不同阶煤超临界CO2驱替开采CH4试验研究

由于地质成因与孔裂隙结构的差异,不同阶煤的渗透性与驱替开采CH 4效果不同。为研究超临界CO 2在不同变质程度煤体中驱替开采CH 4的效果,利用尺寸为100 mm×100 mm×200 mm的原煤试件,在恒定的温压(50℃,25 MPa)条件下,以10 MPa超临界CO 2驱替压力对4种不同变质程度的煤(弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤)展开试验研究,结果表明:①不同煤阶煤体的孔隙形态与发育程度有较大差异,弱黏煤孔隙类型以墨水瓶型为主,无烟煤孔隙为狭缝型,而气煤与1/3焦煤则为楔形或平行板孔;对比孔隙比表面积,无烟煤与弱黏煤相对较高,分别为259.6510,154.0669 m 2/g,而气煤与1/3焦煤较低,分别为71.2359,41.4201 m 2/g;②煤渗透率受成矿地质环境和构造活动等导致的煤体结构、变质程度、裂隙发育程度、煤岩组成等多种因素的影响,在相同的有效应力下,4种测试煤样渗透率随变质程度升高而逐渐降低,驱替过程中CO 2注入量也随变质程度升高而降低,在25 MPa围压、10 MPa注入压力条件下,弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤的渗透率分别为4.58×10-18,2.75×10-18,0.91×10-18和0.05×10-18 m 2,驱替实验结束时,CO 2注入量分别为18.13,6.45,5.01和0.78 mol;③4种煤试件的CH 4产出率和CO 2储存量均表现为气煤>1/3焦煤>弱黏煤>无烟煤,孔隙以楔形或平行板孔为主、比表面积较低、渗透率中等的气煤与1/3焦煤驱替置换效果相对较好,反映了超临界CO 2驱替开采CH 4效果是不同变质程度煤孔隙形态、发育程度以及渗透率的综合表现。     

热力作用下煤层注CO_2驱替CH_4试验研究

为研究体积应力和温度对于煤层注CO2条件下CH4驱替量的影响规律,利用自制三轴吸附解吸试验装置,对煤试件开展考虑煤层体积应力和温度热力作用影响的与煤层等孔隙压注CO2驱替CH4试验研究。试验结果表明:相同温度条件下,气体吸附量随体积应力增加逐渐减小,下降梯度明显;体积应力是煤层CH4驱替量的主要影响因素,拟合得出20~50℃区间内煤层CH4驱替量随体积应力变化的计算公式。在相同温度条件下,随着体积应力增加,CH4驱替效率逐渐减小,近似于线性变化规律;随着温度升高,CH4驱替效率上升显著且梯度明显。在相同温度条件下,随着体积应力增加,置换体积比相应增加;随着温度升高,置换体积比减小,近似呈等梯度下降规律。     

超临界CO_2驱替煤层CH_4装置及试验研究

自主研发了MCQ-Ⅱ型大试件(100mm×100mm×200mm)超临界CO2驱替煤层CH4试验装置,该装置不仅能够保障试验过程中CO2始终处于超临界状态,而且可测量煤体吸附过程中的体积膨胀。借助本装置对同一温度不同体积应力条件下的超临界CO2的渗透性及其驱替CH4效果进行了试验研究。试验结果表明:在50℃、恒定体积应力为48~60MPa条件下,超临界CO2的渗透率与注入渗透压呈正相关关系,与体积应力呈负相关关系。超临界CO2在煤体中的渗透特性远远高于其在常态条件下的渗透性。试验同时发现,超临界CO2在煤体中的吸附量与孔隙压力及体积应力均呈正相关,在48和60MPa的体积应力下,单位体积的煤体分别可累计吸附10.82~17.52体积和16.12~20.40体积的CO2;试验还测得了不同条件下煤体吸附CH4、超临界CO2及超临界CO2驱替煤体CH4过程中,煤体体积膨胀百分比。在超临界CO2驱替CH4试验中,2号焦煤煤样试件中注入气体体积(包括CH4,CO2)均小于1号弱黏煤煤样,但是两煤样中的CO2/CH4置换比及CO2最终储存率相当,分别为4.01/4.16,20.05%/20.09%。     

超临界CO_2驱替瓦斯的试验研究

对常规CO_2和超临界CO_2驱替瓦斯的效率进行了试验研究,得到了不同温度下CO_2驱替效率的变化特征。研究表明,CO_2驱替瓦斯的效率随温度升高呈对数关系增长,当温度超过60℃时,常规CO_2的驱替效率才会超过50%;而同样温度下,超临界CO_2的驱替效率要提高20%以上,由此充分证明了超临界CO_2驱替瓦斯的可行性和高效性,从而为我国煤层气行业的发展和产业的创新提供一定的经济基础。     

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%。     

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。     

高瓦斯煤层液态CO2驱替瓦斯工艺参数及效果

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,在彬长矿区孟村煤矿开展高瓦斯煤层注液态CO2驱替瓦斯技术工业试验.研究了煤层注液态CO2过程中工艺关键参数和CO2在煤层中的有效影响半径,以期为工艺优化和技术推广提供依据.工业试验结果显示:煤层注液态CO2过程中压力、流量、泵压等关键参数呈现波动特性,反映了煤层注...     

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。     

天然CO_2注入煤层驱替CH_4运移路径上煤体化学结构变化

以窑街煤田天然CO2注入煤层并驱替煤层CH4为研究背景,通过在距离CO2注入点不同距离处连续采取煤样,对系列煤样进行红外光谱分析,结果显示:红外光谱谱图波数在2 800～3 000、2 270～2 413、1 000～1 200 cm-1区域吸收峰值发生了不同程度的变化。又对2个煤矿的超临界CO2处理前后的煤样进行红外光谱分析,上述波数的吸收峰强度也发生变化,而且都是处理后的煤样吸收峰强度低一些,进一步证实超临界CO2在运移过程中确实能从煤基质中萃取了脂肪族芳香族碳氢化合物及一部分矿物质。     

CO2置换CH4试验中煤体应变及渗透率的变化

为研究煤层注CO2置换CH4过程中煤体应变及渗透率的变化特征,采用沁水煤田屯留矿3号煤层圆柱体原煤试样,在不同围压(8～20 MPa)及注入压力(1～6 MPa)条件下,进行注CO2置换煤层CH4试验。研究表明：置换试验中,煤样的轴向、径向及体积应变随有效应力的增加呈指数关系降低,随围压的增加而降低;同时随围压的增加,相同压降范围内的轴向、径向、体积应变降幅呈增大趋势;且相同围压条件下,径向应变大于轴向应变。试验同时发现,同一围压下,受有效应力效应、基质收缩效应及滑脱效应等作用影响,煤体渗透率随着有效应力的增加呈现先降低后增加的变化关系;相同有效应力条件下,渗透率随着围压的增大而减小;且在试验压力范围内,有效应力增加后期渗透率相对初期提高了8.53%~22.45%。     

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。     

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。     

注能(以CO_2为例)改性驱替开采CH_4理论与实验研究

在简述煤层气开采技术发展历程基础上,针对煤层气抽放开采率低的问题,提出了注能改性驱替开采煤层气技术,并从有效应力与热力学原理,能量平衡理论等方面进行了可行性分析。通过自主研发系列实验设备,对大尺寸、低渗透煤样进行了不同应力与温度条件下的渗透与驱替置换实验,揭示了注CO_2驱替开采煤层气的机理、规律与特征。研究结果表明:CO_2在煤体表面的吸附势大于CH_4,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热均强于CH_4,注能(CO_2)有助于煤层气采收率提高;在一定的约束应力条件下,注入压力升高,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热升高,同时作用在煤体上的有效应力降低,煤体的渗透性增强,CO_2驱替置换效果提高,反之,注入压力不变约束应力增大,有效应力增加,煤体渗透率降低,驱替置换效果变差;煤体对超临界态CO_2有很强的吸附性,在较大的有效应力和较低渗透率条件下,依然能保持较高的CO_2/CH_4置换率;提高注入CO_2温度,有助于部分吸附CH_4解吸,但同时煤体对CO_2吸附能力也减弱,导致CO_2/CH_4置换率有所降低。     

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。     

液态CO2驱替煤体CH4的渗流特性及机制分析

煤层瓦斯抽采效率低是造成高瓦斯及突出矿井采掘接续困难和瓦斯事故频发的重要原因。液态CO₂具有低温致裂增透和相变置换驱替促抽瓦斯效应,可有效提高煤层渗透性。采用自主研发的三轴多相CO₂促抽煤层CH₄平台,分析了不同温度下的煤体抽真空-CH₄吸附-CO₂驱替全过程应变、驱替浓度、流量及渗透率的变化,揭示了液态CO₂驱替煤层CH₄过程机制。结果表明：在吸附CH₄及CO₂驱替阶段,煤体均表现为膨胀应变,各阶段应变分为快速膨胀和缓慢膨胀变形阶段,CO₂驱替阶段的应变量显著大于CH₄饱和吸附阶段的应变量,温度越低,应变差异性越大;驱替过程不同驱替阶段的主导控制效应分别为裂隙游离CH₄驱赶、CH₄自解吸及CO₂-CH₄竞争吸附,驱替流量先快速增加,后缓慢降低并趋于稳定;温度越...     

基于流-固-热耦合的CO2-ECBM数值模拟研究

为了分析煤储层特征参数对CO_(2)注入煤层提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)工程的影响,基于二元气体的非等温竞争吸附和渗流扩散特征,建立CO_(2)-ECBM的流-固-热耦合模型,进行CO_(2)-ECBM工程数值模拟研究,分析初始储层温度、渗透率和压力对煤层渗透率、CH;生产速率和CO_(2)封存速率的影响。结果表明:CH;的生产速率在抽采初始阶段下降迅速,之后随着抽采时间的增加,生产速率减幅越小;CO_(2)封存速率可以被分成3个阶段:初始迅速减小,中期几乎保持稳定,后期缓慢减小;CO_(2)未影响区域,煤层渗透率的变化规律是先略微减小然后不断增加,CO_(2)影响区域,煤层渗透率迅速下降;相同条件下,储层的CH;生产速率和CO_(2)封存速率与初始储层温度成反比,与初始储层渗透率和初始储层压力成正比。