CO_2置换驱替煤层CH_4规律及应用研究

【摘要】：针对我国低渗透性煤层存在CH4抽采难度系数大、CH4抽采利用效率低等关键性问题,液态CO2驱替煤层CH4技术对提高瓦斯资源利用率、预防矿井瓦斯事故、防止大气环境污染都具有十分重要的意义。本文围绕液态CO2驱替煤层瓦斯过程中的“置换解吸”作用,利用理论分析、实验室物理模拟实验、现场原位试验等手段。开展了 CO2、CH4等温吸附解吸实验,主要研究了压力和温度对CO2、CH4吸附解吸规律的影响;结合自主研发设计的注CO2驱替煤层CH4实验系统装置,研究实验过程中出气口气体浓度、累积CH4驱替量以及驱替置换比的变化规律;利用液态CO2驱替煤层瓦斯工艺系统,通过现场原位试验对物理模拟实验结果进行工程验证。取得的主要研究成果如下:煤体对CH4、CO2的吸附曲线与Langmuir单分子层吸附模型保持一致,煤体对CH4与CO2的吸附量均随着注气压力的增大而增大且CO2的吸附量始终大于CH4的吸附量,吸附常数a值、b值与吸附量均随温度的升高而减小。CO2驱替煤层CH4物理模拟实验向吸附罐内注入CH4过程中,CH4气体浓度首先迅速增大,后缓慢增大,最后趋于100%;向吸附罐内注入CO2过程中,CO2、CH4气体浓度分别保持在0%、100%不变,后出现“此消彼长”的变化关系,最终CO2、CH4气体浓度分别稳定在100%、0%不变。CO2驱替煤层CH4物理模拟实验中,随着注气压力的增大CH4累积驱替量增大,而CO2所需要的的突破时间、驱替置换比减小;随着温度的升高,CO2的突破时间越短,CH4累积驱替量减小,驱替置换比越小;随着煤体松散程度的降低CO2的突破时间、CH4累积驱替量、驱替置换比均减小。综合考虑张集矿区煤层赋存以及物理模拟实验结果,确定了工艺关键参数,利用西安科技大学自主研发的液态CO2驱替煤层瓦斯系统在井下开展工业性试验,对物理模拟实验结果进行了验证。