GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2020/8837962 8837962 研究文章 实验研究气体流动特性和卸压瓦斯抽放效果在不同卸荷应力路径 https://orcid.org/0000 - 0002 - 0013 - 5314 张 Chaolin 1 2 徐 江 3 王 Enyuan 1 2 彭 Shoujian 3 徐 Jingmin 1 重点实验室的气体和火灾控制煤矿(中国矿业大学和技术) 教育部 徐州 江苏221116年 中国 meb.gov.tr 2 安全工程学院 中国矿业大学和技术 徐州 江苏221116年 中国 cumt.edu.cn 3 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室 重庆大学 重庆400030 中国 cqu.edu.cn 2020年 12 8 2020年 2020年 12 6 2020年 5 7 2020年 8 7 2020年 12 8 2020年 2020年 版权©2020 Chaolin Zhang et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

煤层气是一种关键的物质,因为它可以大量的清洁能源的来源以及风险的危险来源。一个卸压瓦斯抽放煤层气的有效和广泛使用的方法恢复和煤矿瓦斯灾害控制。一系列的卸压瓦斯抽放实验使用大规模的煤样在不同卸荷应力路径本研究探讨卸载应力路径。从实验结果,气体压力的动态演进,分析了温度、煤或天然气生产。气体压力和煤温度的趋势在卸压瓦斯抽放是类似的:先快速下降,然后慢慢地随着时间的推移。相应地,天然气产量快速卸压瓦斯抽放的早期阶段,成为稳定之后。与此同时,气体流动特性明显受卸荷应力路径的影响。气体压力和煤温度最大下降了卸载应力同时在三个方向,和卸货的压力 Z 卸货方向影响最小,只有在一个方向上的压力。然而,卸荷应力路径对天然气产量的影响是复杂和时间相关的。差异系数参数提出了描述卸荷应力路径的影响程度的卸压瓦斯抽放效果。最终,卸荷应力路径的选择在不同的情况下讨论了基于时间、预计卸压瓦斯抽放提供依据。

 中国博士后科学基金会 2019年m661998 江苏省自然科学基金 BK20190627 中国国家科技重大项目 2016 zx05044 - 002 中国国家自然科学基金 51904293 1。介绍

工业化的快速发展,化石燃料的消费,是一种不可再生资源越来越多。煤层气是煤化作用过程的附属产品,主要生产甲烷和低浓度的二氧化碳,氮、硫化氢、二氧化硫、和重碳氢化合物( 1- - - - - - 5]。煤层气的世界总储量估计为262万亿米3,它已经受到了越来越多的兴趣来自许多国家包括美国、澳大利亚、加拿大和中国( 6, 7]。然而,煤层气是一把双刃剑,它不能仅仅是一个高质量的清洁能源大量但也是一个危险的风险来源煤矿( 8- - - - - - 10]。煤层气与高压力和高内容很容易引起煤气动态灾难,例如,煤与瓦斯突出,煤气爆炸 11- - - - - - 13]。因此,高效瓦斯抽放是非常重要的对于煤矿的安全生产。

中国煤层气的储量低于2000米的埋藏深度估计是36.8万亿米3,比的页岩气和致密气 14, 15]。然而,中国的煤层具有低气体饱和,低渗透率、储层压力低,和变质程度相对较高 16, 17]。例如,在中国大多数煤层的渗透率范围从104到101医学博士,这是3到4个数量级低于全世界大多数国家( 18, 19]。提高煤层气复苏和控制气体灾害,提出了卸压瓦斯抽放技术,广泛用于低渗透煤层在中国。元阐述了卸压瓦斯抽放系统的理论和技术,并演示了卸压瓦斯抽放的成功应用在1998年淮南煤田导致增加天然气产量从1000万米3到25亿米3十年( 20.]。随后,增加深入研究进行了卸压瓦斯抽放技术。

张等人探讨了气体压力对气体渗透性的影响在卸压瓦斯抽放,发现渗透率及其敏感气体压力随有效应力增加而降低或外部压力( 21, 22]。殷等人进行进行了一系列的实验研究采动机械行为,透气性,声发射进化三轴加载和卸载条件下的煤( 23, 24]。陈等人研究了应力-应变关系和在卸围压应力对渗透率的影响通过x射线计算机断层扫描(CT)扫描( 25]。王等人得出的结论是,渗透率和天然气生产可以提高对原始煤层实施有效载荷通过挖掘速度控制在卸压瓦斯抽放( 26]。商等人比较了卸压瓦斯抽放效果表面钻井和呈网状穿透水井的使用(NPB) Panyi煤矿、天然气开采,他们的研究结果表明,平均浓度和表面井的平均提取纯度高于NPB的约124.4%和64.7%,分别为( 27]。

前面提到的研究大多集中在煤的渗透率演化在不同卸荷应力路径,和煤炭样本使用小规模很难研究参数变化在煤炭和排水的效果。因此,一系列的卸压瓦斯抽放试验使用大规模的煤样在不同卸荷应力路径进行探索的选择卸载应力路径本研究考虑长远来看,成本高,可重复性差减压在煤矿瓦斯抽放测试网站。

 2。实验方法 2.1。实验室设备

实验不同的卸荷应力路径下的卸压瓦斯抽放是使用一个大型多功能(LSMF)设备。LSMF设备可以模拟气体流实验(例如,煤层气 (CBM)排水,二氧化碳封存,碳dioxide-enhanced CBM恢复(有限公司2-ECBM)),与瓦斯突出灾害实验室充分描述Zhang et al。 28]。LSMF设备是由煤的标本盒,一个真正的三轴加载系统,快速发现煤系统,气体流动系统中,数据采集系统,标本形成系统。煤试样盒的有效空间 1050年 毫米 × 400年 毫米 × 400年 毫米 。真三轴加载系统有9个组加载板在三个方向的煤炭标本盒,可以独立伺服控制来实现不同的装载和卸载路径。

 2.2。样品制备

实验煤是取自金佳煤矿,这是位于中国贵州和云南的边界。云南贵州西部和东部是中国南方最大的产煤地区,煤层气产量潜力高( 29日]。重建的煤炭样本用于本研究考虑到困难获得大规模的原煤,和煤样的制备包括抽样、紧迫,筛选和塑造 30.]。煤炭样本分为四层,每层按1 h塑造7.5 MPa的压力下( 15]。在形成阶段,瓦斯抽放钻孔编号I和II,气体压力传感器编号 P1 - P40岁,和温度传感器编号 T1 - t 7是固定在煤炭样本如图 1。水井的长度是330毫米,由排水部分(红色部分,160毫米长度)和密封部分(蓝色部分,170毫米长度)。

气体压力传感器和温度传感器的位置。

气体压力传感器

温度传感器

 2.3。实验设计

实验中的变量考虑卸荷应力路径如图 2。三个方向的初始应力(即, X 方向, Y 方向, Z 方向)是4.0 MPa。卸荷产生的压力是通过不同的路径后煤样孔隙压力的饱和1 MPa和卸载应力率是2 MPa /分钟。气排水的卸荷应力路径试验 办公自动化进行第一次学习压力时的排水效果三个方向同时卸货。气体出口的阀门打开瓦斯抽放过程,并同时开始 σ X , σ Y , σ Z 下降到0.1 MPa。气体压力的实验参数,温度和气体流量自动记录到最后。比较不同的卸荷应力路径下的瓦斯抽放效果,气排水的卸荷应力路径试验OB, OC, OD依次进行。在OB的卸荷应力路径, σ X 下降到0.1 MPa的卸货率2 MPa /分钟 σ Y 和 σ Z 在4.0 MPa维持不变。此外, σ Y 下降到0.1 MPa在OC的卸荷应力路径 σ Z 下降到0.1 MPa在OD的卸荷应力路径。

卸荷应力路径的卸压瓦斯抽放试验。

 3所示。结果与讨论 3.1。瓦斯抽放效果在三个方向应力卸载

图 3显示了气体压力的动态演化与OA的卸荷应力路径。四个气体压力传感器之间的直线距离( P3, P4, P5, P6)钻孔是280毫米。如图 3(一个),4个传感器的气体压力曲线几乎重合,这迅速下降,然后缓慢下降。从1.0 MPa气体压力下降到0.03 MPa 8 h后的瓦斯抽放。气体的压力传感器 P13日, P14日, P15, P16是固定的外壁附近的钻孔。然而,四个传感器的压力演化趋势显示了显著差异。的传感器 P15是附近钻孔的排水部分的中间,和 P15气体压力下降的速度比其他三个传感器。的传感器 P13和 P14的密封部分钻孔附近,和气体压力下降速度最慢。的传感器 P16坐落在井下排水的前面部分,和气体压力下降率是平均比 P13和 P14日,如图 3 (b)。

在瓦斯抽放瓦斯压力的进化。

P3, P4, P5和 P6

P13日, P14日, P15岁, P16

x = 200年 米 米 , y = 250年 米 米 , z = 40 - - - - - - 1010年 米 米

12个气压传感器的气体压力 x = 200年 毫米, y = 250年 毫米, z = 40 -1010毫米在不同的时间在图所示 3 (c)。很明显,钻孔的排水部分的气体压力在任何时候总是最小。气体压力在钻孔和钻孔II 0.57 MPa和0.33 MPa排水1分钟后,分别。然而,气体压力在其他职位仍几乎等于初始气体压力。瓦斯抽放时间8 h后,气体压力在钻孔和钻孔II 0.1 MPa,气体压力在其他位置大约是0.03 MPa。即降低气体压力降低率随距离的增加钻孔和气体压力在不同位置之间的差异减少瓦斯抽放过程。

气体解吸是一个吸热过程,有助于在瓦斯抽放煤温度的下降。因此,温度的变化在不同的计算和曲线的位置 ΔT1, ΔT2, ΔT3, ΔT4图所示 4(一)。我们观察温度下降的总体趋势相似,在瓦斯抽放瓦斯压力:快速,然后缓慢下降速率温度和气体压力。同时,温度传感器 T3,附近的排水部分的中间钻孔,整个排水过程中下降最快的速度最终最大下降为12.5°C。的温度传感器 T1,从钻孔位于最远,下降速度最慢的整个排水过程中最后一个最低下降为9.7°C。的温度传感器 T2, T4钻孔位于相同的距离。然而,下降的速度 T4是更快的比 T2,特别是在90分钟的瓦斯抽放。最后,温度下降 T2是11.8°C的温度下降 T4 = 12.4°C几乎是相等的 T3所示。

进化在瓦斯抽放煤的温度。

温度和时间的变化

温度的变化与位置

7温度传感器的温度下降曲线 x = 200年 毫米, y = 250年 毫米, z = 152年 -936毫米在不同的时间在图所示 4 (b)表明煤钻孔附近的温度下降最快,其次是水井之间和远离水井。瓦斯抽放过程,煤的温度两个钻孔之间(例如, T4)是水井附近接近,这表明两个相邻钻孔煤钻孔之间的温度下降得更快。这主要是因为,钻孔之间的相互作用可以加速煤的瓦斯解吸水井钻孔之间,导致煤的温度下降得更快( 3]。

图 5(一个)显示了不同的气体流速和天然气生产分支在瓦斯抽放钻孔。钻孔的气体流速(即, 问我)有一个最大的39.86升/分钟开始,然后随瓦斯抽放,最后降到0.45升/分钟。同样,钻孔二世的气体流速(即, 问II)最大的40.78 L / min,然后随瓦斯抽放,最后降到0.35升/分钟。然而,天然气产量的井眼之间的区别我(即, 问我)和天然气生产井二世(即, 问(二)与瓦斯抽放的过程中,逐渐增加 问我和 问分别二世达到1285.34 L和1219.43 L。两个分支钻孔之间的不同的排水效果主要是由于不完全均匀煤( 31日]。因此,气体流速和天然气总产量的水井是至关重要的,如图 5 (b)。可以看出 问 (例如, 问 我 + 问 二世 )具有相同的进化趋势 问我和 问二世和 问(例如, 问 我 + 问 二世 )具有相同的进化趋势 问我和 问二世。所不同的是,山顶的 问 和 问 重要达到80.64升/分钟和2054.77 L,分别。

排水减压瓦斯抽放效果。

气体流速和天然气生产不同的分支钻孔

气体流速和天然气总产量的两个钻孔

 3.2。气体流动特性在不同卸荷应力路径

为了研究卸荷应力路径对气体流动特性,气体压力或温度相同的位置在不同的实验比较。三种类型的传感器的位置选择,即位置附近水井,水井之间位置,远离钻孔的位置。的曲线 P25日, P29岁, P在不同的实验如图40 6。从图可以看出 6(一),四个曲线急剧下降初期由于四种气体压力传感器接近钻孔的曲线 P25 - X Y Z 和 P29 - Z 几乎一致,低于的曲线 P25 - Y 的曲线 P25 - X 整个排水过程中保持最高的证明卸货压力 Z 方向,三个方向的最重要影响水井附近的气体压力下降。的曲线 P29日和 P40在不同实验类似的进化趋势。 P29日和 P40下降最快的卸荷压力是在三个方向放卸荷压力时最慢 Z 方向。卸载压力的影响 X 方向和 Y 方向上 P29日和 P40几乎是一样的,如图 6 (b)和 6 (c)。

气压不同卸荷应力路径下的进化。

P25

P29日

P40

的曲线 ΔT3, ΔT4, ΔT在不同的实验如图6 7。如图所示,煤温度最大下降当卸载应力在三个方向,最低下降当卸载压力 Z 方向。 ΔT3压力卸压 X 方向是更大的比 Y 方向当温度传感器附近钻孔和钻孔之间当温度传感器类似,远离水井。总之,气体流动特性明显受卸荷应力路径的影响。气体的压力和温度的最大卸荷应力下降的三个方向和卸载压力的 Z 方向影响最小的只有卸载压力是一个方向。

温度的变化在不同卸荷应力路径。

Δ T 3

Δ T 4

Δ T 6

3.3。瓦斯抽放效果在不同卸荷应力路径

气体流速和天然气总产量的两个钻孔在不同实验如图 8(一个)展示卸荷应力路径的影响瓦斯抽放。初总气体流速峰值瓦斯抽放和80.64升/分钟,80.54升/分钟,81.14 L / min,和76.27 L / min压力卸载在三个方向,即 X 方向, Y 方向, Z 方向,分别。气体流速的差异逐渐减少,这都有一个最低的0.83 L / min后排水8 h。相应地,天然气总产量的2504.77 L四个实验,2380.66升,2375.11 L和2287.00 L。很明显,总天然气产量与压力卸载在三个方向与应力卸载是最高的 Z 方向是最低的。

气体流速和天然气总产量在不同卸荷应力路径。

气体流速和天然气总产量与时间

天然气总产量在30分钟,120分钟,480分钟

总天然气生产的一个关键参数指示瓦斯抽放效果和总天然气生产输出与不同的卸荷应力路径不同排水时间比较进一步如图 8 (b)。的总天然气生产输出三种不同卸荷应力路径是1108.23升,992.18升,977.00 L和883.93 L排水后30分钟。总天然气产量与压力卸载在三个方向是最高和作为对照组,因此天然气产量的差异系数定义如下。 (1) k = 问 量 我 − 问 量 X Y Z 问 量 X Y Z × One hundred. % 我 = X , Y , Z ,

在这里, k 是天然气生产系数的差异。

差异系数的三个实验是-10.5%,-11.8%,-20.2%,引流30分钟表明卸载压力时的天然气产量下降 Z 方向是最大的。然而,三个实验变化的差异系数为-7.3%,-8.2%,和-13.9%排水后的120分钟,最后变化至-5.0%,-5.2%,-8.7%。很明显,天然气产量的差异系数不仅受卸荷应力路径的影响,而且排水时间。

 3.4。卸荷应力路径选择的影响

从实验结果,卸荷应力路径的选择是非常重要的前卸压瓦斯抽放,特别是当只有一个方向的压力可以被卸载。此外,卸压瓦斯抽放的效果是由卸荷应力路径和排水时间同时,如图 9。从三条曲线的演变,我们得出这样的结论:当卸载压力是天然气生产 Z 方向的最大降幅,当卸载应力是紧随其后 Y 方向,然后,当卸载压力 X 方向。也就是说,卸载压力三个方向是最好的卸荷应力路径,而卸载压力 X 方向是最好的卸荷应力路径选择如果只有一个方向的压力。因此,三个方向的压力应该卸载之前卸压瓦斯抽放来实现所需的条件。值得注意的是,它是可能的,只有一个方向的应力可以卸载考虑到条件比较复杂,困难,长时间的卸荷压力。

差异系数不同的卸荷应力路径下的天然气生产。

图 9显示三条曲线的演化趋势是与时间有关的。天然气产量的差异系数的分布面积可以分为三个部分以-5%和-10%为划分点,也就是说,亮绿色区域,淡黄色区域,红色区域。瓦斯抽放效果可以被认为是约等于三个方向的压力卸载在绿色区域,但他们有一个小缺口淡黄色区域,根据红色区域有很大的差距。因此,瓦斯抽放效果在一个方向的应力卸载差进行一个短期的瓦斯抽放时(即。、排水期前一行)和瓦斯抽放效果 X 方向或 Y 方向的应力卸载是可行的,当进行中期瓦斯抽放(即。A和B行)之间、排水时间和瓦斯抽放效果 Z 方向的应力卸载满意只有当进行天然气长期排水(即。后,排水线B)。

总之,卸荷应力路径的选择之前卸压瓦斯抽放可以实现如下:三个方向的压力同时卸载是最好的卸荷应力路径的选择是否有利的条件。的 X 方向应力卸载是最合适的选择的卸荷应力路径如果只有一个方向的应力卸载,紧随其后的是 Y 方向的应力卸载。的 Z 方向的应力卸载是一个可行的选择只卸荷应力路径的长期瓦斯抽放。

 4所示。结论

卸压瓦斯抽放的物理实验进行了不同卸荷应力路径下使用一个LSMF设备。气体压力、温度、煤或天然气流量监控整个排水期间。气体压力下降伴随着减少煤炭在排水温度显示类似的进化趋势:在早期迅速下降,然后缓慢下降。同时,气体流动特性明显受卸荷应力路径的影响。气体压力和煤温度最大值下降了在三个方向同时卸荷压力和卸载压力的 Z 方向的影响最小,因为只有卸载是在一个方向上的压力。卸荷应力路径的影响在卸压瓦斯抽放效果是与时间有关的,和下面的结论是:三个方向的压力卸载是最好的如果条件允许卸荷应力路径的选择。的 X 方向的压力卸卸荷应力路径是最好的选择,如果只是一个方向的压力可以卸载,紧随其后的是 Y 方向的应力卸载。的 Z 方向的应力卸载是一个可行的选择只卸荷应力路径的长期瓦斯抽放。

 数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这项研究的出版物。

 确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51904293),中国国家科技重大项目(2016号zx05044 - 002),美国国家科学基金会江苏省(没有。BK20190627),中国博士后科学基金会(2019号m661998)。

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