我国注气驱替煤层瓦斯技术应用现状与展望

注气驱替煤层瓦斯技术的应用可以显著提高煤层瓦斯采收率,并具有环保性。基于国内外注气驱替煤层瓦斯发展状况及主要机理,从注气位置(地面和地下)、注气模式(自然涌出、负压抽采、只注不抽、边注边抽和间歇注气等)和注入气体种类(纯CO_2、纯N_2和混合气体等)等三个方面对比分析了我国注气驱替煤层瓦斯技术的应用现状。最后,结合注气驱替煤层瓦斯现阶段的发展现状,从低煤阶煤层气注气技术、多储层联合开采注气技术、深部煤层气注气技术、新型气体注气技术和多措施联合注气技术等五个方面对注气驱替煤层瓦斯技术进行了展望。     

二氧化碳驱替煤层甲烷的试验研究

煤层甲烷的持续抽采会导致煤层甲烷压力的下降。向煤层中注入二氧化碳,可以提高煤层孔隙压力,驱替煤层甲烷。为研究二氧化碳驱替煤层甲烷的可行性,在实验室进行了二氧化碳驱替煤层甲烷的研究。通过研究发现,驱替排采的甲烷产出率明显优于自然排采。因此,可以采用二氧化碳驱替煤层甲烷的方法提高甲烷抽采率。驱替排采对完整煤样和破碎煤样甲烷产出效率的影响不同,破碎煤样的驱替速度较快,而完整煤样的驱替效率较高。因此,在利用二氧化碳驱替不同煤体的甲烷时,要选择合理的驱替方案。     

注水驱替促抽技术在治理低渗透煤层瓦斯的应用

为了解决单一低渗透煤层瓦斯抽采技术难度大,抽采成本高的问题,以夏店煤矿3116工作面低渗透3~#煤层瓦斯抽采为试验对象,提出注-抽钻孔间隔布置的高压注水驱替促抽治理瓦斯技术。试验结果表明,注水时,相邻抽采钻孔煤层瓦斯流量和瓦斯浓度均显著增加,注水后,一定时间相邻钻孔瓦斯流量和瓦斯浓度持续增加,注水驱替促抽瓦斯持续周期为10 d左右。     

注气驱替煤层甲烷的有效影响半径研究

为了确定井下煤层注气有效影响半径,以煤层瓦斯渗流理论、瓦斯扩散理论、多元气体竞争吸附、能量守恒以及理想气体状态方程为基础,以钻孔周围煤体瓦斯流动场为研究对象,建立了井下注气驱替煤层甲烷的数学模型,并以石港煤矿的实测参数为计算依据,利用Comsol软件对抽采钻孔在不同注气时间、不同注气压力下瓦斯流动进行了数值模拟,发现注气有效影响半径随注气时间和注气压力的增大而增大,为现场注气提供依据。     

低渗透煤层注水驱替促抽治理瓦斯技术

为解决单一低渗透煤层瓦斯抽采技术难度大、抽采成本高等问题,以夏店煤矿3116工作面低渗透3~#煤层瓦斯抽采为工程背景,提出注—抽钻孔间隔布置高压注水驱替促抽治理瓦斯技术。通过注水孔和抽采孔间隔布置,利用高压水对煤层瓦斯的驱替作用和水对瓦斯的置换解吸作用,提高相邻抽采孔的瓦斯浓度和瓦斯流量,通过试验结果可知:注水时相邻抽采钻孔煤层瓦斯流量和瓦斯浓度均显著增加,注水后一定时间相邻钻孔瓦斯流量和瓦斯浓度持续增加,注水驱替促抽瓦斯持续周期为10d左右。     

小庄煤矿液态二氧化碳驱替技术研究与应用

煤层瓦斯抽采效率不足是高瓦斯及突出矿井采掘接续困难和瓦斯事故频发的主要原因,为了提高煤层采前瓦斯预抽效率,降低矿井瓦斯灾害治理成本,基于液态二氧化碳对煤层进行低温致裂增透和对煤层瓦斯进行相变交换置换驱替的两方面影响,针对彬长小庄煤矿低透气性、瓦斯难以抽采的问题,以40205工作面为研究对象,通过对其进行液态二氧化碳驱替煤层气技术深入分析和工程应用,分析了现场抽采效果。现场应用表明,驱替后的钻孔内瓦斯浓度平均增加1.425倍,纯量平均增加1.33倍,瓦斯抽采效率明显提升。该结果初步证实了液态二氧化碳驱替技术的适用性,为煤矿瓦斯抽采提供了一定的技术支撑。     

驱替置换煤层甲烷的注气影响半径及其在不同方向上的差异性

注气置换驱替煤层甲烷是煤层强化预抽的一种新理念,并在阳泉矿区试验成功。采用实测法测定了石港煤矿15#煤层注气驱替置换煤层甲烷影响半径,发现注气影响半径在煤层的层理方向和垂直层理方向上存在差异性,并对此进行了分析,提出布孔建议以避免驱替置换盲区,更好地实现煤层消突。     

注气驱替煤层瓦斯时效特性影响因素分析

为了分析注气驱替煤层瓦斯时效特性的影响因素,建立了注N2驱替煤层瓦斯的数学模型,采用COMSOL Multiphysics软件模拟了注气压力、抽采负压和注气时间对注气驱替煤层瓦斯时效特性的影响,研究了不同条件下煤层瓦斯含量和消突周期的变化规律,结果表明:注气压力越大,瓦斯含量下降越快,消突周期越短,合理的注气压力为0.5 MPa;抽采负压对其时效特性的影响不大,合理的抽采负压为5～13 kPa;煤层瓦斯含量随着注气时间的增加逐渐下降,注气孔附近为注气驱替煤层瓦斯的薄弱区域.在石港公司进行注气驱替煤层瓦斯现场试验,通过与数值模拟结果的对比得出:在相同的条件下,实测的瓦斯含量总是略小于模拟结果,并对造成这种差异性的原因进行了分析.     

我国低渗煤层井下注气驱替增流抽采瓦斯技术进展及前景展望

我国大部分矿区煤层渗透率较低，注气驱替增流抽采瓦斯技术是提高低渗煤层瓦斯抽采效率的有效方法之一。分类梳理了我国低渗煤层瓦斯赋存特征，总结概括出高资源储量、低含气饱和度、多储层压力并存、低渗透性和复杂分区性5个特点。利用差异置信法、灰色关联法、置信区间计算法，分析了我国煤层瓦斯对井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的适用性，获得6个影响注气驱替瓦斯效果的直接因素，影响度依次为：煤体普氏系数>瓦斯压力>渗透率>灰分>瓦斯含量>朗格缪尔压力常数；建立了适用于井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的煤层参数筛选评价方法。根据注气驱替煤体瓦斯增流机制的不同，从气体因素、注能改性两方面厘清了注气驱替煤体瓦斯增流机制，气体因素增流机制包括：充能携载、分压促解、稀释促扩散、竞争吸附；注能改性增流机制包括：充能扩孔、促解扩孔、充能拓孔、脉冲气流损伤孔隙结构/展布裂隙网络。总结了注气驱替气源、工艺参数对瓦斯驱替效果的影响规律，简要介绍了井下注气驱替增流抽采瓦斯关键技术与装备、应用模式及应用效果。展望了我国井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的未来发展趋势，具体包括：多学科深化注气驱替增流抽采瓦斯理论、...     

低渗透煤层注水驱替促抽治理瓦斯技术

为解决单一低渗透煤层存在瓦斯抽采技术难度大、抽采成本高等问题,以夏店煤矿3116工作面低渗透3^#煤层瓦斯抽采为工程背景,研究提出了高压注水驱替促抽治理瓦斯技术。钻孔采用注-抽钻孔间隔布置,利用高压水对煤层瓦斯的驱替作用和水对瓦斯的置换解吸作用,达到提高相邻抽采孔的瓦斯浓度和瓦斯流量的目的。     

注水驱替促抽治理瓦斯技术在低渗透煤层中的应用

为解决单一低渗透煤层瓦斯抽采技术难度大、抽采成本高等问题,以夏庄煤矿3116工作面低渗透3~#煤层瓦斯抽采为背景,提出注-抽钻孔间隔布置高压注水驱替促抽治理瓦斯技术。通过注水孔和抽采孔间隔布置,利用高压水对煤层瓦斯的驱替作用和水对瓦斯的置换解吸作用,提高相邻抽采孔的瓦斯体积分数和瓦斯流量。通过试验可知:注水时相邻抽采钻孔煤层瓦斯流量和体积分数均显著增加,注水一定时间相邻钻孔瓦斯流量和体积分数持续增加,注水驱替促抽瓦斯持续周期为10 d左右。     

不同注氮压力置驱煤层甲烷试验中的机理分析

通过煤层注气物理模拟试验,对0.6、1.0、1.4 MPa压力下的注氮气置驱煤层甲烷的机理进行分析。结果表明:注气试验前期,氮气被煤体吸附并置换出煤中甲烷,随着氮气突破腔体,氮气的驱替作用也开始宏观表现出来,试验过程中的宏观现象表现出了注入氮气的置换、驱替作用。从微孔隙中甲烷的解吸角度来讲,注入氮气的稀释扩散作用也是注氮气置驱煤中甲烷的机理之一。通过对注氮气置驱甲烷的机理进行分析,总结出了注入弱吸附性气体置驱煤层甲烷的机理。     

注气驱替煤层气机理研究

从煤对气体的吸附理论出发，从而得出煤对不同气体吸附能力的强弱及注气驱替煤层气机理，从理论上阐述了注入氮气和二氧化碳提高煤层气采收率的可行性。     

潞安低渗透性软煤层瓦斯驱替技术实践

介绍了国内外气体驱替煤层气的有关技术发展情况,分析了潞安矿业集团常村煤矿通过钻孔向煤层注入空气驱替煤层气的试验过程及效果。试验表明,钻孔瓦斯浓度提高58%,流量提高80%。     

注气驱替机理研究现状及展望

注气驱替因其安全环保性成为近年来解决低渗煤层瓦斯抽采问题的主要方法之一。将注气驱替机理总结为3种，即气体的置换作用、驱赶作用及支承作用，分析了注气压力、气体种类、温度等因素对3种作用的影响；认为在3种作用中驱赶作用起主导作用，主要通过压力势差来强化抽采，区别于其他压裂方式强化抽采。总结了目前注气驱替技术的研究进展，对相关重点和难点进行归纳，认为大多实验是以单变量研究为主，考虑复合影响因素共同作用的研究较少。最后在目前注气驱替技术的运用基础上，从液氮致裂—注气驱替联合增产技术、智能化注气驱替技术、高温气体注气驱替技术3个方面展望未来注气驱替技术的运用。     

注热CO_2驱替增产煤层气试验研究

当前煤变质程度高、割理不发育及煤储层压力低等因素严重制约着我国煤层气的开采与利用。为完善注CO_2驱替增产煤层气的基础理论研究,利用自主研发的煤层瓦斯驱替装置探讨了不同注气温度与注气压力条件下CO_2对煤层瓦斯驱替置换的效果,并分析了注气温度与压力对煤体的变形与渗透率的影响。研究发现:驱替气体注气压力与温度是影响CH_4产出率与CO_2储存量的关键因素,提高注气温度与注气压力能够在单位时间内驱替出更多的CH_4并存储更多的CO_2;注气压力由2 MPa增至4 MPa,CH_4产出率可提高6.7%~17.4%,CO_2储存量可提高78.60/%~99.7%;注气气体温度从28℃上升至60℃,CH4_产出率与CO_2储存量分别增加40.0%~43.8%和23.8%~38.4%,而驱替置换比降低8.4%~20.2%;驱替压力与温度的增加会使得煤体轴向应变增加98.1%和104.7%;常温注气试验后煤体渗透性下降37.1%~71.3%,提高驱替温度可使渗透率下降幅度降低19.8%~64.3%。     

注气驱替煤层气作用机理的探讨

阐述了煤对气体单分子层吸附与多分子层吸附理论，将煤层对不同气体吸附进行比较，得出煤对不同气体吸附能力强弱，并阐述了注气驱替煤层气作用原理及其优点，从而证明了注气驱替煤层气的可行性。     

高瓦斯煤层液态CO2驱替瓦斯工艺参数及效果

为了提高煤层采前瓦斯预抽效率,降低矿井瓦斯灾害治理成本,在彬长矿区孟村煤矿开展高瓦斯煤层注液态CO_2驱替瓦斯技术工业试验。研究了煤层注液态CO_2过程中工艺关键参数和CO_2在煤层中的有效影响半径,以期为工艺优化和技术推广提供依据。工业试验结果显示:煤层注液态CO_2过程中压力、流量、泵压等关键参数呈现波动特性,反映了煤层注液态CO_2过程中的动力学特征。通过液态CO_2压注过程中煤层CO_2浓度和温度的变化,可知工业试验过程中CO_2液相渗流半径达到5m,气相扩散半径为20m。相比原始煤层瓦斯抽采,液态CO_2驱替煤层瓦斯浓度提升3.61倍,流量提升6.79倍,瓦斯抽采效率提高,瓦斯抽采成本降低,为煤层瓦斯灾害的治理提供了技术借鉴。     

提高煤层气采收率途径的探讨

在概述国内外煤层气开发现状的基础上，着重介绍了水力压裂和注气驱替以提高煤层气采收率的新方法，对加快煤层气开发具有十分重要的现实意义。     

注二氧化碳驱替煤中甲烷实验研究

利用注CO2的方法可以有效驱替煤中CH4,提高CH4采抽率。为了研究驱替过程特征以及不同驱替压力和流量对驱替过程的影响,利用自制的驱替实验系统,在2.4、1.8、1.2、0.6 MPa等不同注气压力下分别进行了流量为15、10、5 mL/min的驱替实验。实验结果表明,驱替过程是由气体置换、携带、稀释等共同作用的结果。驱替过程初期,CH4组分浓度下降到30%～40%,表现为气流携带起主导作用,中期CH4组分浓度下降到5%～10%,表现为置换解吸起主导作用,后期CH4组分浓度下降到5%后趋于稳定,表现为气流稀释起主导作用。驱替流量变大,气体置换作用变弱,携带、稀释作用变强。驱替压力能有效影响驱替效果,压力越大,驱替效果越好。