煤层瓦斯气相驱替及两相协同机制研究

发布时间：2018-05-17 21:07

  本文选题：脱附迟滞 + 基质体变形　； 参考：《中国矿业大学》2017年博士论文

【摘要】：煤层瓦斯灾害是制约井下采掘工作的主要危险源,随着我国煤炭采掘深度和强度的提高,煤层瓦斯灾害的治理也愈加紧迫。煤层瓦斯气相驱替在瓦斯治理工作中有着重要作用,国内外学者对此进行了深入的研究,也提出了相应的驱替模型,但是气相驱替中有关气体的脱附、渗流机制仍需要深入研究,同时在此基础上也迫切需要探索煤层瓦斯高效治理的新方法。本文首先研究了驱替温度和压力对二氧化碳驱替瓦斯效果的影响,开展了强吸附性气体在煤中的渗流实验和脱附实验,揭示了孔隙变形在煤层气体运移和脱附中的重要作用,重新构建了煤体渗透率理论模型。二氧化碳能够有效驱替出煤体内的甲烷气体,但是基质体的高形变导致煤体渗透率下降,降低了气体的注入量,且容易残留大量的二氧化碳气体,为了降低煤中混合气体的含量提高煤层瓦斯灾害的治理,提出了实行二氧化碳驱替瓦斯后注入碱性水吸收残留气体的气液两相协同驱替方法。该方法显著提高了注水后煤层水分的含量,大量水分侵入孔隙中置换出瓦斯,提高了煤层瓦斯的驱替能力,同时碱性溶液侵蚀下煤中矿物质产生“碎裂”效应,造成孔隙二次发育,进一步提高了瓦斯的驱替效果。借助等温吸附装置深入研究了驱替温度和压力对煤层中甲烷进行二氧化碳驱替的影响,驱替压力和温度的提高有助于提高驱替效率但提高能力较弱,结果表明单纯依靠提高驱替注气压力容易造成成本增加,得出了合适的驱替压力为原始储层压力的一倍大小,驱替温度的提高有助于提高煤体甲烷的驱替效果,但提高井下煤层温度难度较大不适合大规模应用。自制假三轴煤样渗透率测试装置,通过实验分析了应力、气压和Klinkenberg效应在煤体渗透率演化过程中的控制机制。恒定应力条件下随着气体压力的升高,在基质体膨胀和Klinkenberg效应影响下吸附性气体渗透率先下降后升高;恒定气体压力条件下,煤体渗透率随着应力的增加呈指数型下降趋势;恒定有效应力条件下,煤体渗透率发生指数型下降,弱吸附性气体渗透率逐渐平稳,而强吸附性气体渗透率仍持续下降,直至煤体膨胀至极限膨胀量渗透率也逐渐平稳;研究结果表明二氧化碳的注入提高了煤体的膨胀变形量降低了渗透率,将会造成二氧化碳的注入量减少。采用煤样等温吸附装置开展了不同煤样对甲烷和二氧化碳的脱附实验,通过改变起始脱附压力分析了煤中气体的脱附迟滞规律,甲烷的迟滞效应大于二氧化碳,高变质程度煤样的脱附迟滞效应较弱,同时起始压力越大得到的最大吸附量愈大;煤样孔径测试结果显示二氧化碳吸附过后三种煤体发生膨胀造成了不可逆变形,孔径均发生缩小,“孔口变形”仅能解释部分煤样的脱附迟滞现象,揭示了“孔口变形”为主“固溶态”甲烷为辅导致脱附迟滞现象产生的机制。基于煤体的应力变形和吸附变形,重构了煤体的渗透率和孔隙率理论模型,并对模型进行了验证,结果表明煤基质体本身的形变在渗透率和孔隙率中的比重极为显著;引入分形理论,分析了煤体孔隙率的分形变化特征与绝对渗透率变化规律之间的关系,对该关系式进行了理论验证,在低压阶段两者吻合,高压阶段受到Klinkenberg效应的影响实验值低于理论值;该研究成果能够有效预测二氧化碳注入煤层中气体渗透率的变化。理论分析了应力应变和吸附应变对裂隙通道宽度的影响,进而探讨了气体的Klinkenberg系数随应力和气体压力的变化规律,建立了包含可变Klinkenberg系数的渗透率理论方程,利用实验数据验证了理论结果的准确性;结合实验理论研究,二氧化碳能够有效置换出煤体中吸附态的甲烷提高驱替效率,驱替后煤体产生明显变形容易导致煤体渗透率下降影响气体的注入,同时在煤体内残留大量的混合气体对后期开采造成影响。针对二氧化碳驱替瓦斯后煤中混合气体含量增大的问题,提出了二氧化碳驱替瓦斯后注入碱性水的气液两相驱替方法,有效提高了煤体水分的注入并吸收残留的二氧化碳气体,水分在侵入煤中孔隙的同时也能加强对瓦斯的驱替作用;二氧化碳驱替后煤中气-水-煤三相接触体系对碱性溶液的自吸能力大大提高,特别是非贯穿型裂隙的自吸效果尤为显著,有效解决了二氧化碳驱替瓦斯后气体大量残留的难题。利用假三轴煤体渗透率测试装置,分析了气液两相驱替的效果,相比于煤层注水,两相驱替后煤体的含水率提高了54.8%,大大提高了煤层的注水防突效果,注水量提高的同时增强了瓦斯的驱替能力;采用低温氮气吸附、扫描电镜和红外光谱测试手段,分析了碱性溶液对煤体物化特性的侵蚀机制,碱性溶液侵蚀后煤体矿物质发生“碎裂”,造成煤体中孔隙二次发育,提高了煤体的孔隙率;研究结果表明气液两相驱替方法降低了二氧化碳驱替瓦斯后煤层的含气量,提高了煤体含水率而且增强了水分对瓦斯的驱替效果,同时碱性溶液对煤体造成侵蚀进一步提高了对瓦斯灾害的治理效果。
[Abstract]:In this paper , the influence of displacement temperature and pressure on carbon dioxide displacement in coal bed is studied . In this paper , the effect of gas - liquid two - phase displacement is analyzed by means of low temperature nitrogen adsorption , scanning electron microscope ( SEM ) and infrared spectroscopy ( FTIR ) .
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD712

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本文编号：1902867