2017, Vol. 38
2. 河南理工大学 安全科学与工程学院, 河南 焦作 454000
2. School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China
煤层注气促使瓦斯排放源于石油系统的气驱油技术和CO2地质封存技术.CO2地质封存技术不仅减少了温室气体的排放, 而且提高了煤层气的采收率.因此, 美国、日本、欧盟、加拿大、中国等国家和地区纷纷对此技术展开研究, 并进行了不同规模的现场试验[1].2001年, 美国进行了首次CO2驱替煤层气的现场试验[2].日本在北海道、欧盟在波兰、加拿大在Alberta盆地、中国在沁水盆地分别进行了不同规模的现场试验[3-6].杨宏民在阳泉矿区煤矿井下进行煤层低压注氮气( < 0.6MPa)促抽/排瓦斯现场试验[7], 试验发现:向煤层中注入氮气可起到明显的促抽/排瓦斯效果.与此同时, 国内外学者也进行了相关的理论研究.Fitzgeralda等[8]和Busch等[9]认为, 煤对N2, CH4, CO2的吸附能力逐渐变强.Katayama[10]认为, CO2置换CH4的机理是由于CO2具有更强的吸附性能, 而N2置换CH4是由于注N2降低了CH4的分压.Clarkson等[11]同样认为, 向煤层中注入非CH4气体后, 可以降低CH4的分压, 促使CH4解吸, 增加CH4的采气率.方志明等[1]认为注CO2强化煤层气采收率主要作用有两方面, 一是由于CO2与CH4发生竞争吸附, 从而置换CH4气体, 同时降低CH4分压; 二是注入气体维持了更高的压力梯度, 起到增流作用, 这两种作用共同提高CH4产气率.杨宏民[7]认为注气促使CH4解吸产出机理有:置换作用、驱替作用、稀释扩散作用和膨胀增透作用等.
综上所述, 煤层注入弱吸附性气体(N2)能够强化煤中CH4排放, 为了研究促使煤中CH4排放的过程和作用效果, 本文提出向煤层注入N2驱替煤中CH4的实验研究.
1 实验装置与方法 1.1 实验装置实验装置包括7个组成部分:实验腔体、加载系统、注气系统、抽真空系统、气体压力采集系统、气体定量与分析系统(见图 1).
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图 1 实验系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental system |
实验腔体内腔尺寸(长×宽×高)为400mm×300mm×300mm, 壁厚40mm, 密封采用双“O”型圈, 轴向加载通过千斤顶和反压架实现, 围压通过实验腔体的被动刚性约束限制, 通过伺服系统控制压力的大小和保压.通过腔体侧面预留孔插入煤体的空心管和压力传感器(YHT3015) 监测煤体内部压力的变化, 实时采集压力数据.注气口采用高压气瓶提供注气压力, 减压阀提供恒定压力, 高压流量计记录注气流量.出气口采用高精度流量计(煤气表)测定流量, 采样袋采集气样并进行色谱分析, 得到实验不同时刻的气体浓度.
1.2 实验煤样实验采用颗粒煤(粒度 < 1mm)在垂直应力加载条件下分层预压成型煤, 分三次装样, 每次厚度100mm, 压力150kN, 保压时间2min.实验煤样的各项参数:水分4.54%, 灰分14.66%, 挥发分8.43%, 真密度1.76t/m3, 视密度1.68t/m3, 坚固性系数0.15.
1.3 实验方法及步骤1) 抽真空:将系统连接到真空泵上, 开启真空泵进行抽真空, 直到真空计的读数为500Pa以下为止.
2) CH4吸附平衡:CH4气源由高压钢瓶提供, 钢瓶出口连接减压阀, 注气采用不定时间断补气法, 甲烷的最终吸附平衡压力为0.7MPa, 为了使甲烷充分被吸附, 此过程所需时间不少于48h.
3) 放气:打开腔体的出气口, 让甲烷自由流出, 放掉腔体内的游离甲烷, 当压力降到0.1MPa左右后, 通过煤气表记录放出气体的体积.
4) 注气:步骤3完成后, 立即向腔体注入N2.压力梯度为0.6MPa→1MPa→1.4MPa, 流量计和煤气表分别记录进、出口的流量.
5) 出气口收集气体及组分分析:驱替过程中在出气口定时收集气体, 每收集一次气体, 记录一次煤气表和流量计的读数, 用气相色谱仪分析组分的浓度, 来确定驱替过程结束的时间.
6) 卸压:停止注气后, 记录煤气表和流量计的最终读数.使钢瓶与流量计断开, 让腔体中的气体从出气口自由释放, 模拟卸压过程.
7) 实验结束:当腔体内气体压力稳定时, 卸压结束, 收集数据.
2 实验结果及分析 2.1 注气压力越高, CH4体积分数衰减越快注N2驱替煤层CH4实验中驱出CH4体积分数变化规律如图 2所示.由图 2中可以看出:当注气压力为0.6MPa时, 120min时CH4体积分数急剧下降到50%, 随着N2的持续注入, 体积分数持续下降, 驱替结束(1210min)时下降到12.27%.当注气压力为1.0MPa时, 55min时CH4体积分数急剧下降到50%, 驱替结束(784min)时CH4下降到13.36%.当注气压力为1.4MPa时, 27min时CH4体积分数急剧下降到50%, 驱替结束(340min)时下降到9.12%.
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图 2 驱出CH4体积分数随注气时间的变化 Fig.2 Change of drived out of the CH4 concentration with injection time |
注N2驱替煤层CH4实验中驱出混合气体流量变化规律如图 3所示, 驱出CH4流量随注气时间的变化规律如图 4所示.
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图 3 驱出混合气体流量随注气时间的变化 Fig.3 Change of drived out of the mixed gas flow with injection time |
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图 4 驱出CH4流量随注气时间的变化 Fig.4 Change of drived out of the CH4 flow with injection time |
由图 3中可以看出:
1) 初始时驱出混合气体流量迅速上升.当注气压力为0.6MPa时, 注气45min时混合气体流量由0.25L/min上升到0.5L/min, 随着N2的持续注入, 混合气体流量稳定在0.5L/min左右.当注气压力为1.0MPa时, 注气18min时混合气体流量由0.14L/min上升到0.55L/min, 到84min时混合气体流量上升到1.20L/min, 随着N2的持续注入, 混合气体流量稳定在1.2L/min左右.当注气压力为1.4MPa时, 注气13min时混合气体流量上升到1.0L/min, 到29min时混合气体流量上升到2.1L/min, 而到66min时混合气体流量上升到3.0L/min, 随着N2的持续注入, 混合气体流量略有变化, 最终稳定在2.5L/min左右.
2) 注气压力越高, 驱出气体稳定流量越大.当注气压力为0.6MPa时, 流量稳定在0.5L/min, 当注气压力为1.0MPa时, 流量稳定在1.2L/min, 当注气压力为1.4MPa时, 流量稳定在2.5L/min.
由图 4中可以看出:
1) 驱出CH4流量先上升后下降.当注气压力为0.6MPa时, 注气35min时CH4流量由0.25L/min迅速上升到0.46L/min, 之后随着N2的持续注入, CH4流量缓慢下降, 驱替结束时稳定在0.15L/min左右.当注气压力为1.0MPa时, 注气28min时CH4流量由0.14L/min迅速上升到0.64L/min, 之后随着N2的持续注入, CH4流量缓慢下降, 驱替结束时稳定在0.15L/min左右.当注气压力为1.4MPa时, 注气28min时CH4流量由0.33L/min迅速上升到1.07L/min, 之后随着N2的持续注入, CH4流量缓慢下降, 驱替结束时稳定在0.22L/min左右.
2) 注气压力越高, 驱出CH4流量变化幅度越大.
2.3 驱替压力越高, 驱出CH4体积越大注N2驱替煤层CH4实验中驱出CH4体积变化规律如图 5所示.
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图 5 驱出CH4体积随注气时间的变化 Fig.5 Change of drived out of the CH4 volume with injection time |
由图 5中可以看出:随着注气时间的延长, 驱出CH4体积增大；相同的注气时间内, 驱替压力越高, 驱出CH4体积越大.
2.4 煤层注N2促排CH4效果分析由上述实验结果可知, 煤层注N2驱替CH4是一个动态过程, 驱出CH4的体积分数、流量和体积随着注入N2的压力、流量、时间不断发生变化, 说明注N2驱替煤层CH4具有时效性.注气刚开始时, 腔体内CH4经过自然排放后仍有部分残余, 随着N2的注入, 腔体内孔隙压力升高, 渗流速度加快, 残余的游离CH4渗流速度随之加快, 煤体中吸附的CH4也开始解吸并随N2气流流出, 由于腔体内气体压力的迅速上升造成驱出CH4流量迅速上升; 当残留的游离CH4不足以维持析出CH4流量上升的趋势时, 驱出CH4流量开始下降, 由于煤中CH4含量的减少, 析出的CH4流量缓慢下降, 逐渐趋于稳定.注气压力的提高, 加快了渗流的速度, 提高了腔体内孔隙压力, 促使吸附CH4快速解吸, 所以驱出CH4流量随注气压力提高而上升, 相同时间内, 压力越高, 累计驱出CH4体积越大, 促排效果越明显.
3 注N2促排煤层CH4机理分析 3.1 置换作用机理注入的N2进入腔体后, 腔体内压力升高, 氮气的分压也呈上升趋势, 参考扩展的Langmuir方程(式(1))可知, 在甲烷没有析出时, 甲烷分压不变, 但是氮气的注入后, 系统内多了一种气体且分压p2>0, 分母由于多了一项而增大, 在分子不变的情况下, 吸附量V1减小, 所以吸附态的CH4会解吸, 成为游离态.而在此次实验中, 腔体内CH4是随着注入的N2不断析出腔体的, CH4的分压降低, 故式中分子也在不断减小, 加剧了煤体中吸附态CH4的解吸.
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(1) |
式中:V1为CH4在p1下的吸附量, m3/t; a1, b1为CH4的吸附常数, m3/t, MPa-1; b2为N2的吸附常数, MPa-1; p1, p2分别为CH4和N2的分压, MPa.
从式(1) 可以看出, N2分压促使CH4解吸的同时, 也会有一部分N2被吸附进入煤体, 宏观表现出来的是N2被煤体吸附, 而CH4被置换出来.
3.2 稀释扩散作用机理煤体中的CH4由于分压降低会从基质的孔隙中解吸, 吸附在煤基质中小孔和微孔的CH4分子解吸后, 其主要的运动形式是在浓度梯度的作用下进行扩散运动, 符合菲克扩散定律, 即
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(3) |
此次实验中, N2注入后, CH4被稀释后体积分数降低, 这就使得裂隙表面的微孔及小孔两端重新获得浓度差, 气体定向扩散继续进行.不仅CH4会由于裂隙表面的CH4体积分数降低而向外扩散, 同时, 注入的N2也会在浓度差的作用下从裂隙空间被煤基质表面吸附并向微孔、小孔扩散.N2通过扩散进入微孔、小孔内后, 增加了孔内压力, 可以促进CH4的解吸.而从煤体解吸并扩散至裂隙的CH4会被注入的N2气流带走, 这样微孔、小孔与煤基质表面的浓度差一直存在, 所以解吸的CH4会不断扩散出来, 这也是注N2促使CH4解吸的机制之一.
3.3 气流的携载作用机理注入的N2在煤体流动过程中, 不断将CH4携载出腔体, 携载作用的理论基础是达西渗流理论, 即
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(4) |
此次实验中, 腔体中高压CH4经过自然排放后, 腔体内CH4接近吸附平衡状态, 且与外界大气的压差非常小, 与渗流阻力非常接近, CH4渗流速度趋近于0, 注入N2后提高了腔体与外界的压差, 为腔体内流量的渗流提供了能量, 腔体内流体的渗流速度提高, 宏观表现为注入的N2携载CH4流出腔体.这样打破了腔体内原来的吸附状态, 引起了N2的分压促进CH4解吸作用, 携载作用和分压解吸作用相辅相成, 不断使煤体中吸附的CH4解吸并被排出.
4 结论1) 将不同注气压力条件下驱出气体体积分数、流量和体积数据进行对比分析, 得到了提高注气压力对注气过程的影响规律.注气压力越高, 驱出CH4体积分数衰减得越快; 注气压力越高, 驱出气体流量越大, 增流效果越显著.
2) 注气压力的提高, 加快了渗流的速度, 提高了腔体内孔隙压力, 促使吸附CH4快速解吸, 所以驱出CH4流量随注气压力提高而上升, 相同时间内, 压力越高, 累计驱出CH4体积越大, 促排效果越明显.
3) 煤层注N2促排瓦斯的作用机理主要有:气体的置换作用、气流的稀释扩散作用、气流的携载作用等.
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