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。     

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。     

煤中CH4扩散影响因素的分子动力学分析

为从微观角度分析煤中甲烷扩散影响因素,以孙家湾、大同、双鸭山3种煤样为研究对象,基于XRD衍射试验结果,构建3种煤大分子结构模型,采用分子动力学模拟方法,研究压力、温度、CO₂、H₂O对CH₄分子在煤中扩散的影响,揭示了不同影响因素下煤中CH4扩散系数变化规律。研究结果表明:压力增加,CH4分子在3种煤中扩散系数先减小后趋于稳定,当压力增大到一定值后孙家湾、大同、双鸭山3种煤中CH4分子扩散系数将分别稳定于1.084×10^-8、0.770×10^-8、1.137×10^-8m²/s;相同压力条件下,3种煤中CH4分子扩散速率由大到小顺序为双鸭山煤、孙家湾煤、大同煤。温度升高,CH4分子在3种煤中的均方位移均增大,有利于其扩散,不利于其吸附;温度变化对CH4分子在3种煤中扩散速率影响程度由大到小为孙家湾煤、双鸭山煤、大同煤。在一定范围内,水体积分数增加对CH4分子扩散具有阻碍作用,含水饱和度增加对孙家湾与大同煤中CH4分子扩散速率影响较大,对双鸭山煤中CH4分子扩散速率影响较小,注水采气法对孙家湾煤矿与大同煤矿更有效。随CO₂体积分数增加,CH4分子扩散系数减小。CO₂对煤中CH4分子扩散抑制作用由强到弱为大同煤、孙家湾煤、双鸭山煤。与H₂O相比,CO₂对CH4分子在煤层中的扩散抑制作用更强,从分子动力学扩散系数角度表明煤层注CO₂采气法更有效。     

东曲矿8号煤CO2和CH4竞争吸附特性分子模拟研究

深入了解煤层中CO₂和CH₄竞争吸附的微观机制是实现CO₂驱替甲烷开采(CO₂-ECBM)的关键,基于东曲矿8号煤的大分子结构模型开展了CO₂和CH₄的单组分与双组分竞争吸附研究。结果表明：单组分吸附中CO₂的吸附量显著大于CH₄的吸附量,双组分竞争吸附中的总吸附量随着CO₂的摩尔分数的增大而增大;不同摩尔比条件下的双组分吸附中CO₂对CH₄的选择性吸附系数始终大于1,且CO₂摩尔分数越大,选择性吸附系数越小;相互作用能随着吸附量的增大而显著增大,CO₂吸附体系中较大的静电能促进了煤大分子对CO₂吸附,因此,不同摩尔比体系的相互作用能随着CO₂摩尔分数的增加而显著增加;单组分吸附中CO₂的吸附势大于CH₄的吸附势,双组...     

煤表面与CH4，CO2相互作用的量子化学研究

利用量子化学从头计算方法研究了煤表面与CH₄，CO₂分子间的作用能，发现二者在煤表面的吸附都属于物理吸附，且煤表面对CO₂分子的吸附势阱远大于对CH₄分子吸附势阱，说明CO₂在煤表面的吸附更稳定，从而在微观上解释了煤对CO₂吸附能力大于对CH₄的实验现象.     

基于分离CH4/N2用碳分子筛的特性表征方法及吸附评价

针对CH₄/N₂变压吸附用碳分子筛建立统一的表征方法及评价体系,有利于客观评价吸附剂的性能优劣,以便于指导分离CH₄/N₂用碳分子筛的选择与制备。选用分离效果较优的典型性碳分子筛样品,采用氮吸附脱附法对样品的孔隙结构进行表征,用扫描电镜观察样品的表面形貌,通过X射线衍射和X-射线光电子能谱对样品的表面元素组成和化学状态进行表征,利用自制高压吸附装置、热重分析仪和变压吸附装置对样品平衡吸附、动力学吸附和变压吸附性能进行试验研究。结果表明：碳分子筛中的微孔发挥关键性分离作用,应结合孔容与孔径分布情况开展分离性能评价;碳分子筛表面的含氧官能团可形成活性中心,促进样品的吸附分离;CH₄/N₂平衡吸附分离比大于3时,可实现对煤层气中CH₄/N₂的有效分离;由样品动力学吸附表明,吸附初期N₂的吸附速率明显大于CH₄,可用PSA分离CH₄/N₂     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

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...     

构造煤吸附CH4的特征及其吸附热力学研究

基于构造煤宏观结构分析,利用低温氮气吸脱附、高压CH₄吸附实验,结合分形、等量吸附热和吸附势理论,分析不同变形程度无烟煤表面异质性、热力学特性,探讨造成其变化趋势的根本原因。结果表明：随变形程度的增加,构造煤的吸附量大小顺序为糜棱煤>碎裂煤>碎粒煤。运用分形理论对构造煤的表面和孔结构分形维数的研究,发现碎粒煤的孔结构最复杂。构造煤的表面异质性随着变形的发生,不断减小。随着煤样等温吸附量的增加,碎粒煤的吸附热呈现逐渐增大的趋势,然而碎裂煤和糜棱煤则呈现减小的趋势,引起不同变化的原因为范德华力和毛细管力。吸附势与吸附体积呈反比例关系,与构造煤表面的孔隙结构的比表面积的变化趋势一致,与煤脂肪烃和含氧官能团等小分子不断脱落有关。对构造煤吸附变化的深入剖析为研究煤与CH₄的作用机理提供相关基础数据。     

高温高压平衡水条件下煤吸附CH4实验

以北皂矿的褐煤、蔡园矿的气煤、西曲矿的焦煤和古汉山矿的无烟煤作为研究煤样,模拟深部煤层的实际温度、压力和水分含量条件,进行高温高压平衡水条件下煤吸附CH4实验.实验结果表明：褐煤的朗格缪尔体积(VL)随温度的升高而减小;焦煤的朗格缪尔体积随温度的升高而增大;气煤和无烟煤的朗格缪尔体积随温度的升高先增大,后减小。研究表明：煤层埋藏深度增加,温度增高,吸附量减小;温度增高,平衡水分含量降低;平衡水分含量降低,吸附量增大.高温高压平衡水条件下煤吸附CH4的实验结果表现的特性是由于压力、温度和水分对煤吸附的综合作用的结果.在开展深部煤层等温吸附实验研究时,应该选用与模拟深度相对应的温度下平衡水含量的煤样。     

低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究

概括地介绍了通过实验提示的三维应力作用下,煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律,据此提出三维地层压力是导致煤层渗透性降低的主要因素。基于实验、理论与数值分析,论述了水力压裂技术在改造低渗透煤层中的局限性,其机理是水力压裂技术仅能在煤层中产生极少量的裂缝,而且在压裂裂缝周围还会产生应力集中区,该区事实上成为煤层气开采的屏障区;本煤储层割缝,使煤层卸压的同时,还产生大量裂缝,是改造低渗透煤储层的最有利的技术方向,并研究了有效的割缝高度。     

含瓦斯煤渗透率各向异性研究

为研究含瓦斯煤各向异性渗流特征,以原煤煤样为研究对象,以含瓦斯煤三轴渗流实验系统为实验平台,开展了含瓦斯煤的各向异性渗流规律的研究,确定了含瓦斯煤各向异性渗透率主值及其方位的计算方法,定义了含瓦斯煤渗透率各向异性率,重点分析了含瓦斯煤渗透率各向异性动态变化规律和瓦斯优势流动方向的转变现象。研究结果表明:煤体瓦斯流动具有非常明显的各向异性特征,本文所提出的含瓦斯煤各向异性渗透率计算方法简单有效;含瓦斯煤具有较强的应力敏感性,其渗透率与有效应力之间符合负指数函数变化规律;含瓦斯煤渗透率的各向异性随有效应力的变化表现出了明显的动态变化发展规律,优势流动方向存在转变现象。     

含瓦斯煤渗透率演化模型和实验分析

与气体压力有关的煤层渗透率变化规律是煤矿开采和煤层气开发过程中的重要问题,不同应力条件下,不同类型煤样的渗透率演化特征不同。为了研究瓦斯压力变化过程中煤样渗透性的变化规律,以开滦赵各庄煤矿9号煤层的煤样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,在恒定温度、轴压和围压,降低瓦斯压力的实验条件下测定了煤样应变和瓦斯渗透率。实验结果表明:随着瓦斯压力的降低,煤样收缩应变加剧,渗透率表现为两种变化趋势:逐渐增大和先减小后增大(渗透率回升对应的瓦斯压力小于1. 0 MPa)。瓦斯压力降低至0. 3 MPa时,渗透率为初始条件下(瓦斯压力2. 0 MPa)渗透率的1. 9～2. 9倍。考虑到煤样在径向和轴向的收缩应变数值接近,针对三维变形煤样建立了渗透率模型,模型同时体现了气体压力和气体解吸对渗透率的影响。理论分析表明,降压过程中煤的渗透率将在某一气体压力(反弹气体压力pr)时由降低转为升高。推导的反弹气体压力pr计算公式显示pr的取值由煤样的体积模量K、与吸附效应有关的Langmuir系数εp和pL共同决定;体积模量K与吸附变形系数εp越大,pr越大。值得注意的是,pr的取值与煤样的外部应力以及内部的气体压力无关。结合本文和前人的实验数据,由本文的渗透率模型计算得到了不同应力和瓦斯压力条件下的煤样渗透率变化曲线以及相应的反弹气体压力pr。模型计算结果与实验数据接近,最大相对误差低于8. 9%。研究表明,实验测得煤样的渗透率表现为何种变化趋势,取决于反弹气体压力pr和实验气体压力的关系。当pr≥pmax(实验测点中最大的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而降低;当pr≤pmin(实验测点中最小的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而增大;当pminprpmax时,随瓦斯压力的增大,煤样渗透率呈"V"形变化,即先减小后增大。     

气相压裂增透技术强化煤层瓦斯抽采效果的研究

针对高瓦斯低透煤层瓦斯抽采效果差、抽采成本高、抽采时间长等问题,通过应用气相压裂增透技术来强化煤层的瓦斯抽采效果,实验和现场测试分析压裂前后煤样的孔隙裂隙基本参数变化情况,明确增透强化的机理。结果表明:气相压裂煤层孔容和比表面积均以大孔为主;在不同吸附平衡压力和粒径下,压裂煤层的扩散系数随着时间的延长减小的幅度存在差异;气相压裂后煤层孔隙裂隙基本参数都呈现增大的趋势,有利于缩短瓦斯扩散路径,提高瓦斯扩散系数;气相压裂后,钻孔有效抽采半径、煤层透气性系数和渗透率分别提高了2.1~4.3倍、54~96倍和7.54~30.40倍,从而判定压裂煤层由原始难抽采煤层转化为易抽采煤层,气相压裂增透强化瓦斯抽采效果明显。     

载荷作用下煤体变形与渗透性的相关性研究

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行了不同气体压力作用下煤样全应力应变过程的瓦斯渗流实验。实验结果显示,煤样渗透率与变形之间存在内在关联,渗透率变化呈现阶段性特点。基于考虑气体吸附性的含瓦斯煤有效应力,建立了加载煤样变形与渗透率的相关性模型,研究受荷煤样变形与瓦斯渗流的相互关系。理论分析表明：当应力控制边界条件时,渗透率与煤样变形密切相关;煤样渗透率的变化受到有效应力、煤样变形模量、孔隙率和气体吸附性的共同作用;有效应力系数是联系煤样变形和渗透率的关键参量。由于理论计算结果与实验曲线较为接近,因此模型反映了不同瓦斯压力下加载煤样变形与渗透率变化的基本特征。     

开发过程中煤储层渗透率动态变化特征

为了摸清开发过程中煤储层渗透率动态变化特征,分析了影响煤储层渗透率动态变化的3种效应,引用了P & M渗透率模型,并以沁水煤层气田二叠系山西组3号煤储层为例,模拟了储层压力从初始值降至衰竭压力整个过程中煤储层渗透率的变化.结果显示:渗透率先减小后增大;压力降至临界解吸压力3.8 MPa,渗透率衰减少了34%,降至最低值;继续降压至2.5 MPa,渗透率回弹至初始水平;降压至衰竭压力0.7 MPa时,渗透率增至初始渗透率的2.8倍,预示该区块有较好的产气条件和前景.并通过敏感性分析得出,杨氏模量越大,基质收缩效果越显著,含气饱和度越高,越有利于改善煤储层渗透率.并据此提出2条建议：① 在进行煤层气区块优选时,应加入“动态渗透率”这个关键参数,这样可能会发现“先天”条件差而开发中后期物性易得到改善、开发潜力较大的区块;② 以渗透率动态变化特征为依据,不断调整和优化排水降压幅度和节奏.     

低渗煤层压裂增透新技术研究

介绍了水力压裂增透新技术的特点。该技术在平顶山等矿区共实施了250余次工业性试验,结果表明,水力压裂增透新技术可使煤层透气性系数增加近千倍,单孔瓦斯抽采量增加上百倍,衰减系数降低7.45倍,是突出煤层实现区域消突的一条有效途径。     

煤吸附瓦斯细观特性研究

为研究甲烷吸附孔隙压力对煤膨胀变形的影响,实验应用μCT225kVFCB型高精度显微CT实验系统,对直径为5 mm的细观煤样进行了不同孔隙压力下的吸附瓦斯扫描实验,并通过对其孔隙率与膨胀变形量的观测与分析得到了煤吸附瓦斯细观特性。研究发现：在细观实验中煤样吸附瓦斯会导致煤体孔隙率下降,并发生体积膨胀变形;体积膨胀变形规律符合朗格缪尔方程,且煤样不同位置的孔隙率与体积变化均具有非均匀性。研究结果表明：在吸附瓦斯过程中,煤体骨架体积膨胀会导致煤体孔隙体积减小与外观体积膨胀,且煤体骨架膨胀变形时更倾向于通过挤压煤体原始孔隙来获得膨胀空间。     

铁法矿区高瓦斯低透气性煤层群卸压煤层气抽采钻孔布置

基于铁法矿区高瓦斯低透气性煤层群地质及开采技术条件,采用物理模拟方法系统分析了煤层群不同开采顺序时采动裂隙演化特征,运用CFD（Computational Fluid Dynamics）Fluent分析了U型负压通风条件下采空区瓦斯流动规律,总结了铁法矿区卸压煤层气抽采钻孔布置原则。研究结果表明：回采巷道内侧约在工作面倾斜长度的1/3处为采动裂隙发育区、距回风巷30~80 m范围为高浓度瓦斯富集区。铁法矿区煤层气抽采钻孔布置的原则为：垂直方向上钻孔终孔位置布置在断裂带下1/3处、地面钻井的合理间距不小于100~150 m、沿工作面倾斜方向靠回风巷（1/3~1/2）工作面斜长范围为最佳的钻孔位置。     

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%。