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%。     

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。     

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%。     

松散煤体注CO_2置驱CH_4效应实验研究

为了研究现场试验"液态CO_2致裂煤体-置驱瓦斯"过程中相变成气态CO_2气体置换与驱替煤体CH_4主要机理及其主导作用。利用自制实验装置,进行了不同实验条件下煤体注CO_2气体置驱瓦斯模拟实验。实验结果表明:在注气初期0~50 min,2种气体组分浓度迅速上升,此过程中置换效应明显;50~300 min,气体浓度变化逐渐趋于平稳,主要依据CO_2自身特性优势,将吸附在煤体吸附域中的CH_4气体驱替出来使其沿着煤体孔裂隙渗流扩散,这一过程中驱替效应占主导作用;300 min后处于置换与驱替效应相互作用的低效置驱阶段。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

Prediction on adsorption ratio of carbon dioxide to methane on coals with multiple linear regression

The multiple linear regression equations for adsorption ratio of CO2/CH4 and its coal quality indexes were built with SPSS software on basis of existing coal quality data and its adsorption amount of CO2 and OH4. The regression equations built were tested with data collected from some s, and the influences of coal quality indexes on adsorption ratio of CO2/CH4 were studied with investigation of regression equations. The study results show that the regression equation for adsorption ratio of CO2/CH4 and volatile matter, ash and moisture in coal can be obtained with multiple linear regression analysis, that the influence of same coal quality index with the degree of metamorphosis or influence of coal quality indexes for same coal rank on adsorption ratio is not consistent.     

CO2/CH4在狭缝型孔内竞争吸附的分子模拟

采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)方法研究了储层温度、压力条件以及CO2/CH4混合气中CO2摩尔分数对煤中狭缝型孔分离CO2/CH4的影响。气体分子之间作用均采用单点Lennard-Jones(LJ)模型,气体分子与孔壁之间的作用势则用Steele 10-4-3模型描述。研究结果表明：CO2相对CH4的平衡分离系数SCO2/CH4最初都是随着压力的增加而增加,直到达到峰值,然后随着压力的增加而减小,在20 MPa时趋于恒定;压力低于20 MPa时,SCO2/CH4随着温度的增加而增加,压力高于20 MPa后,SCO2/CH4对于温度的变化不敏感; 压力为10、20 MPa时,SCO2/CH4先是随着CO2摩尔分数的增加而增加,直到达到最大值,而后随着CO2摩尔分数的增加而减少。因此,在现场实施CO2不可采煤层封存时,需要综合考虑各种因素对于CO2/CH4二元吸附的影响,对实际操作条件进行优化。     

含氧煤层气在碳分子筛上的吸附动力学

为探究基于动力学分离效应的碳分子筛对含氧煤层气的吸附分离特性,对煤层气中CH4,N2,O2三种气体在两种商业碳分子筛（CMS-1,CMS-2）上的吸附动力学和平衡吸附特性开展了研究。结果表明：这两种碳分子筛对CH4的平衡吸附量均大于N2和O2,为甲烷选择性吸附剂;通过扩散模型的模拟和分析指出,采用分段微孔扩散模型能够很好地预测3种气体在碳分子筛上的动态吸附过程; CH4,N2,O2三种气体分别在Fc为0.5,0.6,0.7之前呈现较快的扩散速率,随后扩散速率明显变慢。CMS-1,CMS-2两种碳分子筛均存在动力学吸附特性和平衡分离特性相互抑制的现象,N2,O2与CH4的综合分离因子分别为5.84,18.75,4.20,16.82,表明这两种碳分子筛均具有较好的煤层气的脱氧浓缩性能。     

甲烷及二氧化碳在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为

采用容量法确定吸附量的方法,基于Fick第二定律,在吸附平衡压力约为1.4 MPa,温度为35～65 ℃的实验条件下,研究了甲烷（CH4）和二氧化碳（CO 2）在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为。研究结果表明：Fick第二定律能够很好地描述CH 4及CO 2在不同煤阶煤内部的扩散行为;CH 4和CO 2有效扩散系数随着吸附温度的升高而增大,同时有效扩散系数和煤阶（利用镜质组最大反射率R o,max表征）之间呈现“U”形关系;相同条件下,同种煤样的CO 2有效扩散系数高于CH 4;CH 4和CO 2在不同煤阶煤内部的扩散主要受微孔内部的表面扩散控制。     

二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸的实验研究

为了研究受限空间内二氧化碳-超细水雾对甲烷爆炸的影响,通过自行设计的120mm×120mm×840mm半封闭透明的甲烷爆炸实验台,开展不同气雾比二氧化碳-超细水雾对化学当量比甲烷-空气预混气体的抑爆研究。实验结果表明：二氧化碳和超细水雾结合的抑爆效果要优于单独使用任何一种抑制剂效果之和;CO2体积分数一定的情况下,甲烷气体的爆炸压力、压升速率和爆炸火焰的传播速度均随着超细水雾体积量的增加而明显减小。当单独加入体积分数为2%CO2和1.4mL超细水雾时,两种工况下压力峰值下降之和为72.3mbar;而在两者共同作用下,9.5%甲烷爆炸的超压峰值下降了92.95mbar,说明二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸时具有协同效应。