不同注源气体置换-驱替煤层甲烷突破时间的差异性分析.pdf

第41卷第2期重 庆 大 学 学 报 Vol. 41 No. 2 2018年2月Journal of Chongqing UniversityFeb. 2018 doi10. 11835/j. issn. 1000 - 582X. 2018. 02. 012 不同注源气体置换-驱替煤层甲烷突破时间的 差异性分析 杨宏民1a, 1b, 鲁小凯1a, 陈立伟1a,2 1.河南理工大学a.安全科学与工程学院;b.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心, 河南 焦作454003; 2.东北大学 资源与土木工程学院, 沈阳110819 收稿日期2017 - 07 - 02 基金项目 国家自然科学基金资助项目51174081 ; 河南省高校科技创新团队支持计划资助项目17IRTSTHN030 。 Supported by National Natural Science Foundation of China51174081and Program for Innovative Research Teamin Science and Technologyin Universit iesof Heaan 作者简介 杨宏民1967 , 男, 河南理工大学教授, 博士生导师, 主要从事煤矿瓦斯防治技术、 煤矿火灾防治以及矿井通 风方面的研究, E - mailyanghmhpu. edu. cn。 摘要 煤层注气促抽瓦斯是近年来逐步发展起来的强化抽采技术, 注气突破时间是该技术的重 要参数之一。突破时间是指注源气体从煤层一端注入到另一端检测出该组分所需的时间, 它与注 源气体的吸附性、 渗透性有着密切的关系。为了研究渗透和吸附对注气突破时间的影响规律, 利用 含瓦斯煤层注气模拟实验装置, 进行了煤层注He,N2和CO2置换-驱替CH4的实验室模拟实验。实 验结果表明, 不考虑煤对气体吸附性的纯渗流条件下,N2和CO2纯渗流突破时间极短, 仅为总突破 时间的5. 93和0. 28, 表明气体吸附性能是引起总突破时间差异的主要因素; 另外, 随着注源气 体吸附性增强, 其总突破时间大幅度增加,He,N2和CO2的总突破时间分别为0. 92,14,246 min。 实验结果结合理论模型计算分析得出 注源气体吸附性越强, 总突破时间越长, 注气初期的置换效 应越明显, 但随着注源气体的吸附不断趋于饱和, 其驱替效应逐渐增强。 关键词 煤层注气; 注源气体; 置换-驱替效应; 突破时间; 差异性分析 中图分类号TD456. 1 文献标志码A文章编号1000 - 582X 201802 - 096 - 07 Analysis on the difference of breakthrough time for different injection gases to replace - displace methane in coal seams YANG Hongmin 1a,1b, LU Xiaokai 1a, CHEN Liwei 1a,2 1a. School of Safety Science and Engineering;1b. MOE Engineering Center of Mine Disaster Prevention and Rescue,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,P. R. China;2. School of Resources injection gas;replacement - displacement effect;breakthrough time; difference analysis 煤层瓦斯抽采是矿井瓦斯防治最根本的技术手段。中国大多数高瓦斯、 突出矿井所开采的煤层属于低 透气性、 难抽采煤层[ 1], 人们采用了多种技术手段增加煤层透气性, 以不断提高煤层瓦斯抽采效率。受石油 系统“ 气驱油” 技术的启发,20世纪末, 美国圣胡安盆地将CO2注入煤层以提高煤层气采出率 CO2- ECBM 实验[ 2]取得成功, 并逐渐将这种技术推广应用于煤层注气增产 ECBM,enhanced coal bed methane 领域。 之后世界各国也尝试将煤层注气置换-驱替技术应用于煤层瓦斯强化抽采领域, 并且取得了较好的效果[ 3 - 4]。 煤层注气实质是“ 气驱气” , 其作用机理与石油系统的“ 水驱油” 、 “ 气驱油” 有着很大的区别, 它不存在两相介 质统一的驱替面, 且弱吸附性气体N2 能表现出对强吸附性气体CH4 的良好的置换-驱替效应, 这与经典 的吸附理论存在较大的差异。为此, 国内外学者针对煤层注气置换-驱替煤层瓦斯机理进行了大量研究[ 5 - 7]。 通常用作注源气体的N2和CO2, 其吸附性相对于CH4有着明显的差异, 因此在置换-驱替煤层甲烷的机 理上也存在较大的差异。在定容变压的置换系统 向密闭容器中充入高压气体 中,N2之所以能够置换比自 己吸附性强的CH4, 主要是因为注入的N2改变了系统总压及N2吸附引起总吸附饱和度增加所致; 而CO2能 够置换CH4则主要是依靠其对吸附位的竞争优势[ 8 - 14]。而在定容恒压的渗流系统 一端充气另一端排气的 渗流系统 中, 其作用机理非常复杂, 是吸附置换 发生在吸附位上的置换 、 扩散置换 发生在微孔自由空间 的置换 、 驱替 渗流携载 及增压充填等多重作用机理的耦合效应。笔者在煤层注N2模拟实验中发现, 注源 气体在煤体中的置换-驱替效应会表现出分时分段特征, 其突破时间随着注气压力增加而减小[ 15]。 然而, 在煤层注气过程中, 注源气体吸附性强弱会对总突破时间造成多大的差异 气体动力粘性的差异 又会对渗流突破时间造成多大差异 造成总突破时间差异的主要因素是气体吸附吸附性还是动力粘性呢 为此, 作者进行了不同气体的煤层注气实验室模拟实验。 为了便于理解, 这里需要澄清两个概念 总突破时间和纯渗流突破时间。总突破时间是指注源气体置 换-驱替含瓦斯煤中甲烷的模拟实验中, 从排气口能够检测到注源气体的最短时间。纯渗流突破时间是指不 考虑煤对注源气体的吸附性 或使用与实验煤体相同的非吸附性相似材料 的前提下, 注源气体渗流通过煤 体 或相似材料 的最短时间。 1 煤层注气模拟实验 1. 1 实验装置 实验装置由煤样腔体 内尺寸为400 mm300 mm 300 mm 、 抽真空系统、 应力加载系统、 压力采集系统、 流量监测系统、 注气控制系统及气体组分分析系统等组成, 如图1所示。煤样腔体内气压通过预埋小管径的中 空管外接压力传感器的方式监测, 通过钢瓶减压阀和高压流量计对注源气体压力和流量进行控制和监测, 用煤 气表测定出口低压气体的流量, 用气样袋收集出口气样并通过气相色谱仪分析气体组分体积分数。 1. 2 实验方法和条件 实验流程包括煤样分层预压装载→抽真空→充入甲烷吸附平衡→高压游离甲烷自然泄压排放→注气置 换-驱替实验→注气结束后残留自由气体的自然泄压排放和煤中吸附气体的常压解吸等。 实验所采用的煤样取自河南郑州矿区的华泰煤矿二1煤层, 煤种属于无烟煤, 实验煤样粒径CH4N2He。 图2 煤对CO2、CH4、N2吸附特征曲线 Fig. 2 Adsorption characteristic curve of CO2,CH4,N2in coal samples 3 煤层注气过程的特征分析 3. 1 注源气体的突破时间 注气实验过程中, 注源气体往往在注气后滞后一段时间才能从出口气体中检测出来, 这一滞后时间就是 突破时间。在注气开始到突破时间之前, 出口气体组成均为100的CH4气体; 达到突破时间之后, 出口才 可以检测到注源气体, 并且体积分数不断增大, 同时CH4体积分数开始降低。当采用不同气源进行注气时, 由于注源气体吸附性的差异, 其总突破时间存在极大的差异。根据实验结果, 煤层注He,N2,CO2的总突破 时间分别为0. 92,14,46 min。注气模拟实验中出口气体体积分数变化规律如图3所示。 89 重 庆 大 学 学 报 第41卷 万方数据 图3 出口气体组分体积分数变化曲线 Fig. 3 Gas component concentration in the outlet 3. 2 注气过程中的分时分段特征 从煤层注气模拟实验的出口气体体积分数变化规律可以看出, 煤层注气过程表现出明显的分段特征, 并 且总体上可以分为三个阶段。 第一阶段 注源气体没有突破到出口, 即注气时间小于突破时间。这一阶段的特征是随着注气时间的增 加原吸附气体CH4的出口流量不断增加, 并趋于平衡, 而体积分数却保持100不变。在这段时间内, 出口 检测不到注源气体流出, 其体积分数始终保持为0。 第二阶段 注源气体已经突破到出口, 并且其体积分数逐渐增大。这一阶段的特征是原吸附气体流出的 体积分数逐渐减小, 而注源气体流出的体积分数不断增大, 二者最终达到平衡状态。 第三阶段 原吸附气体和注源气体体积分数均达到平稳状态。注气实验经过一段较长的时间后, 出口各 组分体积分数均达到平稳状态, 体积分数基本保持不变。 在注气置驱煤层CH4的过程中, 与注CO2产出CH4机理不同,N2的吸附性比CH4要弱, 不能依靠自身的 吸附能力把CH4从吸附位上置换下来。但当N2注入到煤体之后会稀释煤体中的CH4, 使CH4的分压降低, 其吸附平衡状态被打破, 从而使吸附态的CH4发生解吸, 并通过气体流动的携载作用把其“ 带” 出煤体。综上 所述, 注N2产出CH4的机理主要有注入气体的稀释扩散作用及气体的携载作用。而注非吸附性He产出 CH4也有类似的作用机理。 4 突破时间差异性的定量分析 4. 1 纯渗流的突破时间 假设气体流经煤体时没有吸附和置换作用, 或假设注源气体流过的是没有吸附性的煤体相似材料, 那么 气体在煤体或相似材料中的流动以渗流运动为主, 其突破时间仅与煤体的渗透率、 气体的粘性和注气压力有 关。由于实验条件下煤体均质性较好, 除了边界效应 实验中作专门处理后降到最小 外其透气性分布均匀, 符合线性渗流特征, 服从达西定律 v-K μ dp dx ,1 式中v为流速,m/s; μ为气体动力粘度系数,Pas; K为煤层的渗透率,m2;dp/dx为流体沿x方向压力梯 度,Pa/m。 腔体内煤体可看作是水平、 等厚、 条带状均质地层, 其长L0. 4 m, 宽W0. 3 m, 高H0. 3 m。由于煤 对He没有吸附性, 因此可以将He在煤中的运动简化成流速在各断面上均匀分布的纯线性渗流运动, 注He 时两端压力差为0. 9 MPa。当注气后期He体积分数达97. 5时, 可近似看做是纯He的稳定渗流, 此时流 量为2. 65 L/min, 垂直于流速的断面上平均流速为0. 007 2 m/s。He的动力粘度为1. 9810-5Pas, 则根 据达西计算的实验煤体渗透率K为6. 355 610-8m2。 在相同条件下注N2和CO2时, 假设煤中也不存在吸附置换作用,N2和CO2的动力粘度分别取1. 780 5 99 第2期杨宏民, 等 不同注源气体置换-驱替煤层甲烷突破时间的差异性分析 万方数据 10 -5 Pas和1. 49310 -5 Pas时, 则按式1 可以计算出气体的流速, 进而结合煤体长L可以算出He, N2,CO2的纯渗流突破时间分别为0. 92,0. 83,0. 70 min。如表1所示。 表1 三种注源气体突破时间 Table 1 Breakthrough time of the three kinds of injection gas 注源气体 突破时间/min 总突破时间/min纯渗流突破时间/min HePN2PHe。 4. 3 注源气体的吸附量对突破时间的影响 由实验可是看出, 随着注源气体吸附性增强, 总突破时间大幅度增加。在相同注气压力下,CO2的总突 破时间是N2的总突破时间的17. 57倍。因此, 气体吸附性差异才是决定总突破时间的主要因素。 注源气体进入煤体后, 经过渗流和扩散充填到煤体微孔自由空间并到达煤体表面, 一方面与吸附态的 CH4展开竞争吸附, 另一方面也可以继续占据空闲的吸附位, 使煤体的总吸附饱和度增加。由于注入气体的 总量较少, 此时注入的气体全部滞留在煤体中, 并没有多余的气体从出口排出。 注气实验中注源气体的吸附量可以用多元气体的扩展Langmuir方程计算。对于二元气体来说其吸附 量可用下式描述。 V1 a1b1p1 1 b1p1b2p2 ,3 式中 V1为气体组分1在压力p1下的吸附量,m3/t;a1,b1为气体组分1的吸附常数,m3/t,MPa-1;p1,p2分 别为气体组分1和2的分压力,MPa;b2为气体组分2的吸附常数,MPa-1。 注气实验时, 煤体内无CH4补充进来, 因此认为CH4分压为0. 1 MPa不变, 根据上面实验得到的注源气 体突破煤体时的气体总压, 可得CO2的分压为0. 43 MPa-0. 1 MPa0. 33 MPa, 同理N2的分压为0. 22 MPa。 根据式3 计算注源气体吸附量如表2所示。 从表中可以 看 出, 在 突 破 时 间 内 的 注 入 总 量 扣 除 煤 体 自 由 空 间 的 填 充 量,N2和CO2分 别 共 有 9 939. 87 cm3和542 221. 65 cm3被吸附, 仅占该状态下平衡吸附量总量的5. 07和63. 19, 因此在突破时间 内没有“ 多余” 的注源气体从出口排出。 当然, 以上分析和计算都是基于突破时间内某一静态条件下的, 而吸附、 解吸、 置换、 渗流及扩散均是一 个瞬变的动态过程, 而且这些过程同时进行、 相互耦合。即注源气体进入煤体后同时进行渗流和扩散, 充填 煤体自由空间使煤层内气体总压升高的同时, 在其到达的煤体表面也进行着吸附、 解吸和置换, 不可能存在 独立的渗流、 扩散、 充填、 吸附、 解吸和置换过程。 5 结 论 1 不同注源气体置换-驱替煤中CH4过程均表现出明显的分时分段特征, 气体的吸附性强弱是决定总突 破时间的主要因素, 总突破时间的大小与气体吸附性强弱呈正相关关系。CO2,N2和He的总突破时间分别 为246,14,0. 92 min, 其大小关系为TCO2TN2T He。 2 总突破时间内,N2和CO2吸附量占同一状态下平衡吸附总量的5. 07和63. 19。 3 实验条件下注源气体渗流通过煤体的时间均在1 min之内, 造成总突破时间大幅度增加的原因是气 体吸附和置换, 造成不同注源气体总突破时间巨大差异的原因是注源气体吸附性差异引起的初始不平衡 吸附。 101 第2期杨宏民, 等 不同注源气体置换-驱替煤层甲烷突破时间的差异性分析 万方数据 参考文献 [1]易丽军, 俞启香.低透气性煤层瓦斯抽采增流技术[J].矿业安全与环保,2005,326 46 - 48. 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