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。     

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。     

变压吸附法提纯驱替煤层气中甲烷的实验研究

通过采用二氧化碳驱替煤层气的甲烷可为二氧化碳的封存提供经济价值,但二氧化碳的混入易降低煤层气的利用价值,因而需通过气体分离的方法对甲烷进行提纯后再进入管网并输送至下游用户使用。为了进一步实现CO₂的捕集与煤层气的提纯利用,使用自制吸附剂进行CH₄/CO₂变压吸附分离中试实验研究,即利用变压吸附中试实验装置以探索不同工艺参数对产品气体积分数和吸附剂处理量的影响,并通过连续性变压吸附实验,形成完整的CO₂/CH₄分离提纯工艺。实验结果表明,通过两级变压吸附工艺提纯后,CH₄体积分数可由原料气中的80%提升至99.21%,回收率达94.93%,CO₂体积分数由20%降低至1%以下。使用变压吸附法能够提纯CO₂驱替煤层气中的甲烷,从而降低CO₂驱替煤层气工艺对煤层气浓度的影响。通过两级变压吸附提浓甲烷实验,已形成产出气压缩、脱水除油除尘净化、两级变压吸附CO₂/CH_4...     

煤层注氮驱替甲烷促排瓦斯的试验研究

〖HT5H〗摘〓要：〖HT5K〗实验室研究了山西阳泉无烟煤在30 ℃恒温下注入N2对吸附平衡煤样中CH4的竞争吸附解吸特性,结果表明混合压力高于225 MPa后,CH4吸附量开始下降。在阳泉煤业集团石港矿业公司井下进行了煤层注氮驱替甲烷促排瓦斯的试验研究,结果表明,注氮16 h后距离2 m以内的钻孔自然排放纯瓦斯流量提高了2倍以上,煤体解吸气体中CH4浓度由9729%减小到7966%,氮气浓度由080%增加到1319%,煤层瓦斯含量由977 cm3/g减少到868 cm3/g,起到了预排瓦斯的效果。     

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.     

煤中甲烷扩散特性影响因素实验研究

为了研究煤中甲烷扩散特性的影响因素,分别在压力、煤阶、粒径和含水率等不同主控因素下进行了甲烷等温吸附扩散实验。实验结果表明:高压力下甲烷累积扩散量和扩散速度均大于低压力下的扩散量和扩散速度;随着煤阶增大,煤中甲烷扩散量和扩散速度均增大;大粒径煤中甲烷扩散量和扩散速度均大于小粒径的扩散量和扩散速度;不同含水煤样,同一时间煤样含水量越小,甲烷扩散量和扩散速度越大。     

YD油田二氧化碳驱替室内模拟试验研究

以YD油田f3段岩芯为研究对象,进行二氧化碳驱室内试验研究。恒质膨胀试验表明,注CO_2可大幅度提高地层原油体积系数、膨胀系数,降低地层原油粘度。细管试验获得二氧化碳/地层原油多次接触后最小混相压力为30.78MPa,高于目前地层压力。长岩芯驱替试验表明,最佳二氧化碳段塞体积约为0.2HCPV。气水比1∶1、段塞体积0.2HCPV CO_2水/气交替驱可延迟水、气突破时间,虽不能实现混相驱替,但仍可获得74.47%驱油效率。     

二氧化碳驱替煤层瓦斯研究现状与发展

二氧化碳是主要的温室效应气体,二氧化碳煤层地质处置具有废物处置和置换瓦斯的双重效益。研究结果表明:煤体属于孔隙、裂隙发育的双重介质,为二氧化碳煤层地质储存提供了物理基础;同时,在相同外部边界条件下,煤对二氧化碳的吸附量是瓦斯的2倍~8倍,二者在煤层中存在竞争吸附,因此,用二氧化碳驱替煤层瓦斯理论上是可行的。但是,由于煤体的渗透性和吸附性均与温度、压力等外部条件密切相关,必须进行大煤样试件对瓦斯、二氧化碳气体的渗透性、吸附性研究,才能为二氧化碳煤层地质处置、驱替瓦斯提供可行性依据。     

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。     

小庄煤矿液态二氧化碳驱替技术研究与应用

煤层瓦斯抽采效率不足是高瓦斯及突出矿井采掘接续困难和瓦斯事故频发的主要原因,为了提高煤层采前瓦斯预抽效率,降低矿井瓦斯灾害治理成本,基于液态二氧化碳对煤层进行低温致裂增透和对煤层瓦斯进行相变交换置换驱替的两方面影响,针对彬长小庄煤矿低透气性、瓦斯难以抽采的问题,以40205工作面为研究对象,通过对其进行液态二氧化碳驱替煤层气技术深入分析和工程应用,分析了现场抽采效果。现场应用表明,驱替后的钻孔内瓦斯浓度平均增加1.425倍,纯量平均增加1.33倍,瓦斯抽采效率明显提升。该结果初步证实了液态二氧化碳驱替技术的适用性,为煤矿瓦斯抽采提供了一定的技术支撑。     

低煤阶煤基质甲烷吸附性能实验研究

为了探讨低煤阶煤基质的甲烷吸附能力及影响因素,以滇东南典型矿区的低煤阶煤为研究对象,系统总结了煤基质甲烷吸附性能的影响因素及对勘探开发的影响,采用高压容量法进行煤基质甲烷吸附实验,并分析温度对于煤基质吸附能力的影响;采用维里(Virial)状态方程计算气体压缩因子,并分析了高压容量法等温吸附实验的数据处理方法原理,探讨了实验误差。结果表明:低阶煤基质的甲烷吸附能力较弱,其吸附能力随温度的升高而降低,其中25℃~30℃吸附能力降低幅度较大。     

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%。     

不同压力、煤阶对煤中甲烷的扩散影响实验研究

为了研究压力和煤阶对煤中甲烷扩散特性的影响,进行了甲烷等温吸附解吸实验。选取新疆某矿区长焰煤、山西古城矿3号煤层贫瘦煤两种不同变质程度的煤,制成60~80目的干燥煤样。在30℃恒温条件下,不同煤阶的煤样分别在不同的平衡压力条件下进行吸附解吸实验,对比分析研究甲烷在压力、煤阶两个主控因素下煤中甲烷扩散量,扩散率的差异。通过分析实验结果发现:高压力下甲烷累积扩散量大于低压力下的扩散量,而扩散率与之相反;高阶煤中甲烷扩散量大于低阶煤的扩散量,扩散率与之相反。研究不同主控因素下的瓦斯扩散规律,对煤层气开发和防治矿井瓦斯灾害有很好的指导意义。     

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。     

二氧化碳-三氟甲烷抑制煤燃烧的试验研究

为防治矿井火灾,国内外学者做了大量工作。为进一步研究如何提高二氧化碳对受限空间煤燃烧的抑制效果,设计了气体灭火剂抑制煤燃烧试验平台,分别测试了三种不同浓度二氧化碳对煤燃烧的抑制效果,23%的二氧化碳抑制效果较好。引入三氟甲烷灭火剂,测试了混合气体灭火剂对煤燃烧的抑制效果。得出了当二氧化碳中含有10%三氟甲烷时抑制煤燃烧效果最好,煤燃烧时间缩短了46.6%,并且比浓度23%的二氧化碳灭火效果提高了18.0%,说明了三氟甲烷和二氧化碳混合灭火剂抑制煤燃烧的协同作用明显。     

二氧化碳与煤作用机理的实验研究

为了探讨CO2与煤的作用机理,采集了山西省霍州和晋城地区煤样进行He,N2和CO2氛围中的差示扫描量热（DSC）实验.结果表明：在He氛围中,3条DSC曲线较平直;在N2氛围中,DSC曲线总体平滑,较He中的曲线上移;而在CO2氛围中,DSC曲线出现了明显的放热峰和吸热峰,3条曲线形态各异.分析认为：He为惰性气体,不会在煤表面吸附,故没有焓释放;N2可以在煤表面发生物理吸附,这导致较小焓的释放.CO2氛围中较大的焓变化表明,CO2除了可以与煤孔隙界面发生物理作用,还可能与含氧基发生化学作用.通过分析煤的反应性、CO2的反应性及类比CO2与其他物质的作用特征,提出了如下解释：煤大分子向CO2提供电子,生成了电子给体受体络合物（EDA络合物）,即发生了化学反应,放热峰出现.升温时,CO2-EDA络合物所在基团与煤中其他基团间的交联作用减弱,易于断裂,吸热峰出现.DSC曲线形态的不一致,表明煤体结构发生了变化。     

煤样尺度的二氧化碳驱替煤层气数值模拟

为了实现ECBM实验研究和数值模拟结合分析,基于实验室应力条件的渗透率模型,建立了煤孔隙裂隙介质系统的CO2驱替煤层CH4的数值模型。开展了不同CO2注入压力下煤样尺度的二氧化碳驱替煤层气的数值模拟。结果表明:CO2的注入压力越大,注入后CO2从煤样末端流出所需时间越小;CO2的注入会引起煤的渗透率减小,注入压力较小时渗透率变化分为三个阶段,包括有效应力影响的阶段、CH4压力不变的阶段和CO2吸附影响阶段,但是当注入压力较大时则不存在CH4压力不变的阶段;注入压力增大,CH4产出量在注入CO2后的一定时间内有很大提高,然后在注气后期,CH4产出量反而较小。上述结果对指导室内开展ECBM实验和分析ECBM室内实验的结果具有指导意义。     

气/水两相驱替煤粉引起的煤裂缝导流衰减特征实验研究

查明气/水两相驱替不同粒径煤粉引起的煤中裂缝导流衰减特征对煤层气井排采时气/水两相流阶段防煤粉措施的制定意义重大。采用自制的气-液-固三相驱替煤粉模拟装置,进行了气/水两相驱替不同粒径(40～60,60～80,80～100,100～150,150～200,>200目)煤粉在树脂-煤芯柱样裂缝中的运移实验,通过对比无煤粉气/水两相驱替的空白实验,分析了驱替不同粒径煤粉时气、水的渗流规律差异。基于气/水两相驱替不同粒径煤粉的渗流模型,结合平板理论、拟合得到的气相渗透率与裂缝缝宽的关系,定量描述了驱替过程中气体流动、液体流动、煤粉封堵所占据的裂缝缝宽随驱替时间的变化规律,并以气体、液体流动所占裂缝缝宽之和的变化规律表征了树脂-煤芯柱样裂缝导流能力的衰减特征。结果表明:在几乎相同初始驱替压力下,气、水两相通过树脂-煤芯柱样时会相互争抢柱样内裂缝空间,且气相渗透率、液相渗透率随时间变化呈三角函数分布;不同粒径煤粉驱替前期,柱样气相渗透率、液相渗透率仍会表现出管弦状波动特征,但在煤粉堵塞一定程度后,二者开始同时减小;气/水驱替不同粒径煤粉时产出液内煤粉质量浓度、裂缝完全堵塞时间随煤粉粒径减小...