管径与出口流量对液态CO2输送过程特性影响

管输液态CO₂不仅可以进行采空区火灾防治,还能够将CO₂有效储藏到地下,符合当前全球经济发展模式。根据液态CO₂相变特性,同时结合CO₂输送技术以及矿井防灭火的需要,采用商业模拟软件ASPEN HYSYS V8.4对液输CO₂过程进行模拟,研究了不同管道规格与出口流量对液态CO₂输送过程中温压特性影响以及输送距离的变化规律。结果表明,过小的管径会使CO₂输送过程中产生较大的压降;管径过高,会导致CO₂在输送过程中流速过慢,与周围环境换热更充分,液态CO₂容易发生相变;同时对于不同管道规格,应设置不同CO₂出口流量以确保CO₂安全、经济高效运输。该研究对建立从煤矿地面向井下安全输送液态CO₂管道系统具有重要的指导意义。     

采空区液态CO2防灭火技术应用

隆安煤业为预防11304工作面回采期间采空区遗留煤体自燃造成CO超限问题,为保证工作面安全回采,对采空区采取液态CO₂压注防灭火技术,对液态CO₂的输送方案、管路布置及注液流量进行设计,并通过现场应用及效果分析可知：液态CO₂压注下回风流CO浓度由13×10^-6ppm降低至3×10^-6ppm以下,且能抑制采空区遗留煤体氧化自燃。     

液态CO2溶浸无烟煤的氧化动力学特征

作为温室效应的主要来源,CO₂的循环再利用成为研究的热点。在矿山灾害防治技术领域,液态CO₂在煤自燃灾害防治和煤层瓦斯置换驱替方面发挥了重要作用。低温液态CO₂(-56～-20℃)与煤体接触产生对流换热,煤体内部受到热应力作用产生损伤破坏,煤体的孔裂隙发育及比表面积发生变化,氧化过程与空气中氧的结合能力改变,氧化性发生显著变化。为了分析液态CO₂低温损伤煤体后的氧化特征,以河南永城矿区无烟煤为对象,开展热重分析实验,研究了原煤样及液态CO₂处理煤样的氧化过程特征温度,采用FWO和KAS两种非等温方法计算了氧化动力学参数,分析了液态CO₂影响煤体氧化特征。结果表明:液态CO₂溶浸后无烟煤的临界温度和干裂温度比原煤样降低了2～8℃,增速温度、失重温度、着火温度、最大失重温度和燃尽温度提前了100～140℃,各特征温度对应的失重质量百分比较原煤样降低了0.8%～10.0%。煤样在失水失重、吸氧增重、热解和燃烧4个阶段的温度跨度区间均变小,煤...     

低透煤层液态CO2压裂增透理论与成套技术

低透煤层液态CO₂压裂兼具裂隙改造和驱替置换的双重瓦斯强化抽采作用,是一项易于与其他技术联合使用,具有规模化应用潜力的增透技术。提出了低透煤层液态CO₂压裂增透理论体系及成套技术框架;依据应力叠加原理和最大拉应力准则,考虑压注过程液态CO₂相态变化和低黏强渗透性,建立了液态CO₂压裂起裂压力确定模型;以I型断裂准则为裂缝扩展判别条件,建立了恒定注液流量下压裂孔口压力与裂缝扩展距离之间的量化表征关系,阐明了注液压力、压裂液黏度、裂缝产状对裂缝扩展的影响规律。依此为基础,提出了决定液态CO₂压裂增透煤层成套装备性能的4个关键参数及其计算方法,研制了国内首套井下压裂增透成套装备,研发了压裂增透施工工艺,分别在淮南矿区、彬长矿区等进行了推广应用。     

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...     

高瓦斯煤层注液态CO2压裂增透技术试验研究

基于液态CO₂的低温冻结及相变增压特性能够有效致裂煤体,可以达到煤层增透的目的。在淮南矿区张集北矿17246工作面开展了煤层注液态CO₂压裂增透技术工业性试验,沿工作面走向布置2个压裂钻孔、12个抽采钻孔,分2个阶段进行压裂试验,压注液态CO₂共计4.0 t。对Y₁、Y₂压裂钻孔的压力、流量及泵压进行在线监测,实测压裂后连续26 d瓦斯抽采效果。研究结果表明：试验过程中压裂液流量随压力升高呈现波动特性,试验工艺系统稳定;抽采支管的瓦斯纯流量是压裂前的2.1~3.2倍,瓦斯浓度是压裂前的1.6~3.1倍,累计26 d的瓦斯抽采总量为32 288.57 m³,与普通密置钻孔抽采瓦斯技术相比,经液态CO₂压裂后煤层瓦斯抽采效率明显提高。     

涌水采空区自燃火灾防治技术研究及应用

针对涌水采空区自然发火问题，采用惰性复合材料和惰性气体对采空区进行充填惰化，研究了惰性复合材料和惰性气体防灭火机理，利用光纤测温和束管测气技术，对粉煤灰灌浆和液态CO₂在22101涌水采空区煤自燃火灾防治中的实际应用效果进行研究分析。结果表明：在涌水量较大的采空区，液态CO₂比粉煤灰灌浆的环境适应性更好，能够迅速扩散并惰化拟处理区域，中断遗煤的加速氧化过程；在采空区形成窒息环境之前，遗煤氧化过程减慢但仍在持续。分析认为，粉煤灰灌浆在大涌水工况下的扩散性和稳定后的滞留性有待进一步优化，与液态CO₂结合使用，可提升对涌水采空区自燃火灾防治的应用效果。     

基于分子模拟的微观结构特征对无烟煤吸附CH4、CO2影响规律对比研究

为探究煤的孔径、芳香片层堆砌度、芳香片层延展度、气体温度、气体压力对CH₄和CO₂竞争吸附的影响,以晋城矿区3号煤为研究对象,对不同温度、压力、孔径、芳香片层堆砌度、芳香片层延展度下煤吸附CH₄、CO₂二元混合气体的过程进行研究。基于工业分析、X射线衍射试验对煤的微观结构进行测试与分析,采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)方法对煤吸附混合气体的过程进行分子模拟。结果表明：气体压力增加有利于吸附,压力为5 MPa时,CO₂的吸附量已接近饱和;温度增加会导致煤对CO₂的最大吸附量和吸附热降低;孔径增大会使煤对CH₄的吸附量增大,孔径从1 nm增加到2 nm,CH₄的吸附量增加最快;随着芳香片层堆砌度的增加,煤吸附的气体分子数变化不明显,但单位质量煤对CO₂的吸附量呈迅速下降趋势,对CH₄的吸附量略有降低;随着芳香片层延展度的增加,煤吸附的CH₄分子数缓慢...     

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。     

基于COMSOL-PHREEQC的CO2+O2地浸采铀反应运移数值模拟

铀资源是的世界上重要的战略资源,如何安全高效开发利用铀资源,对保障国家能源供应和国家战略安全意义重大。CO₂+O₂地浸采铀是砂岩型铀矿采冶的主要方式,研究CO₂+O₂溶浸过程中水动力场和化学场的耦合机制是预测地浸采铀过程中铀动态浸出的关键核心。以内蒙古某煤铀共存矿床为对象,通过COMSOL构建地浸过程中溶质运移的对流与弥散模型,通过PHREEQC构建砂岩型铀矿CO₂+O₂溶浸过程的热力学数据库,利用iCP平台(Interface COMSOL-PHREEQC)建立COMSOL-PHREEQC耦合框架的CO₂+O₂地浸采铀的反应运移数值模型,模拟了CO₂+O₂地浸过程中铀矿动态浸出过程。同时,基于参数敏感性分析定量比较了不同参数对铀浸出效果影响的重要性程度。研究结果表明,本模型能够模拟预测CO₂+O₂溶浸过程中铀的反应运移过程。...     

利用NaOH溶液吸收捕集烟气中的 CO2

利用NaOH溶液吸收捕集模拟烟气中的CO₂,重点考察了NaOH溶液浓度、烟气中CO₂浓度、NaOH溶液温度、烟气流量等对CO₂脱除效率的影响规律,并考察了烟气中SO₂的存在对CO₂吸收的影响。结果表明,在实验室条件下,通过鼓泡反应装置,利用NaOH溶液吸收模拟烟气中的CO₂,CO₂脱除效率随着NaOH溶液浓度、烟气流量和鼓泡气管插入深度的增加先增加后降低,随着CO₂浓度、NaOH溶液温度的增加逐渐降低。在优化工艺条件下,CO₂脱除效率可高达97%。     

建筑群布局对燃煤电厂周边CO2分布特征的影响研究

针对燃煤电厂碳排放量增加和城市低碳环保需求日益提高的矛盾,采用流体动力学(CFD)模拟技术对燃煤电厂及周边建筑群进行有限元建模,研究不同风速和烟囱高度影响下燃煤电厂周边CO₂含量的分布情况;并通过改变燃煤电厂周边建筑群的布局结构,研究建筑群布局对CO₂含量及速度场分布的影响。研究结果表明,当风速变大时,与碳排放源相距较近处的CO₂含量就会降低,而与碳排放源相距较远处的CO₂含量会增加;当燃煤电厂烟囱高度增加时,下风向地表相同高度的CO₂含量会呈现指数级下降;不同类型建筑群周边的CO₂含量不同,下降型和凸字型建筑群附近的CO₂含量较低,适合作为燃煤电厂下风向建筑群。     

CH4/CO2不同浓度混合气体的吸附－解吸实验

选择山东菜园矿的气煤和山西古交矿的焦煤的平衡水煤样对不同浓度的CH₄和CO₂混合气体进行了吸附－解吸实验,分析了CH₄和CO₂在吸附－解吸过程中各组分浓度的变化规律,并探讨分析了实验过程中出现高压阶段吸附量小于低压时的原因.结果表明,不同浓度的CH₄和CO₂混合气体的解吸曲线都滞后于吸附曲线;相同条件下,焦煤的吸附量大于气煤的吸附量;CO₂与CH₄浓度之比越大,气体的吸附量越大;吸附过程中,CO₂组分的吸附速率是先快后慢,而CH₄组分的吸附速率先慢后快,解吸时则相反.吸附和解吸平衡时,游离相中的CO₂浓度低于原始混合气体中的CO₂浓度,CH₄浓度高于原始气体中CH₄浓度.实验结果证实了CO₂在与CH₄的竞争吸附中占据优势,注入CO₂可以有效地置换或驱替煤层CH₄,注入CO₂气体的数量越大、相对浓度越高,单位压差CH₄解吸率和CO₂吸附率就越高.     

延长油田CO2大气扩散数值模拟研究及监测点位优化

由于陕北地区局部气象环境复杂,造成CO₂浓度扩散方向的不确定性,同时,延长油田地处黄土塬,地貌沟壑纵横高低起伏,导致布置CO₂大气监测点位困难。本文基于Fluent软件模拟了不同泄漏情景下CO₂驱油与封存泄漏后在大气中的扩散规律,优化监测点位布局,并开展了监测实践。研究结果表明：随着风速的不断增加,CO₂云的浓度在纵向上呈现出一直缩小的趋势,但是CO₂云的浓度在横向上的扩散距离呈现出先增大后缩小的趋势;当风速为2.0 m/s时,CO₂云的扩散距离最远为47 m,浓度最大的CO₂云扩散距离为15 m;随着泄漏速度的增大,近地表处CO₂云的浓度无论是在纵向上还是在横向上都在不断增大;当泄漏速度小于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO₂云的扩散距离增加得较快;当泄漏速度大于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO₂云的扩散距离增加速率变缓。结合模拟结果、陕北地区气象环...     

凝析气藏注烟道气储层流体相态及组分优化

注烟道气是凝析气藏保持地层压力,提高凝析油采收率的一种途径,同时也是实现CO₂埋存、迈向“碳达峰”与“碳中和”目标的重要举措。注气过程中流体相态行为比较复杂,并且对开发效果影响显著。目前相关研究多集中在注CO₂、N₂等单一气体对凝析气藏流体相态的影响规律方面,而烟道气为两者混合气体,对于不同比例气体组分的复合影响尚不清楚,基于相态的烟道气组分优化也缺少相应的依据。基于PR状态方程及相平衡理论,在实例凝析气藏条件下,绘制P-T相图并分析了注入气(CO₂、N₂和二者混合)对两相区分布和露点压力的影响规律;利用模拟等容衰竭实验研究了反凝析过程中注入气对含油饱和度及凝析油采出程度的影响;运用混合单元格方法计算最小混相压力,对比了烟道气各组分与凝析油的混相能力;根据注烟道气的相态特征,确定了注烟道气开发对策和组分优化方案。研究结果表明：注入烟道气会增大混合区的露点压力,其中,N₂起到增大露点压力作用,而CO₂则起到减小露点压力作用;烟道气对凝析...     

深煤层二氧化碳埋存技术难题及解决方案初探

在CO₂的捕获和埋存技术中,深煤层CO2埋存技术堪称非零和博弈的典范。CO₂在深煤层的埋存不仅可以减少温室气体,同时可以驱替煤层中的CH₄气体,达到煤层气增产目的。然而,由于目前对深部煤层储层特性的研究还较为局限,深煤层CO₂埋存技术还存在诸多问题亟待解决。阐述了深煤层CO₂埋存技术的发展现状,归纳总结了目前主要存在的4大技术难题,即流固耦合问题、CO₂超临界吸附问题、埋存安全问题和地质工程整合问题,并初步探讨了解决以上问题的研究方向,强调进一步补充实验数据和数值模拟是目前技术攻关的当务之急,提出“建立深煤层CO₂可封存性评价体系”的概念。     

浅议天然气、煤层气、页岩气成藏特征及勘探开发

为明确构造煤微观结构部分组成因素对CO₂和CH₄竞争吸附能力的影响机制,基于巨正则蒙特卡洛、分子动力学方法和密度泛函理论,探讨了芳香单元延展度(L_a)、芳香单元堆砌层数(N)、狭缝孔径(d)、表面缺陷(V)及含氧官能团(M)对CO₂和CH₄吸附能力的影响。结果表明：CO₂和CH₄吸附量及平均等量吸附热随L_a和d的增加而增大,随N的增加而减小;构造煤中V和M的存在会降低CO₂和CH₄的吸附量和平均等量吸附热;CO₂和CH₄在次生缺陷表面煤上的吸附强于其在单缺陷表面煤上的吸附;羧基最不利于CO₂在煤表面的吸附,羟基最不利于CH₄在煤表面的吸附;CO₂/CH₄的选择性系数始终大于1,狭缝孔径越小,CO₂竞争吸附优势越显著;煤表面吸附CO₂和CH₄后,费米能级处CO₂的电子态密度峰值大于CH₄的电子态密度峰值,说明CO₂在与CH₄竞争吸附过程中处于优势地位。研究从微观角度揭示了CO₂和CH₄在不同构造煤结构中的竞争吸附机理,其结论可为煤层气高效开采提供一定的理论依据。

     

双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径

“双碳”目标的提出给煤炭行业绿色低碳发展带来了新挑战和新要求。针对煤炭开发利用全生命周期过程中“煤基固废-CO₂”双重近零排放的要求,通过探究煤炭开发利用过程中的碳排放源,结合现有充填开采技术,提出了以“煤基固废-CO₂”近零排放为核心的协同充填封存技术构想,以实现煤炭开采与“煤基固废-CO₂”充填封存的“内部闭圈消化”。基于矸石零排放研究团队相关成果,提出了三类功能性充填材料,其中第一、二类充填材料可控制覆岩移动和构筑充填单元体,形成以煤层底板、充填体、煤柱及上覆顶板为边界,地质盖层为最后屏障的CO₂地下封存空间;第三类充填材料可与CO₂发生化学反应,实现对CO₂的矿化封存。基于此,分析了“煤基固废-CO₂”协同充填封存的关键问题：煤层赋存地质条件评价;CO₂封存空间稳定性控制;CO₂封存能力估算;CO₂充注效果监测与调控;CO₂封存安全风险应急处理。该构想的提出可为我国煤炭行业低碳绿色发展提供新思路。

     

五点法井网CO2-N2驱前置CO2段塞尺寸优化

为了优选五点法井网条件下CO₂-N₂驱前置CO₂段塞的尺寸,类比YS油田的实际情况,用CMG油藏数值模拟软件进行了低渗特低渗油层CO₂-N₂驱数值模拟研究。结果表明,在低渗特低渗油层五点法井网中,CO₂-N₂驱的前置CO₂段塞尺寸均以0.4PV为宜,按照极限日产油量约束条件结束采油生产不仅可以获得较高的采收率,且其吨油气体成本也最低,是最佳的生产方式;衰竭期的原油采收率增幅很小,但注入气回采率较大,且所回采的注入气经处理后仍可继续注入油层提高采收率。     

液态CO2防灭火技术在泰山隆安煤矿11303综采工作面中的应用

针对11303综采工作面在回采过程中易出现采空区遗煤氧化自燃问题,通过对液态CO₂防灭火基本原理及施工工艺进行分析,并结合工作面煤层地质条件和开采条件,提出了采空区灌注液态CO₂防灭火技术方案和指标气体监测方案,并在工作面进行了应用,根据监测结果分析表明：采取该方案后,工作面采空区内的O₂和CO浓度明显降低,且工作面上隅角和回风流中的空气温度也出现明显下降,采空区遗煤氧化自燃现象得到有效抑制,为工作面安全高效生产提供保障。