煤层气水平井井筒煤粉迁移规律试验研究

为研究煤层气水平井井筒煤粉迁移特征及规律,有效控制煤粉产出,开展了多相流驱替状态下的水平圆管煤粉迁移物理模拟试验。通过调节流量、控制压差的方式,分析了不同粒径大小的煤粉在不同圆管倾角下的迁移特征及规律。结果表明:生产条件下井筒流态以紊流为主,应重点研究了雷诺数为4 000~6 000下的流态;两相流煤粉迁移模式为滑动、滚动、层移和悬移,三相流煤粉迁移主要受不同流型的影响;煤粉迁移模型表明煤粉迁移制约因素主要有流量、流型(气液比)、煤粉粒径、管道倾角和压差。综上认为,钻井阶段选择合适造斜点,控制井斜角变化;考虑煤粉性质及排采阶段变化,适时调整排水强度和井底压降,有效控制井筒流态,可保证井筒内煤粉适度产出。     

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...     

煤层气井煤粉的运移与控制

通过对煤粉进行分离、运移等模拟实验查明了煤粉的运移规律:糜棱煤遇水后容易完全分解成煤粉,是煤层气井产粉的主要来源;粒径小于0.2 mm煤粉产出量随水流速度增大而增加,粒径在0.2~0.3 mm的煤粉产出量随水流速度增大无明显变化规律;当煤粉运移介质为气液两相时,煤粉的产出量明显增多,并随着气液比的增大而增大;近井通道是垂直煤层气井煤粉产出运移的主要通道,水平分支井所穿过的煤层带决定了水平煤层气井煤粉产出运移。依据实验结果与煤层气井排采实际,提出了控制煤层气井煤粉产出的若干措施。     

煤与瓦斯突出两相流运移衰减规律实验研究北大核心

为了研究煤与瓦斯突出后煤与瓦斯两相流的运移衰减规律,利用自主搭建的煤与瓦斯突出实验模拟系统,研究突出后煤粉运移分选特征、煤与瓦斯两相流冲击压力的演变规律。研究结果表明:在轴向应力为0.54 MPa、瓦斯压力为0.5 MPa时,煤粉相对突出强度为55.1%;突出煤粉有较强分选特性,管道内粒径小于1 mm的煤粉分布呈现沿程递减的趋势,而粒径为1~3mm和粒径大于1 mm的煤粉分布呈现沿程递增的趋势;突出启动后,两相流冲击压力呈先增大后减小的趋势,且增大速率大于其减小速率,冲击压力峰值出现的时间随着突出距离增加而滞后;由于突出瞬间发生,两相流快速喷出,从未完全膨胀状态转化成完全膨胀状态,产生层层叠加压缩波,最终形成冲击波,导致冲击压力峰值在管道前段出现突增现象,整体呈震荡衰减的变化趋势。     

煤粉高压密相输送特性的实验研究

煤粉高压密相输送特性是煤粉输送系统设计和运行的基础。在实验装置上实现了背压1.0~4.0MPag,最高煤粉浓度640kg/m~3的煤粉高压密相输送,获得了一种高挥发分烟煤煤粉的输送规律,分析了操作参数和结构参数的影响机制。结果表明,输送压差一定,随着表观气速的减小,开始煤粉浓度缓慢增加而气固速度差迅速减小,然后煤粉浓度迅速增加而气固速度差变化缓慢。两个过程之间的转变在临界气速或者大于临界气速时发生,可能预示着管内流动形态的转变(如水平管中煤粉沉积),而且输送背压越低,煤粉流量越小,这种转变就越明显。在输送总压差一定的条件下,煤粉质量流量随着管径的增大而增大。     

煤储层排采液流携粉运移模型与产出规律

基于液固两相流理论建立煤层液流渗流数学模型,并给出描述煤岩产气通道流动状态的偏微分方程和煤层液流携粉运移特征的数学模型,依据数值求解结果分析产气通道中的液流压力和流速以及煤粉随液流运移的浓度分布情况。结果表明,煤储层近井区域液流高流速状态使得通道液流中的含煤粉量达到最高值,排采初期较大的排液量和压差波动使得其煤粉产出较多,而稳产阶段的产液量减小且煤储层与井底间的生产压差降低使得通道中煤粉浓度较低,生产压差由2.05 MPa提高到3.05 MPa后,产气通道各节点最大含煤粉量由0.112%迅速升至0.608%;且稳产阶段煤层泄流体产气通道孔径的增大,会进一步降低通道中煤粉浓度,产气通道高度由0.30 mm扩大到0.90 mm,产气通道各节点最大含煤粉量则由0.759%降至0.160%。该算法提出煤储层泄流体煤岩产气通道管流的概念并定量描述排采液流携煤粉运移的特征,为准确预测煤层气井排采中的煤粉产出情况和制定合理的防煤粉措施提供了依据。     

煤层气井产气通道内煤粉运动特征分析

基于脱落煤粉滚动启动条件和运移,建立了煤粉脱落、运移和堵塞的孔隙度和渗透率模型;分析了煤粉排出量对煤层孔隙度和渗透率的影响。依据该渗透率模型,研究煤粉适度排出理论,建立煤粉适度排出模型和携煤粉地层液速度窗口模型,使脱落的煤粉适度排出,疏通渗流通道,增加渗透率提高单井产气量。结果表明：煤粉的脱落增加了煤层的孔隙度和渗透率,而煤粉的沉积堵塞减少了煤层的孔隙度和渗透率;渗透率随煤粉的排出量的增加呈二次关系增大,煤层排出脱落煤粉可在一定程度上改善储层物性,提高煤储层的孔隙度和渗透率;采取压裂增产的煤层气井支撑剂粒径为20/40目正排列时,通过的最大煤粉粒径为0.16 mm,排液量大于13.53 m 3/d有利于粒径小于0.1 mm脱落的煤粉排出,最大限度地提高煤层渗透率,增加煤层气单井产气量。     

井筒内煤粉对单相流煤层气井井底流压的影响

根据煤层气井井底流压的分段计算方法,考虑井筒内煤粉含量和流体流动对井底流压的影响,建立了上行气固两相压差模型和下行液固两相压差模型,给出了考虑井筒内煤粉和流体流动的井底压力计算方法,并分析了井筒内煤粉对井底压力的影响,结果表明:井筒内煤粉对煤层气井井底压力的影响不可忽略。通过实例分析,当井筒内煤粉含量为3%时,由煤粉和流体流动引起的压差最大为0.147MPa,平均压差为0.13MPa。根据实测的井底流压通过该计算方法可以反求井筒内煤粉的含量,即根据井底压力的变化可以监测井筒内煤粉浓度的变化;依据煤粉排出量,可以得到未排出煤粉的量,进而估算未排出而沉积井底的煤粉量,得到埋泵所需时间,为修井作业提供参考。     

煤液化热高压分离器煤粉漂移特性数值模拟与优化

为揭示煤液化热高压分离器（简称“热高分”）内的煤粉漂移规律,基于热高分的结构特性和多相流物性参数,建立物理模型,并采用VOF(volume of fluid)模型和DPM(discrete phase model)模型,数值分析进口液固两相中固相质量分数、颗粒粒径对煤粉漂移特性的影响。研究发现：在气液交界面处,煤粉颗粒平均质量浓度最大,并随进口固相质量分数的增加而增大;小颗粒对气流的跟随性好,故气相出口的煤粉漂移率与颗粒粒径呈负相关关系;当进口固相质量分数增大到7%以上时,对应同一颗粒粒径下煤粉漂移率基本不变。通过在热高分上部增加45°倾斜挡板,发现气相出口处煤粉漂移率从2.03%下降到0.88%。     

碎软煤层空气定向钻进煤粉运移规律数值模拟研究北大核心

为研究粒径和风量对煤粉在钻杆与孔壁环空内沉积、运移和分布规律的的影响,以碎软煤层空气定向钻进成孔为背景,利用欧拉-欧拉模型,对压缩空气输送煤粉颗粒形成的气固两相流进行数值模拟。结果表明:风量越大,颗粒粒径越小,煤粉的沉积程度越小,对煤粉的输送能力越强,相应的孔底压强越大;在同一风量下,小粒径煤粉主要呈现螺旋线翻滚向孔口输送,大颗粒煤粉则主要位于中下部沿特定轨迹向孔口移动。     

单相流煤层气井裂隙煤粉受力分析及启动条件

为了准确地计算煤层气井出煤粉条件,基于煤层骨架煤颗粒受力,建立了煤层颗粒启动的力学模型。依据韩城煤田的资料,分析了煤层气井单相流阶段煤层骨架脱落颗粒大小与液体渗流速度、排液量以及压力差的关系。结果表明:在单相水流阶段,煤层气井煤粉产生与流体的渗流速度呈正向二次关系,当液体渗流速度大于该煤粉粒径的临界速度时,小于该颗粒粒径的煤粉将会脱落。从统计学观点,渗流速度越大,产生煤粉越多;排采中排液量越大,对煤层骨架拖拽作用越大,煤粉颗粒越容易脱落,当排液量在17m3/d以上时,大部分煤粉颗粒就会脱落。合理控制排液量在17m3/d以下有利于减少煤粉的产生。     

煤粉对泡沫金属抑制爆炸火焰传播速度的影响分析

针对煤粉对泡沫金属抑制爆炸火焰传播速度的影响进行了相关实验,着重分析了煤粉在管道内有抑爆介质时的运移规律和对其抑爆效果的影响机理。管道内煤粉在爆炸冲击波的影响下分为3个部分:未被扬起滞留在抑爆材料前一部分;滞留在抑爆材料上一部分;穿过抑爆材料逸散一部分。煤粉对泡沫金属抑爆性能的影响主要体现在:当煤粉粒径一定时,煤粉质量过大或过小对泡沫金属抑爆性能影响不大。煤粉质量过小时,大部分煤粉经过泡沫金属逸出,对其抑爆性能影响较小;而当煤粉质量过大时,局部区域氧气浓度不足,滞留在泡沫金属上的煤粉不易燃烧,对泡沫金属的抑爆性能影响也较小。当煤粉质量一定,粒径越接近泡沫金属孔径,煤粉越易滞留在泡沫金属上,对其抑爆性能影响也越大。     

气—水两相流耦合模型及瓦斯抽采模拟研究

针对目前进行瓦斯抽采模拟时大多忽略煤层含水的问题,建立了考虑气—水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在瓦斯单相作用的基础上,考虑煤层水渗流及孔隙水压力所产生的影响,推导出相应的应力场方程和渗流场方程,并建立渗透率动态演化模型作为耦合模型,据此分析瓦斯—水运移规律。研究结果表明：考虑气—水两相流,产气速率具有峰值点;若不考虑水的影响,则将高估瓦斯抽采量;距钻孔越远,水对瓦斯运移的抑制作用越明显,且抑制作用大于因煤体自身有效应力减小、渗透率增大所带来的促进作用;煤层初始渗透率对瓦斯抽采具有决定性作用;煤层温度越高,瓦斯压力越不易降低,由温度增高引起的瓦斯解吸效应大于煤层自身的吸附应变效应。     

采空区上覆松散隔水层淤堵自修复技术

以采空区上覆松散介质为研究对象,研究松散介质淤堵自修复机理并成功应用该技术。结果得出:松散隔水层淤堵自修复主要受流量、携沙量及悬移质粒径影响;流量太大易冲蚀松散隔水层;流量缓慢、携沙量大时,易于隔水层淤堵自修复;粒径小于0.075 mm的颗粒,利于采空区上覆松散隔水层淤堵自修复;淤堵自修复模式为表面-内部双重淤堵,表层淤堵的效果更明显;淤堵自修复效果与淤堵时间成正比,淤堵时间越长,渗透系数越小,效果越明显。     

煤粉粒径对突出冲击波传播特征的影响

为研究煤粉粒径对煤与瓦斯突出冲击波传播特征的影响,自主研制了一套突出粉煤—瓦斯两相流模拟实验系统,开展不同煤粉粒径条件下的突出模拟实验,突出过程中实时监测模拟巷道不同位置冲击波超压随时间的变化规律。实验结果表明：在各监测点冲击波超压呈现正相与负相交替变化的格局,冲击波超压峰值与突出腔体内煤粉粒径呈正相关关系;突出冲击波在巷道内的传播速度也受煤粉粒径的影响,即煤粉粒径越小,冲击波传播速度越小,且冲击波传播速度沿着巷道呈衰减趋势。     

输运床气化炉粉煤气力输送中煤粉流量影响因素的研究

在中试装置的基础上,分别在不同的输送气流量、气量分配比、给料斗压力、粉煤气速等条件下进行了输送试验,通过粉煤质量流量计进行计量,考察了操作参数对煤粉质量流量的影响。结果表明:当粉煤加压输送装置的输送气总量增大时,粉煤质量流量相应增加,两者存在幂指数函数关系;不同的输送气分配量对于粉煤的输送存在影响;粉煤管线的压差对粉煤流量影响因素较大,两者存在线性关系;输煤管线中粉煤输送气速的变化对粉煤质量流量几乎无影响。     

单相流驱替物理模拟实验的煤粉产出规律研究

为研究煤层气井排采过程中煤粉的产出机理及其影响因素,开展了单相流驱替状态下煤粉产出物理模拟实验。通过改变单相流驱替流速及煤砖样品上、下围压的大小,分析不同实验条件下煤粉产出量、煤粉粒度分布特征以及裂隙导流系统的渗透率变化等参数,归纳煤粉的动态产出规律。实验结果表明：在围压稳定的实验条件下,煤粉的产出具有一定的启动运移速率;煤粉的产出量与驱替液流速呈正相关、与围压呈负相关;煤粉在裂隙系统中的存在与运移会对其渗透率产生显著的影响;间断后重启单相流驱替作用会使煤粉产出量瞬间剧增。根据模拟实验结果可以认为,优化煤层气井的排采制度、控制井底流压降压速率的变化、稳定控制排水强度,将会有效地控制煤粉的产出量。     

煤粉对泡沫金属抑制爆炸火焰波性能的影响规律

泡沫金属是能够同时抑制瓦斯爆炸冲击波和火焰波传播的新型阻隔爆材料,但在煤粉环境下泡沫金属阻隔瓦斯爆炸的能力却不得而知。为研究煤粉对泡沫金属阻隔瓦斯爆炸火焰波传播的影响规律,在自行设计的直径120 mm的瓦斯传爆测定装置中,对管道中添加不同参数煤粉后泡沫金属衰减火焰速度的性能进行了实验研究。结果表明:添加粒径为60~80目的 5,10,50,100 g煤粉后,爆炸火焰波衰减率分别为92.95%,97.93%,80.95%,92.05%。对于特定参数的泡沫金属,煤粉质量在一定范围内会造成阻隔性能的降低。分析发现煤粉粒径越接近泡沫金属孔径,煤粉越易滞留于阻隔材料,泡沫金属的阻隔效果也越差。100 g 40~60目的煤粉添加后导致泡沫金属的火焰波衰减率降低为68.23%。研究结果显示,管道中的煤粉质量和粒径均可对泡沫金属的阻隔性能产生重要影响。     

掺混煤液化残渣萃余物对煤粉加压输送的影响规律

将煤液化残渣萃余物(以下简称萃余物)掺混到煤粉中进行共气化是萃余物大规模资源化利用的一种方式,实现萃余物与煤共气化首先要保证该混合物料的加压密相输送过程的稳定及可控。为研究萃余物掺混到煤粉后的加压密相输送规律,针对某气化装置的原料煤粉及该煤粉掺混20%萃余物的混合粉体,首先采用HR指数和FF函数表征方法对两种粉体的流动性进行比较分析,并结合粉体的扫描电镜照片来分析颗粒微观结构对粉体流动性的影响,然后在25 mm内径输送管道中,进行背压(接收罐压力) 4和2 MPa的加压密相输送实验研究,获取粉体质量流量和质量浓度随表观气速变化的输送操作规律,最后以粉体质量流量和水平直管段压差的平均波动和最大波动幅度作为输送稳定性的评价标准,通过大数据分析得到掺混萃余物对粉体输送稳定性的影响规律。结果表明:HR指数和FF函数表征方法均说明掺混20%萃余物会导致粉体的流动性变差;在相同表观气速下,高背压4 MPa下掺混20%萃余物对粉体输送过程的质量流量影响较小,而低背压2 MPa下掺混20%萃余物则会导致粉体输送的质量流量降低;在低表观气速区,掺混20%萃余物会导致输送过程中的粉体质量浓度降低,当表观气速增大至临界气速后,输送混合粉体和煤粉时管道内颗粒的质量浓度相近;当表观气速低于4 m/s时,掺混20%萃余物的粉体输送稳定性不如煤粉,当表观气速增大至4 m/s后,混合粉体的输送稳定性提高至煤粉输送同一水平,其质量流量平均波动幅度小于4%,最大波动幅度小于15%,水平直管段压差平均波动幅度小于8%,最大波动幅度小于40%。     

仰斜综放开采顶煤运移规律及合理放煤参数研究

为研究不同倾角的煤层在放煤过程中顶煤的运移规律和确定合理的放煤参数,采用PFC^2D颗粒流软件模拟济宁二号煤矿10301工作面不同倾角下的顶煤运移规律,并结合现场实测确定合理的放煤参数,得到了采放比、放煤步距、仰采角度对顶煤放出率的影响规律。结果表明：仰采角度越大,顶煤从初始位置运移到放煤口的位移距离越长;仰采角度越大,顶煤运移轨迹形成“倒勺子”形状就越明显,放煤过程中顶煤越容易向采空区运移,顶煤放出率越低;随着支架倾角的增加,顶煤在运移过程中与支架相互作用形成的“力链拱”、成拱效应越明显;济宁二号煤矿10301工作面的最佳采高确定为3.5 m,最佳放煤步距为0.8 m,最佳采放比为1:3,确定最佳放煤含矸率为7%;现场实测与模拟结果相近,验证数值模拟的可行性。