注能(以CO_2为例)改性驱替开采CH_4理论与实验研究

在简述煤层气开采技术发展历程基础上,针对煤层气抽放开采率低的问题,提出了注能改性驱替开采煤层气技术,并从有效应力与热力学原理,能量平衡理论等方面进行了可行性分析。通过自主研发系列实验设备,对大尺寸、低渗透煤样进行了不同应力与温度条件下的渗透与驱替置换实验,揭示了注CO_2驱替开采煤层气的机理、规律与特征。研究结果表明:CO_2在煤体表面的吸附势大于CH_4,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热均强于CH_4,注能(CO_2)有助于煤层气采收率提高;在一定的约束应力条件下,注入压力升高,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热升高,同时作用在煤体上的有效应力降低,煤体的渗透性增强,CO_2驱替置换效果提高,反之,注入压力不变约束应力增大,有效应力增加,煤体渗透率降低,驱替置换效果变差;煤体对超临界态CO_2有很强的吸附性,在较大的有效应力和较低渗透率条件下,依然能保持较高的CO_2/CH_4置换率;提高注入CO_2温度,有助于部分吸附CH_4解吸,但同时煤体对CO_2吸附能力也减弱,导致CO_2/CH_4置换率有所降低。     

松散煤体注CO_2置驱CH_4效应实验研究

为了研究现场试验"液态CO_2致裂煤体-置驱瓦斯"过程中相变成气态CO_2气体置换与驱替煤体CH_4主要机理及其主导作用。利用自制实验装置,进行了不同实验条件下煤体注CO_2气体置驱瓦斯模拟实验。实验结果表明:在注气初期0~50 min,2种气体组分浓度迅速上升,此过程中置换效应明显;50~300 min,气体浓度变化逐渐趋于平稳,主要依据CO_2自身特性优势,将吸附在煤体吸附域中的CH_4气体驱替出来使其沿着煤体孔裂隙渗流扩散,这一过程中驱替效应占主导作用;300 min后处于置换与驱替效应相互作用的低效置驱阶段。     

CH_4、N_2、CO_2在煤中的解吸扩散特性研究

注气(N_2、CO_2)驱替技术越来越多地应用到煤层气的开发当中,气体在煤层中的扩散快慢直接影响驱替效果。为了解CH_4、N_2、CO_2在煤层中的解吸扩散特性,利用实验研究了不同压力、不同时间段内它们在煤中的扩散系数变化情况。结果表明:在不同时间段内,N_2、CH_4、CO_2在煤中的扩散系数都是随气体压力的增加略微降低,但降低不是很明显;在相同气体压力下,N_2、CH_4、CO_2在煤中的扩散系数都随时间的增加而减小,并且在相同气体压力下,CO_2在煤中的扩散系数最大,CH_4次之,N_2最小。     

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。     

注热CO2增产CH4过程数值模拟研究

通过建立二元气体扩散场—渗流场—传热场的耦合方程，利用COMSOL模拟了不同温度和压力下CO₂驱替CH₄过程中驱替效果、CO₂储存量、CH₄产量及煤体渗透率等的变化规律。结果表明：CO₂驱替作用会导致煤体部分区域出现CH₄压力上升高于原始储层压力的现象。随着驱替压力的增大，CO₂储存量与CH₄产量增加，当驱替压力由2 MPa增高到6 MPa时，驱替比由2.85增大到4.38。而当注入温度从20℃增高至100℃时，驱替比由4.38降低至4.34。在驱替开采过程中，驱替压力是影响驱替效果的主要因素。随着驱替的进行，CO₂影响范围逐渐增大。在CO₂影响区域，CO₂的注入对煤层渗透率影响较大，煤基质对CO₂的吸附使煤层渗透率迅速下降；而在CO₂未影响区域，煤体渗透率随着CH₄的解吸而增大。     

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%。     

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。     

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、...     

注气置换煤层瓦斯技术的气源优选分析

为了解决注气置换煤层瓦斯技术气源选择的问题,分析了注CO2和N2在置换煤层瓦斯机理方面的效果以及煤吸附2种气体后对煤体渗透率、突出危险性的影响。分析发现,虽然注入CO2置换煤层瓦斯的效果优于N2,但煤吸附CO2后会造成煤层膨胀变形、渗透率降低、突出危险性增大的现象,且CO2在瓦斯利用系统中会导致瓦斯失     

注气驱替提高煤层气采收率实验研究

通过进行单一组分N_2、CO_2以及不同比例混合气驱替的对比实验,探究不同气体、不同比例条件下的煤层气驱替规律。研究结果表明,N_2随驱替压力升高,驱替效率先增后减,置换效率越来越差,驱替渗透率越来越低,但仍高于原始煤岩渗透率;CO_2随驱替压力升高,驱替效率一直增加,置换效率变化不大,驱替渗透率先降后升,整体低于原始渗透率;混合气(CO_2∶N_2=1∶4)和混合气(CO_2∶N_2=1∶9)驱替规律接近于N_2,混合气(CO_2∶N_2=1∶1)驱替规律接近于CO_2;N_2恒压驱替优于间歇驱替,CO_2间歇驱替优于恒压驱替。     

超临界CO_2驱替煤层CH_4装置及试验研究

自主研发了MCQ-Ⅱ型大试件(100mm×100mm×200mm)超临界CO2驱替煤层CH4试验装置,该装置不仅能够保障试验过程中CO2始终处于超临界状态,而且可测量煤体吸附过程中的体积膨胀。借助本装置对同一温度不同体积应力条件下的超临界CO2的渗透性及其驱替CH4效果进行了试验研究。试验结果表明:在50℃、恒定体积应力为48~60MPa条件下,超临界CO2的渗透率与注入渗透压呈正相关关系,与体积应力呈负相关关系。超临界CO2在煤体中的渗透特性远远高于其在常态条件下的渗透性。试验同时发现,超临界CO2在煤体中的吸附量与孔隙压力及体积应力均呈正相关,在48和60MPa的体积应力下,单位体积的煤体分别可累计吸附10.82~17.52体积和16.12~20.40体积的CO2;试验还测得了不同条件下煤体吸附CH4、超临界CO2及超临界CO2驱替煤体CH4过程中,煤体体积膨胀百分比。在超临界CO2驱替CH4试验中,2号焦煤煤样试件中注入气体体积(包括CH4,CO2)均小于1号弱黏煤煤样,但是两煤样中的CO2/CH4置换比及CO2最终储存率相当,分别为4.01/4.16,20.05%/20.09%。     

甲烷及二氧化碳在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为

采用容量法确定吸附量的方法,基于Fick第二定律,在吸附平衡压力约为1.4 MPa,温度为35～65 ℃的实验条件下,研究了甲烷（CH4）和二氧化碳（CO 2）在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为。研究结果表明：Fick第二定律能够很好地描述CH 4及CO 2在不同煤阶煤内部的扩散行为;CH 4和CO 2有效扩散系数随着吸附温度的升高而增大,同时有效扩散系数和煤阶（利用镜质组最大反射率R o,max表征）之间呈现“U”形关系;相同条件下,同种煤样的CO 2有效扩散系数高于CH 4;CH 4和CO 2在不同煤阶煤内部的扩散主要受微孔内部的表面扩散控制。     

CO2置换CH4试验中煤体应变及渗透率的变化

为研究煤层注CO2置换CH4过程中煤体应变及渗透率的变化特征,采用沁水煤田屯留矿3号煤层圆柱体原煤试样,在不同围压(8～20 MPa)及注入压力(1～6 MPa)条件下,进行注CO2置换煤层CH4试验。研究表明：置换试验中,煤样的轴向、径向及体积应变随有效应力的增加呈指数关系降低,随围压的增加而降低;同时随围压的增加,相同压降范围内的轴向、径向、体积应变降幅呈增大趋势;且相同围压条件下,径向应变大于轴向应变。试验同时发现,同一围压下,受有效应力效应、基质收缩效应及滑脱效应等作用影响,煤体渗透率随着有效应力的增加呈现先降低后增加的变化关系;相同有效应力条件下,渗透率随着围压的增大而减小;且在试验压力范围内,有效应力增加后期渗透率相对初期提高了8.53%~22.45%。     

CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。渗流过程中保持温度和体积应力(30 ℃、33 MPa)恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:① He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力Symbol|@@2 MPa时滑脱效应对气测渗透率的影响要远远大于有效应力效应;② 在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大;③ 在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化;④ 随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。     

煤系地层注入CO2开采煤层气质交换的机理

论述了注CO2开采煤层气质交换机理和煤系地层封存CO2意义,建立了注CO2开采煤层气的物理数学模型。采用饱和食盐水集气方法测定了表征解吸阻力大小的综合参数--综合传质系数α随浓度、煤变质程度、放散时间的变化规律。试验结果表明：α随煤粒吸附基质浓度的增大而增大;变质程度相同时,CH4的α随时间的衰减较CO2的α随时间的衰减慢;基质浓度相同时,煤变质程度越高,α越小,且对不同变质程度的煤岩,CH4的α大于CO2的α,即不同变质程度的煤岩对CO2的吸附能力都大于CH4。说明注气增加储层压力促进气体解吸置换,各种煤岩对CH4的解吸量大于对CO2的解吸量这一现象与煤的变质程度无关。因此,在不同变质程度煤层,甚至煤系地层中,注气开采煤层气与储存CO2技术在理论上都是可行的。     

应力约束下储存CO2煤层膨胀变形特性实验研究

利用自主研发的MCQ-Ⅱ型煤层瓦斯驱替试验装置,对原煤大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)试件,进行了恒定温压(25 ℃,31 MPa)条件下CO2在贫煤、贫瘦煤和弱黏煤3种煤阶煤中的注入储存试验,对CO2注入储存过程中煤体膨胀变形特性进行了测量分析;并对小尺寸(6 mm×6 mm×6 mm)原煤试件通过CT扫描,研究了3种煤样的微观结构特征。主要结果为：对最小观测尺度为4.5 μm的CT重建图像,通过统计分析,发现贫煤孔隙率(4.67%)小于贫瘦煤孔隙率(5.39%)小于弱黏煤孔隙率(12.10%);在31 MPa体积应力约束条件下,持续12 h的CO2注入过程中,煤体膨胀变形受孔隙压力与CO2吸附变形的共同作用,且体积膨胀百分比与CO2注入储存量呈线性关系;在注入储存相同量气态CO2条件下,贫煤体积膨胀应变大于弱黏煤大于贫瘦煤;由于煤体层理性结构特征,弹性模量在垂直与平行层理2个方向上的差异性,煤体在垂直层理方向膨胀应变大于平行层理方向应变,且2个方向膨胀应变均与CO2储存量呈线性关系。     

不同阶煤超临界CO2驱替开采CH4试验研究

由于地质成因与孔裂隙结构的差异,不同阶煤的渗透性与驱替开采CH 4效果不同。为研究超临界CO 2在不同变质程度煤体中驱替开采CH 4的效果,利用尺寸为100 mm×100 mm×200 mm的原煤试件,在恒定的温压(50℃,25 MPa)条件下,以10 MPa超临界CO 2驱替压力对4种不同变质程度的煤(弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤)展开试验研究,结果表明:①不同煤阶煤体的孔隙形态与发育程度有较大差异,弱黏煤孔隙类型以墨水瓶型为主,无烟煤孔隙为狭缝型,而气煤与1/3焦煤则为楔形或平行板孔;对比孔隙比表面积,无烟煤与弱黏煤相对较高,分别为259.6510,154.0669 m 2/g,而气煤与1/3焦煤较低,分别为71.2359,41.4201 m 2/g;②煤渗透率受成矿地质环境和构造活动等导致的煤体结构、变质程度、裂隙发育程度、煤岩组成等多种因素的影响,在相同的有效应力下,4种测试煤样渗透率随变质程度升高而逐渐降低,驱替过程中CO 2注入量也随变质程度升高而降低,在25 MPa围压、10 MPa注入压力条件下,弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤的渗透率分别为4.58×10-18,2.75×10-18,0.91×10-18和0.05×10-18 m 2,驱替实验结束时,CO 2注入量分别为18.13,6.45,5.01和0.78 mol;③4种煤试件的CH 4产出率和CO 2储存量均表现为气煤>1/3焦煤>弱黏煤>无烟煤,孔隙以楔形或平行板孔为主、比表面积较低、渗透率中等的气煤与1/3焦煤驱替置换效果相对较好,反映了超临界CO 2驱替开采CH 4效果是不同变质程度煤孔隙形态、发育程度以及渗透率的综合表现。     

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。