CO2相变致裂本煤层增透技术研究

研究液态CO₂相变特征和煤体对气相CO₂和CH₄的吸附规律,在不同煤质、温度和平衡压力条件下,实验得出在无烟煤和焦煤的煤体中CO₂竞相吸附的能力是CH₄的1.8~2.4倍。研究发现,液态CO₂在0.2 s内完成相变过程,体积瞬间膨胀至794倍。通过理论研究建立了采用不耦合致裂条件下的爆破孔初始冲击压力峰值、裂隙圈有效半径和爆破致裂钻孔孔径3个主要爆破参数变量的数学模型。采用液态CO₂瞬间相变出口压力为200MPa的致裂器,进行致裂爆破本煤层增透现场实验研究,研究得出距离致裂爆破孔2m和3m的控制孔在爆破后单孔瓦斯抽采纯量提高至6倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度提高至5倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度保持在35%~55%,而距离致裂爆破孔4m的控制孔在爆破5d后瓦斯抽采效果衰减至爆破前的水平。现场试验得出初始冲击压力峰值200MPa和钻孔孔径0.094m时,本煤层致裂爆破裂隙圈有效半径为3m。     

CO2相变致裂煤的显微构造特征与成因机制

CO₂相变致裂是一种高效增渗、增抽和消突的新型煤矿瓦斯治理技术,应用效果显著。该技术的核心是高压动力载荷作用于煤层的强化造缝及其卸压增渗效应。然而,新生裂缝的形貌特征以及破坏成因机制研究薄弱。目前井下厘米—米级尺度裂缝的观察和描述,主要用于揭示煤层的造缝增透机理。更小尺度的微米级显微裂隙研究,可更系统和全面描述裂缝的形貌和发育规律,揭示CO₂相变致裂作用下煤的破坏机理。应用自行研制的高压CO₂冲击大型物模试验装置系统,对无烟煤试件进行了120 MPa高压CO₂冲击,基于场发射扫描电镜(FESEM)的观察,研究了微米级裂隙特征、发育规律及其形成机理。结果表明：(1)致裂后煤样的割理系统充分沟通,形成多尺度的复杂微裂隙网络。(2)煤基质破碎并发育大量微米尺度的新生显微构造,发现了3种典型显微构造是“损伤坑”“三翼型”裂隙和“页理状构造”。(3) CO₂的超临界相、气相、或者二者的混合相态冲击破碎近喷孔端煤样,冲击波可能是试件远端破坏造缝的主要力学机制。(4)显微构造的形成和损伤演化...     

深部煤层CO2注入过程中煤体积参数变化的模拟实验

CO₂注入煤层会改造储层孔裂隙结构,对提高CO₂埋藏和强化甲烷抽采能力产生重要影响。为探究CO₂注入后的煤体结构演化规律,选择山西沁水盆地寺河矿无烟煤和新源矿焦煤样品进行模拟实验,通过测试并分析CO₂注入前后煤体积参数的变化,得到以下结论：CO₂的注入可以溶蚀煤中矿物,增加连通孔隙体积并引起有机质的膨胀;矿物溶蚀对孔隙体积变化的贡献不显著,却导致大量封闭孔转换为连通孔,其中大于40μm的大孔孔隙体积增幅最大;有机质的膨胀量较大,其对孔隙的挤压作用可能会降低煤体的连通性;CO₂注入对煤体结构的改造作用受煤级和模拟埋深条件的共同影响。     

静态致裂作用下低渗厚煤层瓦斯增透数值模拟研究

为提高煤层静态致裂井下作业效率,优化致裂布孔参数,以中煤华晋王家岭矿12316综采工作面胶带巷为实验背景,结合煤层变形破坏方程、瓦斯扩散渗流方程和煤层渗透率演化方程,构建煤层破坏及渗透率演化模型;采用FlAC^3D-COMSOL Multiphysics对煤体静态致裂增透过程及影响因素进行数值模拟,揭示静态致裂作用下煤层应力分布、塑性扩展与瓦斯压力传递演化规律。通过优化选取致裂工艺参数开展现场试验,定量分析不同孔距下静态致裂过程中煤层瓦斯抽采量的变化特征。结果表明：静态致裂过程中膨胀应力在煤体内部沿致裂孔半径方向向四周均匀传递,单孔致裂过程中形成圆环状应力圈和塑性区;在双孔致裂条件下,两致裂孔内膨胀应力的水平叠加效果优于竖直叠加效果,使煤体水平方向破坏效果较竖直方向显著,且两致裂孔中间区域的煤层先于其他区域破坏。受静态致裂作用范围的限制,增透促抽后煤层内瓦斯压力大小与孔距呈正相关关系,煤层渗透率与孔距间呈负相关关系;现场试验表明,将孔距设为1.6 m以内进行静态致裂增透,在抽采负压为20 kPa条件下抽采30 d,测得致裂后瓦斯抽采纯量提升1倍左右,说明静态致裂对瓦...     

低渗煤层注CO2增抽瓦斯数值模拟与应用

针对低渗透性煤层瓦斯抽采难度大、抽采效率低等问题,基于CO₂-CH₄多组分气体竞争吸附作用,开展了注CO₂提高煤层瓦斯抽采率数值模拟与试验研究。首先,建立了考虑气-水两相流与Klinkenberg效应的煤层注CO₂促抽瓦斯流-固耦合模型,利用COMSOL软件进行了煤层注CO₂后煤层瓦斯压力、瓦斯含量和瓦斯抽采率等参数变化规律,并应用于工程试验。结果表明：构建的气-水两相流瓦斯抽采流-固耦合数学模型可靠、合理;注入CO₂抽采煤层气瓦斯压力、瓦斯含量均比未注入CO₂抽采下降速率快;现场试验后,注气抽采条件下瓦斯抽采浓度平均值是未注气条件下的2.02倍,瓦斯抽采纯量是后者的3倍。煤层注入CO₂气体后,瓦斯抽采量增加,显著促进了煤层瓦斯抽采。     

CO2/N2二元气体对甲烷在煤中吸附影响的分子模拟研究

二元气驱技术(CO₂/N₂-ECBM)已成为煤层气增产的重要手段,明确CO₂/N₂在煤层中的竞争吸附规律以及对煤层物性的影响具有重大意义。利用分子模拟软件Materials Studio建立延川南煤层气实际区块温度、压力条件下的煤分子模型。基于巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法研究CO₂/N₂交替驱替煤层气技术中各注入阶段对CH₄吸附的影响,明确CO₂、N₂对煤层孔渗物性的影响规律。结果表明:在CO₂注入阶段,煤层中甲烷迅速解吸;煤中气体吸附总量上升,煤基质膨胀效应增强,导致煤的孔隙体积降低。而转N₂注入后,由于N₂分压作用使得CH₄、CO₂吸附量呈现出不同程度的降低;当ω_N2/ω_CO2≤0.6时煤分子中气体总吸附量迅速降低,而当N₂饱和吸附后气体总吸附量保持稳定。煤层孔渗物性随着气体吸附总量呈现出迅速增大后趋于平缓的趋势。此外,ω_N2/ω_CO2>0.6后N₂吸附率迅速降低,这会使得产出气中CH₄纯度较低,导致后期提纯成本大大增加。因此,当ω_N2/ω_CO2=0.6左右时,CH₄解吸量为最大值,煤孔隙率较高,最有利于煤层气的开发。      

突出煤层CO2气相压裂高效抽采防突掘进技术

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重影响煤矿安全生产。尽管近10年来这一灾害事故大幅度减少,但恶性事故依然发生,给矿工生命和煤矿安全生产造成严重损失。国内外现阶段的防治瓦斯突出技术,如水力压裂、水力割缝、水力冲孔、深孔爆破、密集钻孔等,不同程度地解决了防突安全掘进,但对于一些高瓦斯低渗透突出煤层,上述技术还难以从根本上解决消突安全快速掘进。所以,防突技术仍然是我国煤炭领域亟待攻关的重大科技难题。选取山西寿阳县新元煤矿31002工作面为试验案例,介绍CO₂气相压裂技术方法,并探讨其防突掘进效果。新元煤矿开采的山西组3号煤层为低渗透突出煤层,前期主要采用密集钻孔预抽瓦斯防突措施,抽采达标时间长,掘进速度慢。高效抽采瓦斯,防止煤与瓦斯突出,保障煤巷安全快速掘进,是新元煤矿安全高效生产的重大技术难题。在新元矿采取的气相压裂措施概况如下:在掘进工作面前方实施双钻孔气相压裂;完成9个瓦斯抽采钻孔以覆盖巷道两侧各15 m安全范围;全部11个钻孔联网抽采3~5 d,防突参数K₁值达标后恢复掘进。试验数据表明,气相压裂抽采防突技术措施的强化抽采效果显著,抽采效率大幅度提高,煤炮等动力现象减少,K₁值降低,掘进割煤时巷道瓦斯浓度得以降低和均化,保障了连续安全掘进。实践证明,CO₂气相压裂技术能够实现连续安全快速掘进理技术,在全国类似瓦斯地质条件煤矿中具有推广应用意义。      

二氧化碳地质存储与煤层气强化开发有效性研究述评

煤层CO₂地质存储与CH₄强化开采（CO₂-ECBM）技术融温室气体减排与化石新能源开发为一体,极具发展前景。CO₂-ECBM技术有效性是经济性、长期性和安全性的基础和前提,建立深部煤层CO₂-ECBM有效性理论和生产技术在中国的需求尤为迫切。中国、美国、英国、澳大利亚、日本等国家在该领域开展了大量实验模拟、数值模拟和工程探索研究。研究工作表明：CO₂可注性、CO₂封存机制与存储容量、CH₄增产效果构成了CO₂-ECBM有效性的核心内涵,其中CO₂可注性更为关键;CO₂注入时煤储层发生体积应变效应和地球化学反应效应,其导致的渗透率快速衰减与可注性变差制约着CO₂-ECBM的有效性;CO₂/CH₄竞争吸附与置换是主要的CO₂封存机制,地层条件下CO₂/CH₄竞争吸附与置换封存决定了有效存储容量的主体,对于超临界CO₂,改进的吸附势模型（Modified D-R model）表征计算结果与实验模拟结果的拟合度最好;通过优化注入参数、间歇性注入、先压后注、与N₂交替注入等方式可以提高深部煤层的CO₂可注性,试验井组煤层气生产井可实现最高3.8倍的增产效果;沁水盆地深部无烟煤CO₂-ECBM技术的有效性已得到实验室研究和工程试验的初步证实。中国科学家在持续开展和不断深化CO₂-ECBM技术的研究工作,CO₂-ECBM有效性的关键科学技术问题有望在中国得到破解。     

超临界CO2注入煤层对顶板岩石纵波速度及力学响应特征研究

深部煤层CO₂地质封存与CH₄强化开采(CO₂–ECBM)技术在提高煤层气采收率的同时可实现碳减排,具有能源和环境双重效益。超临界CO₂(ScCO₂)、水和煤层顶板之间的地球化学反应可改变其物理力学性质,增加CO₂泄漏的风险。以沁水盆地胡底煤矿3号煤层顶板岩石为研究对象,开展“ScCO₂–水–岩”地球化学反应模拟实验,探讨CO₂煤层封存条件下ScCO₂–水–顶板岩样地球化学反应过程及其对岩石纵波速度和力学性质的影响。结果表明:ScCO₂–水–岩之间化学溶蚀反应造成岩样Ca、Mg元素显著降低,促使岩样表面形成孤立状溶蚀孔,并随着反应时间的持续,进而形成大量的“溶蚀坑”和“溶蚀缝”;增加了岩样结构不连续性,使得声波传播路径增大、能量损失加剧,导致纵波波速降低;ScCO₂–水–岩反应后岩样的峰值强度和弹性模量降低,泊松比升高,且三者之间的变化率与反应时间之间呈现Logistic函数的变化关系。对于胡底煤矿而言,ScCO₂–水–岩反应过程中顶板力学性质的弱化不足以造成盖层的破裂和CO₂泄漏,但在评价煤层CO₂封存安全性时,还应考虑煤层吸附膨胀应力对顶板的影响。      

煤层CO2地质封存的微观机理研究

煤层CO₂地质封存可实现CO₂减排和增产煤层气双重目标,是一种极具发展前景的碳封存技术。相对于其他封存地质体而言,煤的微孔极其发育,煤层CO₂封存机制与煤中气、水微观作用关系密切,其内在影响机理尚不清楚。以2个烟煤样品的系统煤岩学分析测试为基础,构建了煤的大分子结构及板状孔隙空间模型,进一步采用分子动力学方法模拟了不同温、压条件下、不同煤基质类型表面的CO₂和水的润湿行为,揭示煤层CO₂注入后引起的水润湿性变化规律,初步阐明煤层CO₂封存的可注性、封存潜力、封存有效性等影响因素及微观作用机理。结果表明：(1)影响煤润湿性的主要因素是煤中极性含氧官能团,其含量越高煤的润湿性越强;(2)煤中注入CO₂后,CO₂通过溶解作用穿透水分子层与水分子发生竞争吸附,从而减小水在煤表面润湿性;(3)随注入压力增大和温度降低,煤表面CO₂吸附量增多,对氢键破坏作用增强,润湿性减弱越明显;(4)亲水性煤层CO<...     

贵州省煤层气(瓦斯)开发适用性技术分析

近年来在煤层气勘探开发实践中遇到诸多技术瓶颈,针对其中关键技术适用性开发问题,基于贵州地区煤储层呈薄煤层群赋存且构造复杂的地质背景,结合贵州地区煤层气成功开发、利用案例,提出了适用于贵州复杂地质条件下的煤层气开发及利用技术。贵州地区不同薄煤层群可根据实际间距情况采用光套管合层压裂、可捞式桥塞分段压裂等技术,煤层松软地区要加强防煤粉压裂技术及缝内转向技术的综合利用;松软低透煤层群应优选首采层,采动卸压后瓦斯抽采效果较好,同时加强定向长钻孔\     

瓦斯抽采钻孔间距优化三维数值模拟量化研究

为了识别钻孔间距对煤层瓦斯抽采的影响及如何实现高效抽采,基于流固耦合模型,建立三维几何模型,使其更接近现场实际,借助COMSOL软件模拟某煤矿钻孔不同间距的瓦斯抽采过程,利用瓦斯压力为0.74 MPa等压面三维立体图使有效抽采区域可视化,通过计算有效抽采区域体积大小,量化分析钻孔间距对抽采效果的影响。结果表明:单一钻孔抽采120 d时,有效抽采半径约为1.5 m;当布置多个钻孔且钻孔间距d为5 m,抽采120 d时,瓦斯压力为0.74 MPa的等压面围绕所有钻孔近似呈圆柱状但向内部凹陷（即出现空白带）;钻孔间距d为2.1、3、4、5、6 m时,有效抽采区域体积V的大小顺序随着时间的增长而改变,抽采120 d时,V_{d=5 m}>V_{d=4 m}>V_{d=3 m}>V_{d=2.1 m}>V_{d=6 m}。综合分析瓦斯压力等压面三维立体图和有效抽采区域体积的大小顺序,确定该矿钻孔的较优间距为4 m。研究提出的以有效抽采半径、叠加效应、三维瓦斯压力等压面的形状及有效抽采区域体积大小为指标的钻孔间距数值计算考察方法,可为煤矿井下钻孔间距优化布置提供参考。      

煤矿井下顶板梳状长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采实践

为了解决碎软煤层本煤层钻孔施工困难,瓦斯抽采浓度低,抽采效果差,无法实现大面积区域预抽的问题,在现有煤矿井下定向钻进技术和水力压裂技术的基础上,结合前期研究成果,提出了顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术,并在韩城矿区桑树坪二号井进行了现场试验。现场施工顶板梳状长钻孔主孔长度588 m,包含8个分支孔,钻孔总进尺1 188 m,主孔距煤层0~3.28 m,平面上覆盖约12.5 m。采用不动管柱分段水力压裂工艺,分4段进行水力压裂施工,累计注水2 012 m³,最大泵注压力8.74 MPa。压裂后最大影响半径大于30 m,且裂缝主要位于钻孔下方,向煤层延伸。压裂钻孔稳定抽采阶段瓦斯抽采纯量1.18 m³/min,抽采瓦斯体积分数平均43.54%。顶板梳状长钻孔分段水力压裂钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2倍,是本煤层顺层钻孔的4.0倍。试验结果表明,顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术可有效避免本煤层常规钻孔施工过程中存在的塌孔、卡钻、喷孔等问题,实现了碎软低渗煤层大面积区域瓦斯预抽,为碎软低渗煤层区域瓦斯预抽提供了新思路和新方法。     

基于煤矿\

为了识别钻孔间距对煤层瓦斯抽采的影响及如何实现高效抽采,基于流固耦合模型,建立三维几何模型,使其更接近现场实际,借助COMSOL软件模拟某煤矿钻孔不同间距的瓦斯抽采过程,利用瓦斯压力为0.74 MPa等压面三维立体图使有效抽采区域可视化,通过计算有效抽采区域体积大小,量化分析钻孔间距对抽采效果的影响。结果表明：单一钻孔抽采120 d时,有效抽采半径约为1.5 m;当布置多个钻孔且钻孔间距d为5 m,抽采120 d时,瓦斯压力为0.74 MPa的等压面围绕所有钻孔近似呈圆柱状但向内部凹陷（即出现空白带）;钻孔间距d为2.1、3、4、5、6 m时,有效抽采区域体积V的大小顺序随着时间的增长而改变,抽采120 d时,V_{d=5 m}>V_{d=4 m}>V_{d=3 m}>V_{d=2.1 m}>V_{d=6 m}。综合分析瓦斯压力等压面三维立体图和有效抽采区域体积的大小顺序,确定该矿钻孔的较优间距为4 m。研究提出的以有效抽采半径、叠加效应、三维瓦斯压力等压面的形状及有效抽采区域体积大小为指标的钻孔间距数值计算考察方法,可为煤矿井下钻孔间距优化布置提供参考。     

煤矿井下硬煤层顺层长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采技术及应用

针对硬煤层瓦斯抽采衰减快,抽采周期长、效率低等问题,提出了中硬煤层顺层长钻孔分段压裂增加煤层透气性瓦斯强化抽采技术。以陕西彬长矿区4号煤层为研究对象,在实验室采用SEM高分辨率电子显微镜对比分析了水力压裂前后煤体微观孔隙结构变化特征;利用Abaqus软件模拟了封隔器受力特征及钻孔的稳定性;在彬长矿区大佛寺煤矿井下4号煤层进行水力压裂工业性试验。结果表明：煤层在加载压力15 MPa,保压48 h,煤体的孔隙、裂隙数量增多,孔径尺寸增大,且连通性增强,裂隙间的连通性明显提升。压裂过程中,封隔器同时受到内压和外压载荷产生膨胀变形,内压15 MPa、外压10 MPa时,可保持硬煤钻孔结构完整同时,产生最大的封隔摩擦力。工程试验完成3个顺煤层定向长钻孔分段压裂施工,孔深540～568 m,每孔分8段压裂,单孔注液量910～1 154 m³,累计注液量3 011 m3;压裂后,利用孔内瞬变电磁测试确定压裂影响半径34～46 m。压裂钻孔平均瓦斯抽采纯量0.72～1.73 m³/min,平均抽采瓦斯体积分数42.60%～67.48%;对比试验区常规钻孔,瓦...