破坏规律并结合工作面原有瓦斯抽放状况,对原有抽放钻孔参数进行优化,优化后钻孔瓦斯抽放浓度提高了21.2%,工作面风排瓦斯量降低了18.33%,安全性大大增加。     

北龙凤地面钻孔水力压裂预排本煤层瓦斯

我国从1971年引进水力压裂技术起,先后在山西阳泉、湖南里王庙等煤矿对煤层进行水力压裂预排煤层瓦斯,取得了初步效果。抚顺北龙凤地面钻孔水力压裂预排煤层瓦斯,是在总结上述两矿经验的基础上在辽河油田石油勘探局大力支持下与抚顺矿务局共同完成的。从1975年初到1976年9月完成了地面钻孔施工和水力压裂工艺。从1976年10月到1985年末,三个地面钻孔共预排瓦斯1600km~3。井下-400水平受压裂影响的三个回采工作面,从1984年3月到1987年6月进行回采,共涌出瓦斯8400km~3。其中地面4~#压裂钻孔经过9年预排瓦斯,排放率、排放半径分别达到38.76%和68m。取得较好效果。到目前为止我国煤矿共有四个矿井进行了地面钻孔水力压裂预排煤层瓦斯。初步规律是:煤层层理发达、硬度适中、透气性较好的煤层,经压裂后效果较好。     

注气提高煤层气采收率研究进展

煤层气将成为我国继煤炭和石油天然气之后的战略性接替能源，它的开发和利用既能解决我国天然气的不足，又能从根本上消除了煤炭开采中造成的瓦斯突出等灾害，还可以减少了大量瓦斯排放到大气中造成的环境污染以及改善我国的能源结构。论文详细阐述了煤层气赋存状态、煤层气吸附与解吸机理、煤层气开采基础与提高采收率方法，分析了注气增产法开发煤层气机理，指出了注气增产法开发煤层气的研究方向。     

基于地质分析和数值模拟的煤矿区煤层气规模开发可行性研究——以官寨井田为例

为了研究煤矿区煤层气规模开发的可行性,指导该技术在煤矿区煤层气资源开发以及瓦斯治理方面的应用,文章首先以地质条件分析为基础,对官寨矿区的煤层气资源进行了评价,结果显示井田内煤层气地质条件和储层条件均相对优越,不仅煤层气储量丰富,而且气成分以CH-4为主。然后利用储层模拟软件对单井产气量进行预测,结果显示气井产量较高,连续排采15年单井平均气产量为932.00 m3/d,4号和9号煤层瓦斯含量下降33.93%和33.33%。综合分析认为官寨井田煤层气规模开发具有较好的开发潜力和安全效益。所以将地质条件分析、资源潜力评价与产能预测相结合,是一套实用性较强的煤矿区煤层气规模开发可行性研究方法。     

煤层气产能影响因素及开发技术研究

煤储层中气体分子在承压状态下处于吸附-解吸的动态平衡,随着产层打开和压力降低,气体通过解吸、扩散、渗流产出,形成产能。笔者结合生产井数据,分析了渗透率、含气饱和度、临界解吸压力和压裂缝半长对产能的影响。中国煤层具有低压、低渗、低饱和度等特点,致使储层驱动能量不足,在自然条件下气体解吸、渗流困难,所以必须采用有效的开发增产技术。与常规天然气储层相比,煤层气储层更容易受到损害,在进行开发时采取欠平衡钻井、氮气泡沫压裂等储层保护增产技术对于单井产量的提高至关重要。各地区煤储层特征差异显著,在开发时要对不同的开发手段进行适用性与经济性研究。     

煤层气井水力压裂液氮伴注与CO2驱替技术研究

在我国煤层气的开发中普遍面临煤层具有的低压、低渗、低饱和度等自然属性问题,针对此问题,提出利用液态气体伴注辅助水力压裂改造煤层技术。文章阐述了液氮伴注技术提高煤层临界解吸压力机理和CO2驱替煤层甲烷机理,结合芦岭煤矿地面煤层气工业试验,进行了液氮伴注辅助水利压裂、液态CO2驱替煤层甲烷试验以及效果分析。结果表明:注入液氮后氮气分子会挤占煤层甲烷分子的空间,为甲烷气体提供外部能量,同时能够降低煤层甲烷分子分压,提高其临界解吸压力,促使煤层更快的解吸出甲烷气体,提高产气量,试验2号井,达到产气峰值3145.2m^3/d仅用190d,稳产期平均产气量为1400m^3/d;CO2具有的强吸附性能够与吸附态煤层甲烷发生置换作用,促使煤层甲烷更快的由吸附态变为游离态,实现煤层甲烷大量解吸的效果,同时CO2在等压条件下还能够降低游离甲烷分压,进一步提高产气量,试验3号井,实际/理论临界解吸压力比值为3.29,达到产气峰值3351.9m^3/d仅用了124d,稳产期平均产气量为800m^3/d。对比可知:液氮伴注技术优势明显,且在后续煤矿工作面回采过程中无新的CO2突出风险。     

河北省煤层气可采率研究

文章基于大量煤田地质勘探和煤层气试井成果,结合实验室测试资料,计算煤层气的解吸率、理论采收率和瓦斯抽采率,确定河北省煤层气可采系数,为本省煤层气可采资源量的计算提供了依据。     

煤层吸附气的全解吸过程及组分与碳同位素变化:基于热模拟实验结果

解吸法是测试煤层含气量、评价煤层气地球化学特征的常用方法,但由于存在一定数量的损失气,使得对煤层气的全解吸过程了解甚少,也难以评估损失气拟合计算的可靠性。利用自主研发的煤层气/页岩气生成与解吸实验装置,对一块煤岩样品(Ro=0. 84%)进行了模拟(模拟后样品Ro=1. 80%),精确测定了在设定条件下的损失气、解吸气与残留气的数量、成分与甲烷碳同位素,对比研究了USBM直线法和多项式回归法对损失气拟合计算的制约条件与可靠性,探讨了煤层气解吸过程中成分与甲烷碳同位素分馏的机理。结果表明:损失时间是影响损失气量估算结果可靠性的关键,当损失时间较短(0. 25 h),USBM直线法与多项式法估算的均损失气量较接近真实值;相比之下,多项式法的结果更为可靠。样品气体解吸过程存在成分与甲烷碳同位素分馏,表现为:气体干燥系数(C_1/C_(1-3))总体降低,甲烷碳同位素(δ~(13)C_1)逐渐变重。样品广泛发育纳米孔隙结构,在气体解吸过程中存在的解吸-扩散-运移分馏是导致气体组分和甲烷碳同位素分馏的重要原因。     

基于热力学方法的煤岩吸附变形模型

基于吸附过程的热动力学和能量守恒原理,建立了计算煤岩吸附气体引起的煤岩膨胀应变的理论模型,在获取煤岩对气体的吸附等温曲线的基础上,可通过模型得到煤岩吸附气体引起的吸附应变;利用已有的实验数据对模型的有效性进行了验证。结果表明,实验结果与模型预测的结果吻合较好,模型能够很好地描述煤岩吸附不同气体时产生的差异性膨胀现象;另外,模型可为预测CO₂注入煤层后煤基质收缩/膨胀效应对储层渗透率的影响提供指导。     

评价煤层吸附气解吸能力的生产数据系统分析新方法

主要考虑了煤层气开发过程中吸附气非稳态解吸的关键因素作用,建立了考虑吸附气非稳态解吸的煤层气直井的线性渗流模型,并通过全隐式有限差分方法求得了内边界定流量、外边界封闭渗流模型的数值解。通过数值结果分析主要表明了非稳态解吸系数会使得无因次瞬时井底压力与压力导数的双对数特征曲线在封闭边界控制的拟稳态流动段均出现下落趋势,两曲线间距离变宽,不再急剧上翘收敛为一条直线;这是由于吸附气解吸能及时补充到气藏,减缓了地层压力的降落;而井筒储集系数不影响由封闭边界控制、受吸附气解吸作用影响的拟稳态流动段;表皮因子影响拟稳态流动段无因次井底压力的变化,但不影响拟稳态流动段无因次井底压力导数的变化。该线性渗流模型仍满足Duhamel原理,生产数据分析时可利用反褶积技术手段,首先将按照拟压力定义线性化的变流量生产数据转化为单位流量下瞬时井底拟压力数据,然后基于所建渗流模型的数值解以及主要参数的敏感性影响分析结果,通过瞬时井底压力特征曲线拟合方法对反褶积处理后的归一化生产数据进行分析,可解释出表征煤层吸附气解吸能力的非稳态解吸系数、煤层渗透率、表皮因子、外边界半径等重要参数。由此建立了煤层气直井生产数据的特征曲线系统分析方法。最后,通过一口煤层气直井的实际生产数据分析验证了所提出的煤层气直井生产数据特征曲线分析方法的有效性和实用性;并采用解释参数数据进行模型计算,分析了吸附气解吸作用对煤层气井流量贡献的瞬时变化规律;还通过公式推导表明了当煤层中渗流到达稳态时,整个煤层吸附气解吸速度将等于煤层气井生产的流量。     

鄂尔多斯盆地东缘临兴区块深部关键煤储层参数识别

深部条件下煤储层关键参数的识别是煤层气开发评价的基础。基于鄂尔多斯东缘临兴区块深部煤层气勘探和测试研究结果显示:朗格缪尔体积随镜质组反射率的增大先增加后减小,朗格缪尔压力与镜质组反射率呈"U"型变化,两者均在2.5%Ro,max左右出现转折。采用非线性分析方法,基于实测含气饱和度与煤层埋深的关系,建立了含校正系数的深部煤层含气量计算模型。山西组4+5号煤层预测含气量6.7~22.1 m3/t;本溪组8+9号煤层含气量在12~20 m3/t,在平面上总体均呈东低西高展布。4+5号煤预测临界解吸压力介于1.03~9.40 MPa,临储比介于0.11~0.63,平均为0.33;8+9号煤预测临界解吸压力介于1.27~10.47 MPa,临储比介于0.12~0.64,平均0.334。在平面上,4+5号煤临界解吸压力与临储比均呈西高东低、西北部最高展布,而8+9号煤总体呈北高南低展布。     

晋城地区煤层甲烷碳同位素特征及成因探讨

对取自沁水盆地南部晋城地区的煤芯样中的解吸气进行了甲烷碳同位素测定.结果表明，随着解吸过程的进行，δ¹³C₁值逐渐变重，δ¹³C₁值和解吸时间呈对数关系，δ¹³C₁值变重趋势具有先快后慢的阶段性特点.取样条件和取样时间对煤层甲烷碳同位素值有较大影响，在某一个时间点所取气样的同位素值不一定代表该井原地气体的同位素值.在采样进行同位素测定时，煤样全部解吸气体的碳同位素的平均值才能代表该井煤层气的原地气同位素值.在实际操作中，可以用罐装煤样气体解吸半量时间点所取气样的同位素值来代表全部解吸气体的同位素平均值.与煤岩热模拟实验所得到的经验公式计算结果比较，晋城地区实测的煤层甲烷碳同位素值偏轻.晋城地区煤层甲烷碳同位素的组成特点受解吸-扩散-运移过程中发生的分馏效应以及其他多种因素的共同制约.