液态CO2低温致裂及相变驱替促抽煤层CH4机制研究

摘要

“高储低渗”是我国煤层赋存的普遍特征，为提高低渗透煤层的瓦斯抽采效率，必须采取人工增透促抽措施。基于液态CO2低温损伤、相变增压、置换驱替等特征，提出液态CO2低温致裂及相变驱替煤层CH4技术。采用理论分析、实验测试、数值计算和现场试验等方法，从液态CO2的低温作用对煤层的致裂增透和相变后对煤层CH4的置换驱替效应两个方面，研究了液态C02低温致裂过程煤体孔裂隙结构演化特征与力学破坏规律，分析了液态CO2相变驱替煤层CH4时效特性，提出注液态CO2低温致裂及相变驱替促抽煤层CH4机制，对实现煤层瓦斯快速抽采具有理论及实践意义。 激光导热法测试了-50-50℃煤体热物性与含水率的关系。随着温度的升高，煤的导热系数及比热容均增大，0-5℃热物性参数增长率出现拐点。拐点前后热物性均呈线性增加，且煤样含水率越高，导热系数及比热容越大。采用导热和对流换热方法数值计算了注液态CO2过程煤层温度场分布，降温半径与压注时间为二次函数关系。分析了煤层注液态CO2过程相变特性，液态CO2注入煤层发生热量交换，在煤层中表现为气-液两相流，过程分为增压、流-固热交换、液相渗流、气-液相变、气相渗流与扩散五个阶段。 基于煤样破坏过程能量及声发射特征，分析了液态CO2低温致裂煤样压缩及劈裂过程的破坏特性。低温致裂煤样单轴抗压强度及破坏峰值应变减小，破坏加载时间缩短，压密阶段持续时间及应变量增大，弹性应变减小，加载下更容易发生压缩变形及破坏，塑性变形能力增加，破坏后生成更多裂隙。低温致裂煤样劈裂破坏主裂隙表现塑性变形破坏特征，峰值载荷、抗拉强度、峰值应变及能率均大幅度降低，煤体由脆性破坏向塑性破坏转化。 氮吸附法和压汞法分析了液态CO2低温致裂煤体孔裂隙结构演化规律。液态CO2溶浸煤样微孔及小孔隙向中孔及大孔转化，同时有新孔隙生成，孔径峰值增大，比表面积减小，总孔容降低。SEM扫描电镜法研究了液态CO2溶浸煤样前后裂隙几何尺寸及数量，裂隙尺寸增加，同时有新裂隙的生成。 研制了CO2驱替煤体CH4实验装置，提出驱替时效特性判定指标，模拟了驱替过程时效特性，驱替过程存在时间效应。临界时间前驱替流量及驱替压力越大，驱替流CH4累积量及驱替效率越高，临界时间后驱替参数对累积驱替量及驱替效率影响不显著。 液态CO2低温致裂及相变驱替促抽煤层CH4机制是热应力、孔隙气体压力损伤、置换及驱替作用综合作用的结果。热应力及孔隙气体压力损伤是致裂增透的主要作用，煤层中液态CO2相变与吸附态CH4形成竞争吸附及扩散置换，在裂隙压力梯度作用下将煤层裂隙中的CH4携载、驱赶出来。 以兖州矿区南屯煤样和淮南矿区张集煤矿为实验对象，开发了液态CO2低温致裂及相变驱替促抽煤层CH4技术工艺，提出了影响半径及CH4抽采效果两个判定指标，验证了液态CO2低温致裂及相变驱替促抽煤层CH4技术效果。

目录

第一个书签之前