, 杨天鸿1, 杨宏民2, 冯朝阳21. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 河南理工大学 安全科学与工程学院, 河南 焦作 454000
收稿日期：2016-02-19
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174081)；国家自然科学基金青年基金资助项目(51404091)。
作者简介：陈立伟(1980-)，男，辽宁朝阳人，东北大学博士研究生;
杨天鸿(1968-)，男，辽宁抚顺人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：为了研究煤层注弱吸附性气体强化瓦斯排放的过程和效果, 利用自行搭建的煤层注气驱替实验装置, 进行了注N2驱替CH4实验.实验结果表明:注N2驱替煤层CH4具有时效特性, 排出CH4体积分数逐渐衰减, 流量先升后降.注气压力对驱替CH4效果显著, 注气压力越高, 驱出CH4体积分数衰减越快, 驱出气体流量越大, 增流效应越明显; 相同时间内, 注气压力越高, 累计驱出CH4体积越大, 促排效果越明显.结合实验过程中二元气体物理状态变化规律, 认为注N2促排煤层CH4机理有:气体的置换作用、气流的携载作用和气流的稀释扩散作用等.
关键词：N2-ECBM促排瓦斯时效性置换携载扩散
Experimental Research on Timeliness of Promoting Gas Drainage by N2 Injection in Coal Bed
CHEN Li-wei1
, YANG Tian-hong1, YANG Hong-min2, FENG Zhao-yang21. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China
Corresponding author: CHEN Li-wei, E-mail: clwlf@163.com
Abstract: In order to make clearly the process and features of gas emission by injecting N2, N2 displacement coal seam CH4 tests were performed by using coal bed gas injection displacement experiment device. The results show that N2 displacement coal bed CH4 is a time-dependent process with a gradual decay of drained CH4 concentration, and CH4 flow increases at first and then decreases. Gas injection pressure has significant impact on the displacement effect, the higher the injection pressure, the faster the drained CH4 concentration decay, the larger injection gas flow, the more significant the flow rate increases. During the same time, the higher gas injection displacement pressure is, the larger the drained CH4 volume. According to the theoretical analysis, the mechanisms of injecting N2 displacement coal bed CH4 include the gas displacement, the air carrying and the dilution and diffusion of gas flow.
Key Words: N2-ECBMpromoting gas drainagetimelinessdisplacementcarryingdiffusion
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).
图 1(Fig. 1)
 | 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%.
图 2(Fig. 2)
 | 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 |
2.2 注气压力越高, 驱出气体流量变化幅度越大, 增流效应越显著注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.
图 3(Fig. 3)
 | 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 |
图 4(Fig. 4)
 | 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.
图 5(Fig. 5)
 | 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.
 | (1) |
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
 | (3) |
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
 | (4) |
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.
参考文献
| [1] | 方志明, 李小春, 李洪. 混合气体置换煤层气技术的可行性研究[J].岩石力学, 2010, 31(10): 3223–3229. ( Fang Zhi-ming, Li Xiao-chun, Li Hong. Feasibility study of gas mixture enhanced coal bed methane recovery technology[J].Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(10): 3223–3229.) |
| [2] | Scott R R.The Coal-Seq project:key results from field, laboratory, and modeling studies[C]// Proceedings of the 7th Conference on Greenhouse Gas Control Technologies (GHGT7).Oxford:Elsevier, 2005:1399-1403. |
| [3] | Shi J Q, Sevket D, Masaji F. A reservoir simulation study of CO2 injection and N2 flooding at the Ishikari coalfield CO2 storage pilot project, Japan[J].International Journal of Greenhouse Gas Control, 2008, 2(1): 47.DOI:10.1016/S1750-5836(07)00112-0 |
| [4] | Van Bergen F, Pagnier H J M, van der Meer L G H, et al.Development of a field experiment of CO2 storage in coal seams in the upper Silesian basin of Poland[C]//Proceedings of the 6th Conference on Greenhouse Gas Control Technologies (GHGT6).Oxford:Pergamon, 2002:569-574. |
| [5] | Gunter W D, Mavor M J, Robinson J R.CO2 storage and enhanced methane production:field testing at Fenn-Big Valley, Alberta, Canada, with application[C]//Proceedings of the 7th Conference on Greenhouse Gas Control Technologies (GHGT7).Oxford:Elsevier, 2005:413-421. |
| [6] | 中联煤层气有限责任公司. 中国煤层气勘探开发技术研究[M]. 北京: 石油工业出版社, 2007: 197-272. ( China United Coal Bed Methane Corporation Ltd. China's CBM exploration and exploitation technical researches[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2007: 197-272.) |
| [7] | 杨宏民. 井下注气驱替煤层甲烷机理及规律研究[D]. 焦作: 河南理工大学, 2010. ( Yang Hong-min.Study on mechanism and characteristics laws of displacement coal bed methane by underground gas injection[D]. Jiaozuo:Henan Polytechnic University, 2010.) |
| [8] | Fitzgeralda J E, Pana Z, Sudibandriyoa M, et al. Adsorption of methane, nitrogen, carbon dioxide and their mixtures on wet Tiffany coal[J].Fuel, 2005, 84(18): 2351–2363.DOI:10.1016/j.fuel.2005.05.002 |
| [9] | Busch A, Krooss B M, Gensterblum Y, et al. High-pressure adsorption of methane, carbon dioxide and their mixtures on coals with a special focus on the preferential sorption behavior[J].Journal of Geochemical Exploration, 2003, 78(5): 671–674. |
| [10] | Katayama Y.Study of coal bed methane in Japan[C]//Proceedings of United Nations International Conference on Coal Bed Methane Development and Utilization.Beijing:Coal Industry Press, 1995:238-243. |
| [11] | Clarkson C R, Bustin R M. Binary gas adsorption/desorption isotherms:effect of moisture and coal composition upon carbon dioxide selectivity over methane[J].International Journal of Coal Geology, 2000, 42(4): 241–272.DOI:10.1016/S0166-5162(99)00032-4 |
