煤层注热CO2驱替CH4特性实验研究*

为研究注CO2增产煤层气过程中注气温度对煤层渗透特性变化的影响,利用自主研发的CO2置换驱替CH4实验系统,在注气温度为40,50,60 ℃条件下进行CO2置换驱替CH4实验,定量分析置换驱替过程中出口气体流量、孔隙压力以及煤层渗透率等变化规律。研究结果表明:在实验测试的40~60 ℃范围内,提高CO2注入温度有助于产出更多的CH4及封存CO2,CO2注入温度越高,出口混合气体流量和CH4气体流量越大,呈现出先升高后降低并趋于稳定的变化趋势,实验结束时置换体积比分别为2.704,2.741和2.595,注气温度为60 ℃时驱替效果较好,每产出单位体积的CH4注入的CO2量最少;煤层孔隙压力随注气时间呈现先逐渐上升后趋于平稳的变化趋势,逐渐趋近注气压力0.8 MPa;注CO2置换驱替CH4及提高CO2注入温度会降低煤层的渗透性,注气温度恒定时,渗透率随注气时间增加呈现先逐渐降低后趋于平稳的变化规律,注气温度由40 ℃升至60 ℃时,渗透率从0.017 1×10-15 m2下降至0.009 8×10-15 m2,降低幅度为34.50%~42.69%。     

注气条件对CO2置换驱替CH4影响的实验研究*

为研究不同注气压力与注气温度对CO2置换驱替煤层CH4的影响规律,利用Materials Studio分子动力学模拟软件,通过煤体在2元组分混合气体间的竞争吸附量、竞争吸附热及能量分布等变化规律,从微观研究煤吸附CH4与CO2之间的机理,并利用物理实验平台,选用3种高变质程度煤进行注CO2置换驱替CH4实验。结果表明:同一种变质程度煤,随着注气压力或注气温度的增大,置换率呈增长趋势、驱替比呈下降趋势、CO2突破时间变短;相同注气压力与注气温度时煤的变质程度越高,置换效率越大、驱替比越小、CO2突破时间越长。并且注气压力对于CO2置换驱替CH4的效果要优于注气温度。     

注CO2置换/驱替煤中甲烷定量化研究

煤层注CO2促排瓦斯主要包含气体置换和流动驱替两种作用机理,但在注气过程中哪种机理占主导地位,能否将这两种机理剥离开还需要进一步研究。为了研究注CO2促排煤中甲烷的机理及其主导地位,进行了低应力载荷条件下分层预压成型煤样注CO2置换/驱替煤层甲烷的实验。实验结果表明:在置换和驱替最初246 min内,出气口没有检测到CO2气体,注入的CO2气体全部驻留在煤体中,没有随气流排出,宏观表现为仅有置换作用而没有驱替作用。在之后的1 180 min内,注入的CO2气体一部分继续驻留在煤体中,另一部分随气体流出,宏观表现为既有置换作用又有驱替作用,置换作用减弱,驱替作用增加的过程。在注气实验后期,随着注气时间的增加,煤体中CO2逐渐吸附平衡,驱替作用开始逐渐占据主导地位。截止到实验结束时,整个阶段过程中,置换作用累计贡献率为53.32%,驱替作用累计贡献率为46.68%,置换作用累计贡献率大于驱替作用累计贡献率,随着注气不断进行驱替作用累计贡献率会逐渐上升,会出现超过置换作用累计贡献率的现象。     

注气压力对不同注源气体置驱效应的影响

注气压力是煤层注气促排瓦斯工程技术的关键技术参数。为了研究注气压力对不同注源气体置驱煤中CH_4效应的影响,采用含瓦斯颗粒煤垂直应力载荷条件下向实验室注气模拟试验方法,开展1.25 MPa垂直载荷条件下无烟煤注入He、N_2和CO_2等气体置驱煤中CH_4的模拟试验。结果表明:在突破时间内注源气体全部滞留在煤层内;超过突破时间后,注源气体逐步从出口流出,其滞留率逐渐减小,最终只显现驱替作用。注源气体的突破时间随注气压力的增加而减少,随注源气体吸附性由强到弱而减少。置驱率由置换作用和驱替作用及其配比关系共同决定,其与注源气体吸附性强弱没有明显的关系,且注气压力越高置驱效率越高。     

等压扩散和高压注入条件下CO_2对煤中CH_4置换效应

为了揭示注气压力对置换煤层瓦斯效应的影响,开展了等压扩散和高压注气2种条件下CO_2对煤中CH_4置换试验研究。试验结果表明:在置换源气体充入量相等的条件下等压扩散试验中CO_2对煤中CH_4的置换量大于高压注气试验的置换量,且等压扩散条件下CO_2置换CH_4效率维持在0.44 cm~3/cm~3左右,而高压注气条件下CO2置换CH_4效率却随注入量的增加而持续增加,但其增加率逐渐衰减。等压扩散条件下吸附平衡后系统总压略有下降,降幅一般为8%左右;高压注气条件下吸附平衡后系统总压呈持续上升规律,最大增幅为60%。研究成果对该项技术工程应用的启示是:井下煤层注气置换/驱替煤层瓦斯时,不一定要追求高的注气压力,采用低压注气也可收到良好的促排瓦斯效果,又能大幅度提高注气的安全可靠性。     

高压注入和等压扩散条件下N2置换煤中CH4的研究

为探究注气置换抽采煤层瓦斯的效果,揭示注弱吸附性气体N2在等压扩散和高压注入2种条件下置换煤中CH4的机理,采用自行搭建的含瓦斯煤多元气体置换试验装置,开展等压扩散和高压注入2种条件下注N2置换煤中CH4的试验研究.研究结果表明:在注N2量相同的条件下,等压扩散置换量始终高于高压注气置换量,在等压扩散下N2置换CH4效...     

西沟煤矿注CO2促抽煤层瓦斯模拟研究

为了提高瓦斯抽采效果,以西沟煤矿5315工作面注气瓦斯抽采方案为工程背景,开展注CO₂促抽煤层瓦斯模拟研究。通过对注CO₂驱替煤层瓦斯机理研究,结合注气瓦斯抽采过程中的气体运移场和煤体变形场的耦合关系,建立了注CO₂促抽瓦斯固气耦合模型;利用COMSOL Multiphysics软件模拟了工作面注气瓦斯抽采,对比分析了注气瓦斯抽采与本煤层顺层钻孔抽采的瓦斯抽采效果,论证了煤层注CO₂促抽煤层瓦斯工艺的可行性与有效性。研究结果表明:在工作面瓦斯抽采90 d后注入CO₂,对瓦斯抽采的促抽效果明显,煤层瓦斯压力降至0.46~0.49 MPa,瓦斯含量降低至4.22 m3/t;在90 d后注入CO₂促抽煤层瓦斯,在瓦斯抽采至第180 d时,抽采效果较钻孔瓦斯抽采明显提高,煤层瓦斯压力降低了7.84%~9.26%,残余瓦斯含量减少了18.63%。通过工程实测可知,5315工作面在注入CO₂促抽煤层瓦斯抽采后的瓦斯压力与瓦斯含量分别降低至0.48 MPa和4.76 m3/t,有效降低了煤与瓦斯突出的危险性。     

封存过程中CO2流体与煤中矿物作用关系研究进展

利用深部煤层封存二氧化碳(CO2),既能减排主要人为温室气体CO2,又能同步开采煤层气(主要成分为甲烷,即CH4)。在适宜CO2封存的含煤储层条件下,CO2属于超临界流体,其易与煤中部分无机矿物发生作用,进而改变煤的理化性质,最终影响煤层的CO2封存效果。为此,归纳了煤中易与CO2发生作用的矿物分布特征,分析了CO2与矿物间的作用规律及其对煤理化性质的影响,并指出了后续研究方向。结果表明,煤中易与CO2流体发生作用的无机矿物主要包括碳酸盐矿物和黏土矿物。上述矿物的分布与煤变质程度和沉积环境有关。在封存过程中,超临界CO2流体与煤中矿物间的作用会改变煤体孔隙结构、煤的CO2吸附能力和含煤储层渗透率。针对CO2与煤中矿物的作用关系,后续需开展以下研究:CO2流体与煤中矿物之间的微观作用机理;CO2流体与煤层顶底板中主要无机矿物的作用规律;实际储层条件(温度、压力和地应力等)对CO2与矿物之间作用关系的影响;CO2与矿物之间的相互作用对同步采收CH4的影响。     

含CH_4煤岩注CO_2后力学性能及渗透性能试验研究

为观察含CH_4煤岩注入CO_2后力学和渗透性能的变化,用自制三轴吸附解吸渗流试验装置开展试验,研究型煤试件内气体种类和注气压力对注CO_2煤岩强度、渗透性和应变等参数变化的影响。试验结果表明:含CH_4煤岩注入CO_2后,单轴压缩应力-应变曲线与未注入CO_2的总体变化趋势相同,但煤岩强度等参数随注气压力的变化而变化。注入等孔隙压CO_2后,含CH_4煤岩的强度和弹性模量均明显上升,但煤岩中CH_4渗透率呈现下降趋势;随着CO_2注入压力的增加,煤样的强度和弹性模量逐渐下降,而CH_4渗透率逐渐增强,注气压力每增加1 MPa,煤岩强度平均下降0.095MPa,CH_4气体渗透率平均增加1 m D。     

变质程度对CO_2置换煤中CH_4效应的影响规律

为研究变质程度对CO_2置换煤中CH_4效应的影响规律,选用了无烟煤、瘦煤和气肥煤3种不同变质程度的煤样,在CH_4吸附平衡压力分别为0.75 MPa和1.3 MPa的条件下,进行了高压注CO_2置换煤中CH_4实验。实验结果表明:初始CH_4吸附平衡压力相同的条件下,CO_2的注气压力越大(即注入量越大),CO_2对CH_4的置换量越大,置换率也越大,同时吸附置吸比也越大;初始CH_4吸附平衡压力越高,注气后达到相同压力下的置换量越小,置换CH_4越困难。煤的变质程度对置换效应的影响规律为,煤的变质程度越高,CO_2对CH_4的置换量越大,但CO_2对CH_4置换率却随之减小,说明低变质程度煤中的CH_4更容易被置换。     

无烟煤对超临界态CH4-CO2气体吸附特性研究*

为探究无烟煤对超临界态CH4-CO2混合气体的吸附特性,采用重量法开展无烟煤对纯CH4与纯CO2气体、3种体积浓度CH4-CO2混合气样的超临界等温吸附实验,应用过剩吸附理论和Langmuir单层吸附理论,通过校正绝对吸附量、计算吸附相密度、煤的比表面积以及测定吸附平衡后游离态气体组分,探究由亚临界状态到超临界状态下无烟煤吸附纯CH4、纯CO2以及混合气体的吸附相密度变化特征、混合气吸附特征以及吸附分子层数。研究结果表明:煤对纯CH4与纯CO2、混合气体过剩吸附量随着压力增大呈现出先增大后减小的峰值型曲线;CH4绝对吸附量随吸附压力增大不断增大,接近CH4临界压力时,绝对吸附量缓慢增加并趋于稳定。低压下CH4在煤颗粒中以单层吸附为主;超过临界压力后出现表面局部2层吸附的现象;1~3 MPa 时,CO2在煤颗粒中即表现出2层吸附为主的现象,随压力增大甚至出现局部4层吸附的现象,煤颗粒对CO2有更大的吸附能力。     

煤对CO2，N2和CH4的吸附速率经验公式与异同性研究*

为了解决吸附速率拟合公式缺乏而解吸经验公式众多的问题，通过替换解吸参数、定性和对比分析各经验公式对煤吸附CO₂，N₂，CH₄吸附速率的适用性，选取4种不同煤质的煤样在0.5，1.0和2.0 MPa下进行定温吸附实验，分析压力和煤质对吸附速率的影响规律。研究结果表明:时间函数式对3种气体在不同压力和煤质下的吸附速率拟合效果最佳；压力和煤质对3种气体吸附速率的影响既存在共性又具有差异性，气体吸附速率与压力符合指数函数关系，与挥发分呈现出二次函数关系，并且压力升高会导致最低吸附速率趋向于较高变质程度煤样；CH₄和N₂的吸附速率随压力升高而升高，而CO₂的吸附速率因煤样而不同，且在同压下，不同气体的最高和最低吸附速率煤样的变质程度也不同。     

上保护层开采对下部特厚煤层移动变形规律及保护效果考察研究

选取海石湾煤矿特厚煤层6124工作面为研究对象,为了确定上保护层开采对下部特厚煤层6124工作面的影响,运用FLAC3D软件对上保护层开采后被保护层应力和位移变化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:被保护层被保护区域位移沿垂直方向呈“拱形”分布,被保护层最大位移变化量为354 mm,变化范围在160～354 mm之间;被保护层被保护区域的应力变化呈“V”形分布,被保护层最大拉应力变化量为0.489 MPa,变化范围在0.314～0.489 MPa之间,最大压应力变化量为31.3 MPa,变化范围在25.8～31.3 MPa之间;实施上保护层开采后,煤层瓦斯抽采率提高了39.5%,残余瓦斯含量降到7.16 m3/t,残余瓦斯压力降到0.58 MPa,该参数的确定为海石湾煤矿特厚高瓦斯煤层的合理开采提供了一定的理论指导。     

不同煤层煤氧化自燃性实验分析

为研究不同煤层煤自然发火特征的异同性及规律，以淮南矿区1号、3号、6号、13号煤层为研究对象，通过自然发火实验，对不同煤层煤的自然发火期周期、煤样70℃时放热强度和R70值进行分析。研究结果表明:4个不同煤层煤样自燃性由强到弱依次为:3煤>6煤>1煤>13煤；变质程度相近的4个煤层，3煤自然发火期最短，这与煤体中硫分和水分含量高有关；13煤变质程度较高，且前期放热强度、耗氧速率增长缓慢，其自燃性较弱；4个不同煤层煤的耗氧速率、CO，CO2产生率，以及C2H4/C2H6值随煤温升高具有相似的变化规律；煤中CH4气体大量解吸出现于煤温60℃之前，煤中灰分在80~120℃开始逐渐吸热融化，解析和融化均会抑制煤氧接触并且减小煤氧反应放热总量。     

井下液态CO2爆破增透工业试验研究

为了增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效率,选取七台河矿区进行液态CO2爆破煤层增透工业试验。研究液态CO2爆破过程中主管内高压气体P-T曲线,考察不同地应力下的液态CO2爆破有效影响半径和煤层透气性系数,监测爆破前后瓦斯抽采参数。试验结果表明:采用压缩气体与水蒸气容器爆破方法计算液态CO2爆破的当量为180 gTNT;爆破后瓦斯抽采浓度提高3.16倍,瓦斯抽采混合流量提高1.71倍;煤层液态CO2爆破有效影响半径随地应力的增加近线性减小,随爆破压力的增加非线性增加,确定液态CO2爆破时最佳爆破压力范围160~280 MPa;爆破前后对比,煤层透气性系数提升17.49~22.76倍。井下煤层液态CO2爆破技术的实施,有助于降低爆破成本、提高增透效果和瓦斯抽采利用率。