注入二氧化碳驱替煤层甲烷模拟实验研究

采用大型物理模拟试验装置模拟研究了往煤中注入CO2气体过程中对CH4气体的驱替过程,而进一步获得这一过程中相关物理作用特征。试验结果表明,在含瓦斯煤体内注入CO2之后CH4气体的解吸量显著增加。试验初始阶段获得的主要是游离态的 CH4成分。随着时间推移,驱替置换效应显著,先期注入的CH4解吸量大大增高;在CO2和CH4两种气体的各自注气阶段的煤体内压力变化速度方面也存在明显的差别,注入CO2时的煤体压力变化速度慢比煤吸附CH4气体时的变化速度快;实验同时表明,注气驱替过程中煤体温度有了显著提高,温度的提高。     

二氧化碳/氮气驱替煤层瓦斯过程的数学模型

为了深入掌握二氧化碳/氮气驱替煤层瓦斯的本质物理过程,分析驱替过程中不同气体的流动机制及相应控制因素,以Langmuir模型、Langmuir吸附膨胀模型、PM渗透率模型和可变Klinkenberg系数模型为基础,建立混合气体在煤中的吸附方程和吸附膨胀方程,以及驱替过程的煤体绝对渗透率和视渗透率方程,并最终通过气体质量守恒定律推导二氧化碳/氮气驱替煤层瓦斯的耦合数学模型。该模型全面考虑混合气体的吸附解吸、扩散、Darcy流和由Klinkenberg效应产生的附加流量,可用于计算驱替过程中不同气体的含量、压力变化,注入和产出气体量,产出气体组分等,为二氧化碳/氮气驱替煤层瓦斯的工程设计提供了理论基础。     

吸附不同气体对煤岩渗透特性的影响

注CO2或者CO2/N2混合气强化煤层气开采以及进行CO2封存时,气体的吸附/解吸会影响煤岩的渗透特性。采用自行研制的煤岩三轴渗流装置进行恒定有效应力、不同气体压力条件下,煤岩吸附纯CO2,CH4,N2以及不同配比的CO2/N2混合气体对渗透特性影响的试验研究,以探讨煤岩在气体压力以及吸附作用下渗透特性的变化规律。结果表明:(1)气体组分固定的条件下,煤样渗透率随气体压力的增加呈负指数减小。(2)相同气体压力条件下,煤样吸附气体后渗透率都有不同程度的下降,且下降幅度跟吸附气体的组分有关,吸附纯CO2下降的幅度最大,吸附CH4次之,吸附N2最小;吸附CO2/N2混合气时,其中CO2组分浓度越高,煤样渗透率越低,但当N2量达到一定比例时,煤样渗透率会得到改善。(3)气体压力加卸载过程得到的煤岩渗透率–气体压力关系曲线存在滞后现象,这与气体在煤岩中的吸附/解吸曲线滞后有关,因此煤岩渗透率跟压力路径有关。试验结果对于煤矿瓦斯抽采以及CO2或烟道气注入煤层后的储层渗透率的预测与控制具有重要指导意义。     

不同温度条件下型煤吸附CH4/CO2混合气的实验研究

为研究不同温度条件下型煤对CH4/CO2混合气的吸附规律,利用自行研制具有温度调控功能的吸附实验装置,对型煤试件(φ50 mm×100 mm)进行不同浓度CH4/CO2混合气的非等温吸附实验。研究结果表明：在同一温度下,混合气中CO2浓度越大吸附量越大,CO2的吸附能力大于CH4,混合气吸附曲线介于煤对纯CH4和CO2两者之间,型煤对于混合气的吸附量明显小于相同条件的煤粉试样。不同温度下,同一实验压力吸附量出现了先升高后降低的趋势,在40℃时出现最大值;吸附平衡时,游离相中CO2的相对浓度普遍降低,在40℃时下降幅度最大。因此注入CO2可以有效置换煤层CH4,在40℃时CO2相对浓度越高,驱替效果越明显。     

地球物理场中煤层气渗流控制方程及其数值解

 为探索地球物理场中原地煤层气运移能力对煤层气储集和富集能力的影响,以地应力场、地温场中煤层气连续性方程、气体状态方程、吸附方程、渗流方程为基础,建立了应力、温度影响下的煤层气渗流控制方程。方程体现了地应力和地温对煤层气压力、含量、渗透率和孔隙率的影响,其中,应力和温度通过影响煤层气压力影响吸附量,通过影响煤层气压力和孔隙率影响游离量;温度还通过影响吸附常数b影响吸附量;不同的应力、温度组合条件下,渗透率的变化机制不同。通过Kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度下煤的甲烷等温吸附实验、不同温度及有效应力下煤体中甲烷渗流实验以及煤的孔隙率、工业分析等实验,研究应力、温度影响下的煤层气渗流特征。不同温度下煤的甲烷等温吸附实验表明,吸附常数a随温度变化不明显,b随温度升高而下降;不同温度、不同有效应力条件下煤的甲烷渗流实验表明,小有效应力条件下,煤体中甲烷渗透率随温度升高而升高;大有效应力条件下,渗透率随温度升高而下降。以实验数据和原始地质资料为基础,采用有限差分法,进行了地球物理场中原地煤层气渗流运移能力的一维、二维数值模拟。计算表明：研究区现今原地煤层气渗流运移导致的煤层气散失甚微,低渗煤层具有良好的储集和富集能力,但不利于后期开采,卸除地应力和升高温度是提高煤层气抽采率的有效途径。     

不同温度应力下煤体蠕变中的渗流规律研究

煤层渗透性是决定煤层气开采效果的关键因素。在煤层气开采周期中,长期温度场及应力场作用使得煤体内渗流通道也不断发生演化。对不同温度应力下煤体蠕变过程中的渗流演化规律展开研究,结果表明,不同温度下分级蠕变过程中,各试样的渗流演化基本经历3个蠕变变形阶段:蠕变起始应力阈值前的压密硬化阶段、体积压缩的蠕变变形阶段和体积膨胀的蠕变变形阶段;试样渗透率表现为先逐渐降低再增加的趋势,且试样渗透率演化与体积时效变形存在较好一致性。温度升高,有助于煤体蠕变变形的发生,煤体蠕变的起始应力阈值减小,极限破坏强度降低,煤体渗透率由降低到升高的转折点应力值减小。温度较高时,煤体蠕变对渗透率降低的影响较大,煤体渗透率损失最大可达40.35%。研究结果可为煤层气的有效开采提供理论支持。     

中国CO2煤层储存容量初步评价

地下储存是降低大气中CO2含量以缓解温室效应的有效措施之一.其中煤层储存可有效地减少CO2排放量,同时增加煤层气可开采量,降低CO2地下储存的成本.煤层储存CO2是将CO2吸附在煤基质中,具有安全可靠的特点.中国煤层分布广泛,煤炭资源储量丰富,是CO2地下储存的首选措施.根据中国煤炭和煤层气勘探资料,不同性质煤的储量分布及CO2与CH4置换比例,对中国主要含煤层气区深度300～1 500 m范围内的煤层CO2储存潜力进行初步评价.结果表明,利用注CO2增采煤层气技术可使中国总的煤层气可采量达1.632×1012m3,可储存约120.78×108t CO2,相当于2002年全国CO2排放量的3.6倍.     

含吸附煤层气煤的有效应力分析

煤层中的气体(煤层气)主要呈吸附状态,固体煤和吸附气体之间的相互作用关系是目前人们关心的问题,它与煤矿瓦斯防治和煤层气开采有关。根据表面物理化学和弹性力学原理,推导了煤吸附膨胀变形、吸附膨胀应力及有效应力计算公式,理论计算结果和试验结果基本一致。分析表明,裂隙中自由气体的压力对煤层中的应力状态影响很小,在煤层内部吸附膨胀应力和吸附膨胀变形规律服从虎克定律。     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

低渗煤储层气体滑脱效应试验研究

 在千米深度下赋存煤层气的煤层是致密的多孔介质,煤层的渗透率低,对于致密的多孔介质渗流,滑脱效应十分显著,而滑脱效应又可以增加煤储层的渗透性能。采用试验研究的方法对吉林和阜新两地的低渗煤样进行滑脱试验,研究围压和孔隙对煤层气滑脱效应的影响,分析不同围压和孔隙水压力下滑脱渗透率对气体渗透率的影响,找到滑脱效应对不同低渗储层气测渗透率的有利影响的围压范围,验证低渗煤样中气体滑脱效应存在的普遍性。对弄清煤体内部结构特性和煤层气在煤层中的滑脱流动机制,实现低渗储层煤层气工业化开采具有一定的理论价值。     

有效应力和不同气体对煤的渗透性影响分析

以南桐6号煤层制备的型煤试件为研究对象,利用自行研制的煤岩三轴渗流实验装置研究了有效应力以及吸附不同气体对煤岩渗透率的影响,对煤吸附不同气体后的渗透性的差异性进行了分析。试验结果表明:有效应力和煤岩渗透率成负相关的关系;在维持有效应力3 MPa的条件下,因吸附效应不同CH₄通过煤的渗透率最高,CO₂通过煤的渗透率最低, CO₂/N₂混合气体通过煤的渗透率居中。研究结果对注CO₂提高不可开采煤层CH₄采收率同时实现CO₂地质封存具有指导意义。     

煤岩吸附量–变形–渗透系数同时测量方法研究

 近年来,随着人们对CO2煤层封存、煤层气注气开采等技术关注程度的不断提高,大量学者开始煤岩吸附量、变形以及渗透系数测量方面的研究,并开发大量测试装置和技术。但是,要在一个试样上同时测量吸附量、变形和渗透系数比较困难,目前还没有相关试验方法和试验装置的报道。提出煤岩吸附量–变形–渗透系数同时测量方法并开发试验装置。采用圆柱形块煤作为试验样品,利用变形传感器测定吸附引起的变形,利用双计量泵测定吸附量和渗透系数。介绍该方法的原理、试验装置及试验流程,并利用该方法和装置进行煤岩对CO2气体的吸附量、变形和渗透系数同时测量试验。试验结果表明,该方法和装置能够同时测量煤岩吸附量、变形和渗透系数,试验效果良好。     

水分对煤体瓦斯吸附及径向渗流影响试验研究

 为了解水力化钻孔周围煤体瓦斯径向渗流特性,利用自行研制的径向瓦斯渗流试验系统,对青东煤矿突出煤层试样,进行干燥煤样、液态水润湿煤样、吸附瓦斯后高压注水煤样的等温解吸及径向稳态渗流试验。结果表明：(1) 相同平衡压力下,高压注水煤样等温吸附量高于干燥煤样,均显著高于液态水润湿煤样的吸附量。(2) 随含水率增加液态水润湿煤样等温吸附量逐渐降低,呈对数函数关系,得出各系数随吸附压力变化的拟合函数。(3) 相同覆压下,高压注水煤样瓦斯渗透率显著高于干燥煤样渗透率,液态水润湿煤样渗透率略低于干燥煤样渗透率;且液态水润湿煤渗透率随含水率增加而降低,在低瓦斯压力阶段尤为显著。根据试验结果分析水分对径向瓦斯渗流特性的影响机制,并指出水力化钻孔径向瓦斯流动经过原始解吸渗流区、压力水抑制解吸渗流区、液态水自然润湿解吸渗流区3个区域。     

煤层气储层含水率对煤层气渗流影响的试验研究

 以晋城煤业集团赵庄矿3#煤层无烟煤制备的成型煤样为研究对象,设计煤样含水率对甲烷渗流的影响试验方案,利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,较真实地模拟在煤层气开采中煤储层含水率的变化对煤层气渗流的影响规律。研究结果表明：恒定温度和有效应力、不同含水率条件下,随着煤样含水率的减小,甲烷有效渗透率增大。在本试验煤体含水率范围内,煤体含水率与甲烷有效渗透率关系可用线性函数表述。煤储层中的水通过占据煤储层渗流孔隙空间,使煤层气运移喉道减小,使其运移困难。根据对试验结果的分析,理论上论证可以把注水湿润煤体作为防治煤与瓦斯突出的措施之一。     

Multiphysics of carbon dioxide sequestration in coalbeds: A review with a focus on geomechanical characteristics of coal

To reduce the emissions of carbon dioxide(CO_2) into the atmosphere, it is proposed to inject anthropogenic CO_2 into deep geological formations. Deep un-mineable coalbeds are considered to be possible CO_2 repositories because coal is able to adsorb a large amount of CO_2 inside its microporous structure.However, the response of coalbeds is complex because of coupled flow and mechanical processes. Injection of CO_2 causes coal to swell, which leads to reductions in permeability and hence makes injection more difficult, and at the same time leads to changes in the mechanical properties which can affect the stress state in the coal and overlying strata. The mechanical properties of coal under storage conditions are of importance when assessing the integrity and safety of the storage scheme. On the other hand, the geomechanical response of coalbed will also influence the reservoir performance of coalbed. This paper provides an overview of processes associated with coalbed geosequestration of CO_2 while the importance of geomechanical characteristics of coalbeds is highlighted. The most recent findings about the interactions between gas transport and geomechanical characteristics of coal will be discussed and the essence will be delivered. The author suggests areas for future research efforts to further improve the understanding of enhanced coalbed methane(ECBM) and coalbed geosequestration of CO_2.     

不可采煤层CO2封存断层活化机制分析

基于断裂力学和莫尔-库伦准则,建立了不同初始应力状态下CO₂注入煤层后储层、盖层岩石破裂准则以及断层活化失稳判据,对封存系统地层稳定性进行了分析,提出了确定CO₂临界注入压力的解析方法,并对影响CO₂封存安全性的参数(S_hmin/S_v、储层盖层岩石弹模、泊松比、断层倾角等)进行了敏感性分析。结果表明:在进行地层稳定性预测时,应充分考虑煤层初始应力状态、吸附引起的差异性膨胀效应以及储层岩石力学性质的影响。煤岩泊松比越小,储层滑动倾向性越小;当S_hmin/S_v(最小水平主应力与垂直应力之比)接近于1时,断层滑动的风险大为降低。研究成果可以为不可采煤层CO₂封存工程储层压力控制以及安全评价提供科学依据。     

功率超声影响的煤中甲烷气促解规律实验研究

 功率超声激励促解煤层甲烷气是一种不受储层地质条件和气源特性限制,具有普遍应用价值的增采技术。通过CT观测实验,对超声波作用下煤样不同尺度裂隙发展规律进行深入分析,从微观上揭示功率超声促解机制。在对比促解实验测定结果的基础上,研究功率超声作用煤样解吸量变化规律。研究结果表明：CT观测实验很好地证明了超声的机械震碎作用;在功率超声激励作用下,煤样裂隙条数显著增多,贯通裂隙增多且单条裂纹最大宽度显著增大;超声波作用后煤中甲烷气的解吸量有显著提高,建立超声声强参数影响的煤中甲烷气解吸量随解吸时间变化的修正公式。由修正公式拟合结果可知：煤中甲烷气饱和吸附后的解吸量 和 均随孔隙压力的增加而增大,相同孔隙压力下的甲烷气饱和吸附解吸量 大于无超声作用时的解吸量 ,其原因在于在功率超声的声场强度影响下,煤质点的动能和位能增加,煤表面甚至基质内部吸附的甲烷更容易脱附变成游离态,从而达到煤层甲烷气促解作用。     

地电场作用下煤中甲烷气体渗流性质的实验研究

针对地球物理场中地电场对煤层瓦斯渗流性质的影响，在实验室采用三轴渗流实验装置和电场实施装置，研究了电场作用下煤中甲烷气体的渗流性质。实验结果表明：(1)加电场后，甲烷气体渗流速度比无电场时要大，并且渗流速度随甲烷气体压力梯度增大成线性增加；(2)加电场后，煤中甲烷气体渗流量随电压(电场强度)升高近似成线性增大：(3)煤化程度越高的煤导电性越好，且甲烷气体在煤中的电动效应越明显；(4)同时，加电场后，煤的等效渗透系数可表达成ke=k(1 βE)。此项实验研究探索为电场作用下的煤层中瓦斯渗流及运移规律的进一步研究奠定基础。