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%。     

CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。渗流过程中保持温度和体积应力(30 ℃、33 MPa)恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:① He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力Symbol|@@2 MPa时滑脱效应对气测渗透率的影响要远远大于有效应力效应;② 在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大;③ 在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化;④ 随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。     

煤层处置二氧化碳模拟实验研究

为了研究CO2在煤层中的储存能力与置换驱替CH4特性,利用沁水煤田潞安矿区3号煤层大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)煤样,在确定应力约束条件下,开展了CO2在煤体中的吸附特性与其在含甲烷煤试样中的驱替实验,并对含甲烷煤和不含甲烷煤中CO2的储存特性做了对比分析。结果表明:在模拟真实地应力(围压=轴压=8 MPa)条件与0.5 MPa注入压力作用下,180min内试验煤样中储存CO2量达11.03 L,CO2在测试煤体中的渗透率随其吸附量的增加而减小;在既定的地应力条件和近于14.93 cm3/g煤层平均瓦斯含量条件下,当CO2注入压力由0.5 MPa提高到1.0 MPa时,CO2在试验煤体中的储存量可提高93.00%、储存率提高13.50%、相应CH4的解吸量提高了18.13%;在实验初期,CH4的解吸量高于CO2的吸附量,随注入过程的持续,煤体中CH4的解吸量逐渐趋于平缓且远小于CO2的吸附量;同等条件下,含CH4煤比不含CH4煤可多储存59.29%的CO2,储存率提高了12.51%。     

不同煤阶煤炭化过程中挥发分组成及微孔变化的研究

用SORPTOMATIC1990吸附仪研究了6种不同煤阶煤（包括无烟煤、贫瘦煤、焦煤、肥煤、弱黏煤、气煤）在3 ℃/min升温速率到1 000 ℃的炭化过程中孔容和孔径随温度的变化规律,并用Bio-rad FTS-165裂解红外测定了各种煤在10 ℃/min升温速率的炭化过程中挥发分的组成及各自的释放温度范围.结果表明:不同变质程度煤在裂解过程中,可挥发性芳香物生成量的大小排序为肥煤>焦煤>瘦煤>气煤,且肥煤芳环上的取代基最多,而弱黏煤和无烟煤生成可挥发性芳香物的量最少.煤阶越低,释放CO2的温度越低,生成的量越多.1 000 ℃生成焦炭的孔容大小排列为：肥煤C1>弱黏煤D1>焦煤B1>无烟煤YQ,比表面积大小排列为C1YQ,B1>D1,平均孔半径大小的排列为：D1B1>YQ>C1.在炭化过程中,C1肥煤的孔容和比表面积变化最剧烈,YQ煤变化最小.C1煤生成焦炭表面积最大为20 m2/g,其它煤成焦表面积3 m2/g.     

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%。     

应力约束下储存CO2煤层膨胀变形特性实验研究

利用自主研发的MCQ-Ⅱ型煤层瓦斯驱替试验装置,对原煤大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)试件,进行了恒定温压(25 ℃,31 MPa)条件下CO2在贫煤、贫瘦煤和弱黏煤3种煤阶煤中的注入储存试验,对CO2注入储存过程中煤体膨胀变形特性进行了测量分析;并对小尺寸(6 mm×6 mm×6 mm)原煤试件通过CT扫描,研究了3种煤样的微观结构特征。主要结果为：对最小观测尺度为4.5 μm的CT重建图像,通过统计分析,发现贫煤孔隙率(4.67%)小于贫瘦煤孔隙率(5.39%)小于弱黏煤孔隙率(12.10%);在31 MPa体积应力约束条件下,持续12 h的CO2注入过程中,煤体膨胀变形受孔隙压力与CO2吸附变形的共同作用,且体积膨胀百分比与CO2注入储存量呈线性关系;在注入储存相同量气态CO2条件下,贫煤体积膨胀应变大于弱黏煤大于贫瘦煤;由于煤体层理性结构特征,弹性模量在垂直与平行层理2个方向上的差异性,煤体在垂直层理方向膨胀应变大于平行层理方向应变,且2个方向膨胀应变均与CO2储存量呈线性关系。     

构造煤微孔特征及成因探讨

基于不同变形类型和程度气煤、焦煤和无烟煤级构造煤样品的微孔（孔径<2 nm）测试结果,分析煤中微孔随煤级和变形的变化规律,探讨微孔成因。结果表明：煤中微孔孔径呈3峰分布,分别为峰1（0.457 7~0.548 0 nm）、峰2（0.548 0~0.686 3 nm）和峰3（0.785 5~0.899 0 nm）;弱和中等变形作用总体对各峰孔容和峰位影响不大,对应变形煤随煤级增高,气煤到焦煤除峰3孔容小幅增加外各峰对应孔容和峰位无明显变化,焦煤到无烟煤各峰对应孔容均显著增大,峰位则差异变化;较强和强变形作用导致峰1和峰2峰位向小孔径方向偏移,孔容除无烟煤峰2外显著提高,对峰3的影响表现在气煤和焦煤孔容小幅增加,无烟煤孔容显著减小,各煤级峰位始终固定不变;推断煤中微孔成因类型应为2种,分别对应于峰1+峰2和峰3的芳香层间孔和芳环有序堆叠形成的柱状孔。     

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。     

注热CO2增产CH4过程数值模拟研究

通过建立二元气体扩散场—渗流场—传热场的耦合方程，利用COMSOL模拟了不同温度和压力下CO₂驱替CH₄过程中驱替效果、CO₂储存量、CH₄产量及煤体渗透率等的变化规律。结果表明：CO₂驱替作用会导致煤体部分区域出现CH₄压力上升高于原始储层压力的现象。随着驱替压力的增大，CO₂储存量与CH₄产量增加，当驱替压力由2 MPa增高到6 MPa时，驱替比由2.85增大到4.38。而当注入温度从20℃增高至100℃时，驱替比由4.38降低至4.34。在驱替开采过程中，驱替压力是影响驱替效果的主要因素。随着驱替的进行，CO₂影响范围逐渐增大。在CO₂影响区域，CO₂的注入对煤层渗透率影响较大，煤基质对CO₂的吸附使煤层渗透率迅速下降；而在CO₂未影响区域，煤体渗透率随着CH₄的解吸而增大。     

不同变质程度煤自燃特性实验研究

利用程序升温实验装置对不同变质程度的煤进行氧化升温实验,对实验过程中的临界温度变化,CO、CO_2、CH4浓度变化等的关系进行分析。分析结果表明:煤的临界温度随煤的变质程度增加而升高64.79℃(长焰煤)、69.86℃(不黏煤)、71.23℃(气煤);CO、CO_2、CH43种气体升温过程中的浓度变化随变质程度的增加而减小;煤的氧化自燃倾向性在一定程度上随煤的变质程度的增加而降低。     

黑龙江省绥滨县福兴区煤岩煤质特征

简要介绍了黑龙江省绥滨县福兴区煤岩、煤质特征,说明了煤种为1/3焦煤、气煤为主,其次为不粘结煤和弱粘结煤,有少量的1/2中粘煤。为我省东部煤炭老矿区内的矿井接续提供新的矿产地及进行可研性研究和矿山建设设计提供地质依据。     

开滦矿区强粘结性煤校核粘结指数测定的研究

以开滦矿区7种强粘结性煤为研究对象,通过改变粘结指数测试过程中待测烟煤和标准无烟煤间的配比,研究了开滦煤的校核粘结指数。结果表明,当待测烟煤和标准无烟煤的配比为0.7∶5.3时,粘结指数的区分能力较好,可有效区分开滦矿区强粘结性煤的粘结能力。     

晋城无烟煤CO2-ECBM数值模拟研究

基于晋城无烟煤储层地质条件下的储层和煤岩参数,结合晋城无烟煤煤层气藏直井生产必须压裂增产的实际,使用澳大利亚联邦科工组织的煤层气储层数值模拟软件（SIMED Win）模拟了不同生产井和注入井井距（116m、200m、300m）条件下的煤层气增产和二氧化碳埋存过程。研究结果表明,煤储层注CO2增产煤层甲烷效果明显;CO2-ECBM过程中煤层气生产井的气、水产量呈现联动变化;煤储层的割理孔隙度在甲烷解吸、二氧化碳吸附、煤岩有效应力改变的综合效应下呈现增高-降低-增高-降低的变化趋势。综合考虑煤层甲烷产量和CO2的封存能力,选择200m产注井距具有较好的注入增产效果。     

低温氮吸附法和高压吸附甲烷法研究煤的吸附能力

选取几组不同变质程度的煤样(无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、褐煤),在液氮温度下,通过测试煤样在气体饱和蒸气压力范围内对N2的吸附过程及吸附量,绘制低温氮吸附下的Langmuir吸附曲线综合图;同时,对煤样进行高压等温吸附甲烷试验。结果表明,这几组不同变质程度煤低温氮吸附的能力依次为:无烟煤>肥煤>瘦煤>褐煤>贫煤>焦煤,高压吸附甲烷的能力为:贫煤>无烟煤>褐煤>肥煤>瘦煤>焦煤。经过比较分析,在高压条件下,二者的吸附量是有差别的。     

配粘结剂与液化剂对炼焦配合煤质量指标影响的实验研究

 目前中国炼焦煤资源不足且价格日趋上涨,降低焦化厂生产成本并扩大炼焦煤种迫在眉睫。本文依据实际生产配煤方案选取六种配煤方案进行研究,采用添加剂替代炼焦配煤中的一种或两种强粘结性煤,从而改善配合煤的质量指标,增加弱粘结性煤用量。结果表明：当不添加瘦化剂时,随粘结剂用量的增加,配合煤灰分降低,挥发分升高,粘结指数升高,粘结剂用5%-7%时替代焦、肥两种煤结焦性能最佳;当添加4%的瘦化剂和5%的粘结剂时,能够抑制配合煤挥发分产率过快升高,且在配合煤的质量指标不变的同时,弱粘结性煤的用量可增加8%左右主焦煤和肥煤的配入比例降低6%左右。     

海石湾井田CO2成藏演化机制及防治技术研究

以窑街海石湾井田为研究背景,以海石湾井田煤二层中CO2为主要研究对象,运用地球化学、岩石学、构造地质学、表面物理化学、岩石力学、采矿工程、渗流力学、数值模拟等多学科理论,采用理论分析、实验室实验与现场工程实践的研究方法,系统地开展了井田CO2成因、CO2成藏规律、CO2的赋存状态、海石湾煤对CO2的吸附解吸特性、孔隙压力对煤层卸压作用机制以及工程实践等多方面的研究,并取得了一定的创新成果,主要研究结论如下:(1)根据对海石湾井田煤二层中CO2的碳同位素与氦同位素测定结果,实测海石湾井田主要测点的CO2含量均大于60%,实测δ13CCO2变化范围主要为+1.00‰～-5‰,3He/4He测定值均为10-8数量级,R/Ra为0.004 2～0.185 0,分析认为海石湾煤田中CO2为无机地壳来源。并根据F19断裂构造岩性质、多期运动性以及实验分析,提出了海石湾井田CO2为F19韧-脆性剪切带的动力变质成因;且F19断裂在井田CO2成藏过程中起到了成气断裂、输气断裂和封气断裂的多重作用。(2)建立了修正的D-A模型,该模型对现有的高压吸附实验数据具有较高的拟合精度,并对海石湾煤对超临界CO2吸附等温线进行了分析,引入了聚合物的自由体积理论对异常吸附等温线进行了理论分析,并得到了解吸曲线的初步验证。(3)海石湾井田煤二层埋深600～1 000 m时,地温为31.72～43.88°C,实测最大瓦斯压力为7.3 MPa,井田东部CO2浓度超过90%,计算海石湾井田东部区域的混合瓦斯含量达到50～60 m3/t,现场测定、实验测定以及理论计算结果表明,海石湾井田煤二层中赋存超临界CO2。(4)数值模拟结果表明,随着保护层工作面推进,下伏煤岩体的采动卸压范围及煤二层的膨胀变形量均随着孔隙压力的升高而增大,最大绝对变形量为328 mm,最大相对变形量可达0.5%,随着保护层推进与孔隙压力的增大,被保护层发生塑性破坏并随之增大,并进行了理论分析,结果表明孔隙压力在增强被保护层卸压中起着重要作用。(5)远距离上保护层开采及卸压瓦斯抽采实践验证了高孔隙压力在煤层卸压中的作用,抽采单孔流量达到2 m3/min以上,煤层透气性增大878倍,煤层瓦斯含量由53 m3/t降至12 m3/t,消除了煤二层的突出危险性,同时工程实践也验证了相关结论。     

煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型

选取暗褐煤、气煤、焦煤、贫煤、无烟煤和超变无烟煤等有代表性煤阶的系列煤样,进行了20,30,40,50 ℃等不同温度下的高压等温吸附试验;应用吸附势理论,研究了煤的甲烷吸附特征曲线的形态特点,推导出新的煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型,并给出了模型中特征常数的求取方法;利用大量高压等温吸附试验数据对该模型的预测结果进行了验证,并且与兰米尔(Langmuir)等温吸附模型进行了比较.结果表明,该模型的预测结果与吸附试验数据非常吻合,平均相对偏差小于5%,说明该模型能够很好地描述温度和压力共同作用下,包括特低煤阶的暗褐煤和特高煤阶的超无烟煤在内的全部煤阶的煤对甲烷的吸附特性;比兰米尔(Langmuir)等温吸附模型的功能更强,适用范围更宽. 