二氧化碳驱替煤层瓦斯机理与实验研究

论文摘要

我国是煤炭工业大国,煤层瓦斯资源极为丰富,但由于煤层瓦斯储层普遍属于低渗透储层,有别于美国的煤层地质条件,不能完全按照美国的煤层瓦斯开采方式进行开采。而传统的煤层气开采方法采收率低,采气时间长,经济效益差。煤层瓦斯抽采率低的直接后果是煤矿瓦斯灾害频发、采煤效率低、环境污染等。对于我国绝大多数煤层渗透率较低的特点和煤矿瓦斯抽采率低的现状,建议采用CO2驱替煤层瓦斯,以提高煤层气产气速度和采收率。二氧化碳置换驱替煤层具有CO2煤层地质储存及CH4清洁能源开采的双赢效益,被认为是有较好前景的煤层气开采技术。本文在煤体结构特征与瓦斯赋存机理研究基础上,在实验室对CH4和CO2在煤体的渗透率及二氧化碳驱替煤体瓦斯进行了试验研究。通过煤层气的储层特征及赋存、运移与产出机理。煤样CO2吸附量大于对CH4的吸附量,分析了二氧化碳驱替煤层瓦斯的机理与适用性。渗透实验结果表明:CH4在煤体中渗透率与体积应力呈负指数规律变化;煤体对二氧化碳的渗透率高于对CH4气体的渗透率2个数量级以上,在瓦斯浓度一定的情况下增加了混合气体流量,二氧化碳驱替煤层气技术可以大幅提高煤层瓦斯采收速率。采用大煤样试件进行的二氧化碳置换驱替煤层瓦斯试验,比较真实地模拟了煤层孔隙和裂隙中储存二氧化碳及其驱替煤层瓦斯的过程。置换驱替试验结果表明:随体积应力及渗透驱替压力的不同,单位体积煤体可储存17.47至28.0体积二氧化碳,CO2/CH4置换体积比高达7.03~13.91;在恒定体积应力及渗透压力条件下,二氧化碳注入、置换、产出能够平稳进行;两种不同煤层瓦斯含量条件与驱替置换方式下,产出气体初期CH4含量高达20~50%,随时间延续产出气体中瓦斯含量有所下降,但仍持续保持在10~16%之间;在二氧化碳注入煤体进行置换吸附期间,受竞争吸附及外界温度的影响,煤体孔裂隙内气体反复发生吸附解吸,引起煤体基质发生膨胀收缩;当温度变化幅度较大时,由温度升高导致的气体解吸及膨胀效应远远大于气体解吸煤体基质的收缩效应。研究结构表明,注入CO2置换驱替煤体瓦斯的主要机理为:(1) CH4与CO2的竞争吸附,由于煤体对CO2的吸附性远高于对CH4的吸附性,使得注入的CO2能够滞留,且置换出大量CH4。(2) CO2注入过程中,由于气体的渗流运移,减小了吸附CH4分压,从而使得其持续解吸;提高CH4产量。本研究对CO2在不可采煤层中地质储存及置换驱替煤层瓦斯均具有重要的理论意义与应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外二氧化碳驱替煤层瓦斯研究现状
• 1.3 问题的提出
• 1.3.1 温室气体控制和减排
• 1.3.2 煤矿瓦斯灾害防治
• 4 规模化利用'>1.3.3 煤层CH₄规模化利用
• 1.4 本文研究内容和方法
• 1.4.1 本文研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 第二章 煤体结构特征与瓦斯赋存机理
• 2.1 煤与瓦斯的形成
• 2.2 煤体结构
• 2.2.1 煤的物理结构
• 2.2.2 煤的化学结构
• 2.3 煤体物理特性
• 2.3.1 煤体储容性
• 2.3.2 煤体孔隙类型
• 2.3.3 煤的内表面积
• 2.3.4 煤体渗透性
• 2.4 煤体瓦斯赋存机理
• 2.4.1 游离态的赋存机理
• 2.4.2 吸附态赋存机理
• 2.5 本章小结
• 4、CO₂渗透特性试验研究'>第三章 煤体CH₄、CO₂渗透特性试验研究
• 3.1 实验方法与过程
• 3.1.1 煤样的加工
• 3.1.2 实验设备及测试系统
• 3.1.3 贫煤渗透试验方法
• 4和CO₂ 渗透率'>3.2 贫煤中CH₄和CO₂渗透率
• 4 渗透性'>3.2.1 贫煤中CH₄渗透性
• 2 的渗透性'>3.2.2 贫煤中CO₂的渗透性
• 4和CO₂ 渗透实验结果及分析'>3.2.3 CH₄和CO₂渗透实验结果及分析
• 3.3 本章结论
• 2置换驱替CH₄的机理研究'>第四章 CO₂置换驱替CH₄的机理研究
• 4.1 煤对气体的吸附理论
• 4.1.1 单分子层吸附理论
• 4.1.2 多分子层吸附理论
• 4和CO₂ 吸附性'>4.2 煤对CH₄和CO₂吸附性
• 4和CO₂ 单组份气体的吸附'>4.2.1 煤对CH₄和CO₂单组份气体的吸附
• 4和CO₂ 混合气体的吸附'>4.2.2 煤对CH₄和CO₂混合气体的吸附
• 4和CO₂ 的吸附和解吸'>4.2.3 煤对CH₄和CO₂的吸附和解吸
• 4和CO₂ 吸附能力的影响因素'>4.2.4 煤体对CH₄和CO₂吸附能力的影响因素
• 4.3 煤层瓦斯扩散渗流理论
• 4.3.1 煤层瓦斯的扩散理论
• 4.3.2 煤层瓦斯的渗流理论
• 2驱替CH₄ 的注气模式'>4.3.3 CO₂驱替CH₄的注气模式
• 2置换驱替CH₄ 的机理'>4.4 CO₂置换驱替CH₄的机理
• 4.5 本章小节
• 2驱替煤体CH₄实验研究'>第五章 CO₂驱替煤体CH₄实验研究
• 2驱替CH₄ 的实验过程'>5.1 CO₂驱替CH₄的实验过程
• 5.1.1 实验煤样的制备
• 5.1.2 实验装置与实验方法
• 5.2 实验的结果
• 5.3 实验的分析
• 5.3.1 驱替产出气体体积及含量
• 5.3.2 置换驱替过程中煤体力学表现
• 5.4 本章结论
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在硕士期间发表的文章和参加的项目