煤层注空气置换-驱替甲烷作用研究

为了研究注空气置换-驱替煤中甲烷过程中,置换作用和驱替作用主导地位的时效性变化规律,特开展低压注空气置驱煤中甲烷的模拟实验。实验结果表明:前8 min内,注入的空气全部滞留在煤体中,该阶段内注入的空气表现出的瞬时置换作用占据主导,瞬时驱替作用微弱。此后直至实验结束,瞬时置换作用一直保持减小的趋势,瞬时驱替作用一直保持增强的趋势,实验前期瞬时置换作用强于瞬时驱替作用,在112~122 min内,出现瞬时置换作用等于瞬时驱替作用的转折点,此后瞬时驱替作用反超瞬时置换作用。实验最后,瞬时置换作用逐渐趋近于0,瞬时驱替作用占据绝对主导。截止实验结束,注入空气表现出累计置换作比例为26%,累计驱替比例为74%,驱替作用表现出主导作用。     

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。     

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。     

注气置换煤层甲烷技术机理的研究现状

为了深入研究注气置换煤层甲烷技术的机理,在对国内外注气置换煤层甲烷技术机理研究的基础上,得出了注气置换煤层甲烷技术的作用机理主要有5个方面,即注入气体置换作用机理、降低甲烷分压的作用机理、筛滤吸附置换作用机理、提高煤层甲烷扩散-渗流速度作用机理和压裂增透作用机理,并分析了在注气置换煤层甲烷技术机理研究方面存在的问题,探讨了该技术的研究方向。     

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。     

煤层空巷内氮气驱替瓦斯过程数值模拟

为探索煤层空巷内氮气驱替瓦斯过程,了解氮气在驱替煤层空巷内原有气体过程中扩散运动的状态,通过建立巷道建模,利用Fluent软件对氮气在煤层空巷驱替过程中状态进行模拟分析。分析得出在注氮的初始阶段氮气截面呈现线性缓慢扩散,但随着时间的推移,注氮量的增加,注入的氮气与原有空巷内的气体呈现了对流与扩散的状态,形成了氮气完全置换段与混合置换段,并逐步向巷道前方推移。同时结合德通煤业空巷持续注氮驱替瓦斯的工程案例,考察了注氮驱替瓦斯的有效性及稳定性。     

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。     

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。     

阜新煤田注二氧化碳提高煤层甲烷的研究

针对阜新煤田煤储层的地质特征,选取了刘家煤层气勘探区和东梁矿2个地点,开展了注二氧化碳置换煤层甲烷的试验模拟研究.试验结果表明,二氧化碳的吸附能高于甲烷的吸附能,它可以将甲烷从煤的微表面置换出来,从而提高煤层甲烷的采出率.在置换过程中总是吸附能力弱的甲烷首先解吸,而吸附能力强的二氧化碳最后解吸,而且较高压力下的置换效果总比低压下的好.与东梁矿煤样相比,刘家煤样具有较强的吸附能力和较高的单位压降下的解吸率,但置换效率相差不大,主要原因是二者的二氧化碳对甲烷分离因子差别较小.注气试验时应该充分考虑注入压力点和气体注入量才能保证满意的置换效果.     

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%。