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。     

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.     

考虑流变特性的水力冲孔孔径变化规律及防堵孔技术

通过分析水力冲孔周围煤体的受力特征,建立了考虑煤的塑性软化和扩容特性的水力冲孔周围煤体黏弹塑性模型,分析了水力冲孔的卸压增透效果和孔径变化规律,制定了防止钻孔堵塞和注气驱替技术。研究结果表明：① 水力冲孔措施可以大幅度提高周围煤体的渗透率,冲煤量越多,水力冲孔的卸压范围越大,煤体的渗透率提高的幅度越大;② 由于煤的流变特性水力冲孔钻孔会产生缩孔现象,地应力越大,煤体强度越低,钻孔周围煤体的蠕变变形越剧烈,钻孔就越容易被堵塞,一旦抽采通道被堵塞,瓦斯抽采效果就会大幅度的降低;③ 采用下套管防堵孔技术,人工保留一条抽采通道,可长时间抽取高浓度瓦斯,抽采效果提高了2.7倍;④ 注气驱替与水力冲孔技术结合,单孔抽采纯量增加了8.1倍,可有效的提高瓦斯抽采效果。     

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。     

顺层水力导向压裂增透技术在低透气性松软煤层的应用研究

针对低渗高瓦斯松软煤层面临的瓦斯抽采率低的难题,提出运用顺层钻孔水力导向压裂增透技术改造煤层原始瓦斯赋存状态以提高瓦斯抽采率。理论分析了煤层水力压裂增透机理,并推导得出了距离水力压裂钻孔R处的煤体渗透率方程,分析发现压裂钻孔周围煤体渗透变化规律以及渗透率与压裂时间的关系。数值模拟研究得出常规顺层钻孔水力压裂增透半径为3 m,而运用水力割缝后进行导向水力压裂增透半径达到了6 m。现场试验表明,运用水力导向压裂增透技术能够有效提高低渗高瓦斯松软煤层的渗透性,从而提高本煤层瓦斯抽采效果。     

低渗煤层大直径钻孔瓦斯抽采参数优化研究

针对低渗煤层瓦斯抽采存在预抽难度大的问题,提出大直径钻孔预抽能够降低低渗煤层瓦斯含量的方法。但由于低渗煤层对气固耦合效应影响敏感,抽采中渗透率变化过程不明确,导致大直径钻孔抽采参数设计依据不足。首先分析了低渗煤体渗透率演化的主控因素,建立了煤层瓦斯运移理论模型,模拟研究了大直径钻孔不同工况下对低渗煤体的瓦斯抽采效果,对比分析不同孔径、负压、孔间距下煤层瓦斯渗流规律。结果表明钻孔孔径越大造成的煤体卸压区越大,瓦斯抽采量越高,瓦斯残余含量也越小,但抽采效果增加幅度逐渐降低。负压越大瓦斯抽采量越大,但差别较小,因此负压对提升抽采效率影响较小。受渗透率演化的影响,不同钻孔间距下瓦斯抽采总量差别较大,在间距为3 m时,40～120 d阶段内抽采量最高,后期抽采量缓慢下降。间距5 m时抽采总量最高,抽采范围内的瓦斯残余含量降低较多。现场优化抽采后的瓦斯抽采纯量与模拟结果一致,表明了研究结论可靠。该研究结果可为煤矿井下大直径钻孔瓦斯抽采参数设计提供理论依据与应用参考。     

煤矿井下水力压裂增透抽采机理及应用研究

通过借鉴地面水力压裂技术的成功模式,研究了煤矿井下水力压裂增透抽采机理,针对单一、低渗高突煤层的特点,研发了一套井下压裂增透抽采技术及装备,并进行了工业性试验。应用效果表明：通过井下对煤体进行水力压裂,中平能化十矿24110工作面煤层渗透率提高了800倍,单孔瓦斯抽放量提高了120倍;鹤壁六矿2115运输巷掘进期间水力压裂后突出危险性效检指标超标率显著下降,瓦斯体积分数普遍降到临界值0.8%以下,大幅降低了煤与瓦斯突出危险性。     

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%。     

穿层钻孔煤层段掏穴扩孔技术及应用

为提高低透气性煤层的预抽瓦斯效果,介绍了穿层钻孔煤层段掏穴扩孔卸压增透技术,运用数值模拟方法和现场实践相结合,分析了掏穴钻孔的增透增流机理。研究结果表明:对穿层钻孔煤层段掏穴扩孔后能排出大量煤体,钻孔周围煤体膨胀变形,煤体内地应力降低、裂隙增多、透气性大幅度提高,抽采影响半径可增大34.2%,瓦斯抽采浓度可提高2倍,瓦斯抽采纯流量可增大4-6倍。这一技术卸压增透效果明显,且施工简单,为矿井预抽煤层瓦斯提供了新途径。     

碎软低渗高突煤层井下长钻孔整体水力压裂增透工程实践

针对阳泉矿区碎软低渗高突煤层开展了井下长钻孔整体水力压裂增透技术的工程试验研究,工程实现了井下一次性整体压裂煤孔段长度达307 m,单孔注入水量达1 510 m3,最大注水压力达26.09 MPa。效果检测表明钻孔压裂影响半径最大达58 m,压裂后煤层透气性系数提高了2.67倍,百米钻孔瓦斯流量衰减系数降低了55%,230 d内钻孔日抽采纯甲烷1 395~2 810 m~3,平均2 173 m~3,钻孔累计抽采纯甲烷50.86×10~4m~3,抽采瓦斯浓度为49.38%~83.70%,平均64.31%。分析认为:水力压裂能改善煤层裂隙和孔隙的连通性、降低煤层有效应力、提高煤层渗透率,注水能促进煤层瓦斯从吸附态向游离态转化,是煤层压裂后钻孔高效抽采瓦斯的关键,依据填砂堵缝压裂技术原理提出了碎软低渗煤层长钻孔整体水力压裂煤层裂隙开启、扩展和延伸机制。工程试验成果及认识可为井下长钻孔整体水力压裂增透高效抽采瓦斯提供借鉴。     

低渗煤层“切槽-压裂”卸压增透技术研究

针对阳泉矿区煤层透气性低瓦斯难以抽采特点,研究提出了水力切槽及脉冲水力压裂相结合的新型煤层增透技术,该技术利用水力切割缝槽卸载钻孔周围应力并形成初始导向裂缝,采用定向脉动水力压裂致裂煤体,提高煤体渗透率和卸压增透范围,改变煤体应力场和瓦斯流动场。研究结果表明:切槽钻孔单孔瓦斯抽采累计混合量约是常规孔的10倍以上,单孔抽采混合量约是常规钻孔的20倍以上,钻孔瓦斯抽采最高浓度是常规组钻孔的2~3倍,有效提高阳泉矿区低渗煤层穿层钻孔瓦斯抽采能力,达到煤层整体卸压增透及瓦斯高效抽采的目的。     

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。     

基于COMSOL的煤层分段水力造穴卸压增透效果数值模拟研究

针对潞安矿区低渗厚煤层开采的复杂条件,以渗流理论及流固耦合机理为基础,利用COMSOL多物理场耦合分析软件建立煤层损伤-应力-渗流耦合数值模型,以高河能源南北翼煤层及瓦斯赋存条件为工程背景,进行高河能源3号煤层水力造穴卸压机制以及增透效果数值模拟研究,其结果表明:造穴半径越大,洞穴周围煤体卸压面积越大,应力集中现象减弱,监测点卸压和渗透率增幅都越明显,瓦斯抽采效果越好;造穴间距越小,洞穴周围煤体卸压面积越大,渗透率增幅和压力降幅越明显,瓦斯抽采效果越好。     

基于流-固-热耦合的煤层瓦斯抽采数值模拟研究

为了提高煤层瓦斯抽采效果预测的准确性,揭示瓦斯抽采过程中煤层各参数的变化规律,基于煤岩结构和瓦斯煤层内运移特征,结合岩体力学、渗流力学、传热学相关理论,建立了煤层瓦斯抽采的流-固-热耦合模型,进行了单裸竖直钻井瓦斯抽采数值模拟,结果表明:所建模型解算结果与工程实际相吻合,能够满足工程需要;在瓦斯抽采过程中煤层温度、瓦斯压力和产气速率均随着抽采时间的增加而减小,瓦斯抽采活动对煤层温度的变化有着很大影响;由于瓦斯吸附量减少和温度降低引起的煤基质应变降低值大于煤层压力降低引起应变增高值,瓦斯抽采影响范围内煤体渗透率不断增高,但受煤层瓦斯运移、解吸速度的影响,煤体渗透率增高速率不断减缓。     

煤体增透与抽采瓦斯的关系研究

基于了解煤体增透与抽采瓦斯的关系的目的,采用了液态二氧化碳致裂增透技术对煤体进行增透。对比分析了煤体增透前后抽采瓦斯的浓度和流量,得出了经过液态二氧化碳致裂增透以后的煤层平均抽采瓦斯浓度提高近3.5倍,平均抽采瓦斯流量提高3～5倍。研究结果表明:煤体增透能促使煤层裂隙发育,增加煤层透气性,提高瓦斯抽采率。     

深部低渗透率煤层瓦斯抽采气固耦合机理研究

为揭示瓦斯在深部煤层抽采时的渗流机理,基于深部煤层低渗透率、高地应力、高瓦斯压力特征,结合瓦斯运移的Klinkenberg效应,建立了考虑煤体基质、裂隙双重孔隙介质的瓦斯抽采气固耦合模型,并针对具体地质情况进行了耦合模型的数值模拟研究。结果表明:煤层瓦斯压力随抽采时间增长呈下降趋势,钻孔周围出现瓦斯压降漏斗现象,距钻孔越近瓦斯压力下降越明显。深部低渗透煤层瓦斯抽采过程中,煤层体积变形、瓦斯解吸共同影响煤层渗透率变化,瓦斯抽采使煤层瓦斯压力逐渐降低,煤体发生收缩变形导致渗透率增大,同时煤层有效应力增大,煤层中裂隙、基质受压变形,又会导致渗透率逐渐减小。     

松软低渗突出煤层水力冲孔卸压增透研究

针对松软低渗突出煤层瓦斯治理难题,提出水力冲孔物理改性强化增渗瓦斯治理技术。采用理论计算、FLAC3D数值模拟方法对不同钻孔间距条件下孔洞周围煤体的塑性破坏特征进行了分析,对应力演化特征进行了量化表征。研究表明：水力冲孔后孔洞间煤体x向应力明显降低,距离孔洞越近,降低幅度越大;y向应力影响范围与塑性破坏区域范围相当;z向应力峰值应力出现了明显的升高,随着钻孔间距的减小,垂直应力曲线由双峰曲线演化为单峰曲线;孔洞空间为煤体卸压提供了自由面,能够卸除围压,集中应力向孔洞间煤体转移。其后,基于瓦斯煤体渗透率与三向应力和瓦斯压力之间的关系,对不同钻孔间距条件下渗透率演化特征进行了量化表征,孔洞周围煤体渗透率与原始煤体相比大幅提高,促进瓦斯解吸和流动,并确定了合理的钻孔布置间距。现场试验表明：水力冲孔增大了松软煤体暴露面积、为煤体提供卸压增透空间,高负压抽采支管瓦斯流量和浓度明显提升,考察评价单元瓦斯抽采纯量在6.20～9.8 m3/min范围内波动,瓦斯抽采体积分数在34%以上。     

三维旋转水射流扩孔增透技术装备及应用

针对我国低透气性煤层抽采难题,研发出三维旋转水射流扩孔增透技术与装备。通过理论分析、数值模拟和现场试验研究发现:三维旋转水射流破煤以剪切破碎为主,合理布置扩孔钻孔可实现区域煤体整体卸压增透。潘四东矿井下试验结果显示,扩孔钻孔瓦斯抽采体积分数80.5%,纯瓦斯流量18.15 L/min,分别为常规钻孔的1.43倍,纯瓦斯流量为常规钻孔的1.72倍,提高72%,显著提高了低透气性煤层的抽采过程中的瓦斯浓度和抽采纯瓦斯流量,具有较好的增透效果,瓦斯抽采效果显著提高。     

钻孔瓦斯抽采流-固耦合数值模拟

为了探究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯压力随时间的变化规律,通过建立流-固耦合模型,考虑渗透率、孔隙率和体积应变的动态变化,结合矿井煤层物性参数,运用多物理场软件进行了模拟分析。分析结果表明:随着抽采时间的延长,钻孔周围煤体瓦斯压力逐步降低,在瓦斯抽采过程中,瓦斯压力的降低有助于渗透率的提高,但影响效果甚微,埋藏深度对煤层渗透率起主导作用。