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、...     

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.     

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。     

井下煤层注空气强化瓦斯抽采效果试验研究

针对豫西松软低透气煤层,瓦斯含量大,抽采效果差的问题,采用煤层注气强化瓦斯抽采治理技术,选择华泰煤矿进行注气强化瓦斯抽采效果现场试验。研究结果表明,随着注气时间的增长,注气孔气体压力由0.41 MPa上升到0.54 MPa,注气孔气体压力与注气时间成正比关系,沿孔长压力递减梯度与注气时间成反比关系;注气前后,煤层瓦斯含量和组分都有大幅度的下降,下降值为2.26～0.94 m3/t,下降幅度为15%～38%;垂直注气孔方向2 m范围内,煤层瓦斯含量和组分随着与孔距离的减少,注气后排放孔瓦斯流量增加近7倍;井下煤层注空气强化瓦斯抽采效果显著。     

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%。     

抽采衰竭期注气增压强采欠压瓦斯技术研究

瓦斯强化抽采技术是局部瓦斯治理的有效措施,为提高抽采衰竭期工作面的瓦斯抽采效果,基于流体力学理论分析了抽采衰竭期瓦斯抽采量下降原因,提出了抽采衰竭期注气增压强采欠压瓦斯技术,分析了技术作用机理、理论模型并开展了相关现场试验。研究结果表明:随着抽采过程中瓦斯压力的逐步降低,煤层瓦斯进入欠压状态,流动的驱动力不足,抽采进入衰竭期;注气增压强采技术具有"促流"、"增透"和"置换"的三重效果;推导了注气强采二元气体对流数学模型,以模型为基础进行了定量化注气强采效果数值计算;澳大利亚Sydney Basin的现场试验表明:注气强采能够迅速提升抽采瓦斯混合量与纯量,注气期间瓦斯含量减少量为5.28 m3/t,降幅73.90%,常规抽采期间瓦斯含量减少量为2.93 m3/t,降幅39.1%。结果表明,与常规抽采相比较,注气强采能更有效提高煤层瓦斯抽采效果,实现欠压煤层的快速强采,减少了煤炭开采过程中的煤与瓦斯突出危险性及瓦斯异常涌出可能性。     

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。     

温度场对注气驱替煤层气运移影响的数值分析

根据热弹性力学、对流弥散理论和多孔介质热力学原理,建立了包含煤的变形方程、气体运移方程、热传导的注气驱替热-流-固多物理场全耦合数学模型,求解耦合模型,研究温度场对注气驱替开采煤层气运移过程的影响。结果表明:煤层温度升高可以促进煤层气解吸,加速煤层气产出。研究成果可为注气驱替开采煤层气工程实践提供相应的理论基础,对深部开采高瓦斯矿井时施行先抽后采技术具有借鉴意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于二氧化碳深孔致裂增透技术的低透煤层瓦斯治理

为解决低透气性煤层瓦斯抽采中存在长深钻孔抽采有效影响范围小、抽采效率低、抽采周期长等问题,在司马煤矿3号煤层1211工作面进行100 m深孔二氧化碳致裂强化增透的试验及应用,以提高煤层透气性,缩短瓦斯抽采周期。在未抽采及已抽采煤层中分别进行了100 m深孔致裂试验,采用示踪气体法,确定了煤层致裂增透钻孔间距为10 m。通过在1211工作面走向300 m范围内的煤层深孔致裂增透应用表明:利用二氧化碳深孔致裂能实现对3号煤层的高效渗透和瓦斯驱替,煤层瓦斯解吸量和瓦斯压力显著降低,在60 d内煤层瓦斯含量平均降低1.8 m~3/t,改善了低透气性高瓦斯煤层难以抽采的现状,显著缩短抽采周期。     

二氧化碳驱替煤层甲烷过程竞争吸附的耦合数值模拟

研究二氧化碳驱替煤层甲烷的竞争吸附特性，对注二氧化碳提高煤层气采收率具有重要意义。基于达西渗流、菲克扩散和扩展朗格缪尔方程，建立了甲烷与二氧化碳在煤层中运移与置换解吸的耦合数学模型，数值模拟了不同二氧化碳注气压力以及注抽钻孔布置对提高煤层气采收率的影响。研究结果表明：在二氧化碳驱替甲烷的过程中，注气钻孔附近的煤层中会出现“甲烷富集区”,且随着注气时间的增加，“甲烷富集区”逐渐向排气钻孔移动，最终煤层中甲烷浓度分布趋于稳定，煤层中平均甲烷浓度约为原始甲烷浓度的56.5%;排气钻孔甲烷流量先衰减然后快速增大到峰值，再缓慢减小趋于一个稳定值；注抽钻孔间距对排气钻孔处甲烷浓度稳定后的流量没有影响，但对甲烷的流量峰值以及峰值出现的时间有显著影响。     

松软低透煤层CO_2爆破增透技术应用研究

为了有效提高松软低透煤层瓦斯抽采效果,采用理论分析和现场试验的方法,研究了CO2爆破增透技术的增透效果。以韩城象山矿5号煤层为例进行了试验研究,试验结果表明:CO2爆破不仅能有效提高煤层透气性,而且高压CO2气体对煤层瓦斯具有一定的驱替置换作用。经CO2爆破后,其有效影响半径为8m,钻孔瓦斯抽采浓度提高了1.98~2.18倍,该技术能够有效提高松软低透煤层瓦斯抽采效果。