液态CO2相变致裂技术在布孔参数优化中的应用

为了实现液态CO₂相变致裂技术在低透气煤层强化消突领域经济高效消突的目的,在河南平煤十三矿进行了液态CO₂相变致裂穿层强化预抽煤层瓦斯试验,在致裂影响半径研究的基础上,通过数值模拟优化和现场验证的方法,对液态CO₂相变致裂技术布孔参数进行了研究。通过不同布孔方式、孔排间距等参数下的模拟和试验,研究结果表明:先致裂孔能为后致裂孔提供爆破自由面,使爆破易向自由面上发展,区域性致裂时为减弱自由面的影响,布孔方式上易采用线性程度低的梅花形布孔方式,合理的孔间距为0.5~0.6倍的单孔致裂有效影响半径。      

CO2注气压力对瓦斯扩散系数影响规律实验研究

煤层CH₄解吸效率低、扩散慢的特点严重制约着煤层瓦斯抽采的效率,为解决低透气性煤层瓦斯抽采困难的问题,选取晋城赵庄煤矿煤样,研究不同注气压力对驱替CH₄过程的影响以及驱替过程中CH₄扩散系数的变化规律,利用自主研发的CO₂驱替CH₄试验平台,在0.6、0.8、1.0 MPa等不同注气压力条件下分别进行CO₂驱替CH₄实验。结果表明:驱替压力越大,达到最大CH₄排放量的时间越短,CO₂突破时间越快,置换效率越大,驱替效果越好;CH₄气体驱替过程分为3个阶段,先急剧增加再缓慢增加最后保持平稳;在同一注气压力下,瓦斯扩散系数随时间呈先增大后减小的变化规律,注气压力为0.6、0.8、1.0 MPa时,瓦斯扩散系数的最大值分别为2.27×10-5、3.36×10-5、4.62×10-5 cm2/s。从实验结果可知,不同注气压力下,CO₂对CH₄主要起到驱替作用、置换吸附-解吸作用及稀释驱替作用;每个阶段的CH₄气体运移情况不同,根据实验阶段合理调整注气流量、压力等参数,使注驱技术搭配更高效。研究结果对CO₂深埋与瓦斯（煤层气）高效抽采具有理论指导意义。      

热力耦合条件下超临界CO2驱替煤层CH4实验

为提高煤层CH₄抽采效率,利用自主研发的实验系统,模拟超临界CO₂在深部煤层中驱替CH₄的过程,开展了不同温度和注入压力条件下原煤试样中超临界CO₂渗流、吸附及驱替CH₄实验。结果表明:在恒定温度条件下,随着超临界CO₂注入压力逐渐增大,煤体渗透率提高,CO₂吸附量增加。超临界CO₂注入压力和温度对驱替效果影响显著。不同温度条件下,当超临界CO₂注入压力从8 MPa增至12 MPa,CH₄驱替量平均增长了0.076 cm3/g,CH₄驱替效率增加了17%~23%,超临界CO₂置换体积比呈线性递减趋势;相同注入压力条件下,温度每升高10℃,驱替效率平均增加8%,置换体积比平均下降0.5。研究结果为高效抽采煤层CH₄和实现CO₂封存提供理论依据。      

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。      

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...     

CO2强化煤层气产出与其同步封存实验研究

长期以来针对CO₂-ECBM已做了大量研究工作,然而有限的工业试验没能达到预期目的,使得这一煤层气强化技术推广应用欠缺。近些年随着各国碳中和路线的制定,CO₂封存逐渐受到重视,煤储层可否作为CO₂的封存空间、可否实现CO₂驱替CH₄和封存同步进行,又重新回归人们的视野。为此,以新疆准南区块目标煤层样为研究对象,采用不同CO₂与CH₄混合比例气体进行煤的吸附/解吸实验,探索混合气体比例对CO₂-ECBM和CO₂吸附封存潜力的影响。结果表明,随着混合气体CO₂比例减少,CH₄驱替效果降低,其中40%CH₄+60%CO₂混合气体的CO₂残余量最多,在解吸至0.7 MPa时已有83.05%的CH₄产出,而83.62%的CO₂吸附残余在煤中,表明其C...     

等压扩散下CO2对不同变质程度煤中CH4置换效应的影响

为了研究等压扩散条件下不同变质程度煤中CO₂置换CH₄特征规律,选择无烟煤、瘦煤和气肥煤3种煤样,进行了不同等压扩散压力下的等压扩散置换实验。实验结果表明:随着煤变质程度的增加煤吸附CH₄和CO₂的能力表现出逐渐增强的趋势,且CO₂的吸附量大于CH₄的吸附量;随着实验点扩散压力的增加,CO₂对CH₄的绝对置换量和置换率均随之增加,CO₂对CH₄的注置比却随之降低。在实验煤样变质程度范围内,CH₄置换率与煤变质程度和CO₂注置比均呈负相关关系。研究成果对井下注CO₂置换煤层CH₄的工程技术和理论具有指导意义。      

沁水盆地柿庄北深部煤层水平井CO2注入参数研究

基于CO₂的吸附能力大于CH₄的原理,向深部煤层中注入并封存CO₂同时置换驱替CH₄增加煤层气井产量,具有环境和经济双重效益。研究深部煤储层特征,通过气、水两相多组分,单孔和双孔模型的三维储层数值模拟技术,模拟不同井底压力下,完成注入量所需要的时间。优化后的注入施工参数为井口注入压力低于10MPa,注入速率低于47 L/min。根据数值模拟结果选定注入压力,注入结果与模拟连续注入时间一致,说明该方法可以有效地模拟注入压力和注入量之间的关系,保障CO₂注入施工安全有效。      

三峡澎溪河水域CO2与CH4年总通量估算

以2010年6月~2011年5月三峡澎溪河回水区CO₂与CH₄通量监测数据为基础,参考澎溪河高阳平湖水域全年4次的24 h昼夜连续跟踪观测结果,对每月各采样点的日通量值进行估算。提出了水下地形划分法和环境因素控制法,将各采样点日通量数据外延至整个回水区水域,并估算了澎溪河回水区水域CO₂与CH₄年总通量值。研究期间,澎溪河回水区全年各采样点CO₂通量均值为(3.05±0.46)mmol/(m2·h);CH₄为(0.050 1±0.009 6)mmol/(m2·h)。以水下地形法为基础,该水域全年CO₂和CH₄总通量分别为40 060.5 t和540.9 t;以环境因素控制法为基础,全年CO₂与CH₄总通量分别为39 073.0 t和467.2 t。以环境要素控制法为参考,该水域CO₂全年平均释放强度为43.26 mmol/(m2·d),在全球水库数据序列中处于中等略偏高水平,CH₄全年平均释放强度为1.42 mmol/(m2·d),在全球水库序列中处于中等水平。     

CO2注入对煤储层应力应变与渗透率影响的实验研究

以沁水盆地成庄矿煤样为研究对象,利用实验室自主研发的CO₂注入与煤层气强化开采实验模拟装置进行不同有效应力和CO₂吸附压力下的煤岩渗透率测试。实验结果表明,煤岩的裂隙压缩系数受到CO₂吸附的影响,初始状态下、亚临界CO₂吸附和超临界CO₂吸附煤样裂隙压缩系数分别为0.066、0.086和0.089。引起裂隙压缩系数改变的原因主要有两方面:CO₂和煤中矿物反应提高了煤基质的不连续性;CO₂软化了煤基质同时降低了煤岩的力学性质。利用考虑吸附应变以及内部膨胀系数的渗透率模型对实测渗透率进行拟合,发现有效应力和内部膨胀系数成正比。CO₂吸附压力和有效应力的增大均提高了煤岩的内部膨胀系数,这影响了煤岩孔裂隙的开度,降低了煤储层的渗透率,并最终降低CO₂在煤储层中的可注性。      

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。      

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...     

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。      

高压条件下CO2对页岩微观孔隙结构影响及其在页岩中的吸附特征

为了解高压条件下二氧化碳（CO₂）对页岩微观孔隙结构改造及吸附行为,以四川盆地焦页6井页岩为研究对象,通过低温N₂吸附和重量法等温吸附实验,研究了不同温压条件下CO₂处理前后的页岩微观结构特征及CO₂在页岩中的吸附行为.研究表明随处理温度升高,CO₂作用后的页岩比表面积呈下降趋势,平均孔径和孔体积呈上升趋势,微孔、中孔比例减少,宏孔比例增大.CO₂会改变页岩孔隙结构,改变程度与温度呈正相关关系.研究同时表明页岩对CO₂的过剩吸附量随压力增大而增加直至达到最大值,后随压力增大而减小;绝对吸附量随压力增大而增加,在40 MPa之后,吸附量趋于稳定.页岩对CO₂的吸附行为与温度压力有关,在高压条件下,Langmuir模型依然能较好地拟合CO₂在页岩中的吸附.      

大直径双钻孔强化抽采瓦斯效应及效果分析

为探讨大直径双钻孔强化抽采瓦斯效应,以山西石泉煤矿30110回采工作面为对象,利用RFPA2D-Gas建立不同直径单孔和双?350 mm钻孔的数值模型,分析了钻孔周围煤体的应力分布、损伤破裂、透气性演化及瓦斯运移规律,并对双?350 mm钻孔抽采效果进行了考察验证。模拟结果表明:?100、?250、?350和双?350 mm钻孔卸压半径分别为0.25、0.9、1.2、2.2 m;?250、?350和双?350 mm钻孔周边煤体损伤破坏以蝴蝶展翅形态向钻孔上方两侧延展;双?350 mm钻孔上方1.5 m处煤体透气性系数可由0.25 m2/(MPa2·d)增至240 m2/(MPa2·d);瓦斯运移速率随钻孔直径增加而增大,在抽采过程中逐渐降低,当煤体破裂时会有一定幅度增加。现场考察结果显示双?350 mm钻孔可利用钻孔塌裂强化抽采效果,抽采半径为2 m,流量可达?100 mm钻孔的21倍,抽采总量为?100 mm钻孔的10倍以上,甚至可达到40倍。      

米泉低阶煤煤层气中CO2异常赋存特征与成因

对米泉矿区以往煤层气勘查成果统计发现,气体含量中CO₂浓度异常高,部分气样浓度甚至超过40%。通过系统开展气体组分、CH₄与CO₂碳同位素、稀有气体同位素等地化分析,发现该区CO₂浓度随埋深增大呈增高趋势。当埋深大于800 m时,CO₂浓度超过40%;CO₂具明显壳源成因特征,无幔源CO₂的混入。说明该区煤层气主要为CO₂还原途径形成的次生生物气体,少量样品具热成因气特征;CO₂异常富集可能是3个方面因素耦合作用的结果,即处于微生物产甲烷活动早期阶段、CO₂还原途径产甲烷活动受到抑制及滞留的水体环境。     

亨利定律在煤层气组分溶解分馏中的应用

亨利定律的引入,使煤层气在溶解过程中发生的组分分馏得以合理解释,为煤层气的富集成藏研究提供了信息。采用半经验公式计算CH₄(甲烷)和CO₂(二氧化碳)的亨利常数,根据逸度因子公式求取CH₄和CO₂的逸度,根据亨利定律计算出不同埋深下CH₄和CO₂在地层水中的溶解度。结果表明:CH₄溶解度随埋深的增加而增加;CO₂的溶解度则随埋深的增加而先增加后(在800 m深度以下)又减小,但CO₂与CH₄溶解度比率却在不断减小。这就意味着浅部CO₂的溶解运移分馏更为活跃,它随深度的增加逐渐减弱。这一认识为圈定煤层气富集区和确定CO₂注入(以驱使CH₄产出)的最佳温压环境提供了理论依据。      

中硬低渗煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术与应用

针对黄陇侏罗纪煤田中硬煤层渗透性差、瓦斯抽采浓度及流量衰减速度快等问题,利用自主研发的水力压裂成套工艺设备,提出煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术,并在黄陇煤田黄陵二号煤矿进行工程应用试验。现场共完成5个定向长钻孔钻探施工,单孔孔深240~285 m,总进尺1 320 m;采用整体压裂工艺对5个本煤层钻孔进行压裂施工,累计压裂液用量1 557.5 m3,单孔最大泵注压力19 MPa;压裂后单孔瓦斯抽采浓度及百米抽采纯量分别提升0.7~20.5倍、1.7~9.8倍;相比于普通钻孔,压裂孔瓦斯初始涌出强度提升2.1倍,钻孔瓦斯流量衰减系数降低39.6%。试验结果表明:采取水力压裂增透措施后,瓦斯抽采效果得到显著提升,煤层瓦斯可抽采性增加,为类似矿区低渗煤层瓦斯高效抽采提供了技术支撑。