文摘
降低溶液的粘度羧甲基纤维素钠(CMC-Na)是一个常见的问题在煤层气(CBM)压力测量与围裙CMC-Na封口机和胶囊CMC-Na封口机。研究表明,可以减少CMC-Na溶液粘度的因素包括氢离子浓度指数(pH)、环境温度、高压煤层气钻井和密封时间和气体环境。在这项研究中,一个自制的CMC-Na溶液的粘度测量仪在高压被用来确定粘度在不同条件下的变化规律,并比较测试各种粘度影响因素进行调查。稳定粘度测定的最佳解决方案,有效地应用于煤矿网站,全面改善的粘度行为观察。
1。介绍
煤通常是一个多孔介质包含孔隙和裂缝。煤层气(CBM)主要是生产相关骨折煤层和岩层(1- - - - - -3]。
康奈尔大学等。4,5被动煤层气)表示,在生产过程中预防和控制很难防止人员之间的直接接触和地下气体浓度高。结构异常的发生和不完整的实现煤层气排水措施很可能导致重大瓦斯事故(6,7]。揭示煤是煤中最危险的过程操作。因此,确保发现煤的安全是一个重要的基础安全的煤矿建设(8- - - - - -11]。有必要实现本质安全为煤与瓦斯突出矿井建设。提取其次是构建涉及复杂系统工程(12- - - - - -15]。
煤层气是煤矿的副产物,是一种有效和清洁能源16- - - - - -19]。煤层瓦斯对煤矿安全生产构成了威胁,每年导致数以百计的人死亡20.,21]。煤层气是最基本的排水措施必须保证煤矿的安全生产。开采煤层天然气使用不仅可以减少煤炭生产的风险但还生产清洁能源和减少环境污染22,23安全),因此有三个好处,能源生产和环境保护。然而,全球变暖的潜力甲烷是25,相当于8.0×1010米3有限公司2排放体积。甲烷释放有严重的温室效应2,24,25]。
瓦斯灾害的重要因素之一是限制煤炭工业的发展。随着矿山开采深度和产出的增加,瓦斯灾害的威胁也会增加。气体释放的问题已经成为最大的因素限制了煤矿的安全、高效生产。煤层瓦斯压力是气体泄漏和爆发的驱动力,是测量煤气的内容。煤层瓦斯压力的准确测量具有重要的实际合理制定矿山瓦斯治理措施和预测煤与瓦斯爆发的风险26- - - - - -28]。
目前,钻井通过层是最重要的方法用于确定煤层的初始气体压力。钻探成功率受到很多因素的影响,通常是发现在实地测试(只有70%20.]。钻井的成功率柔软而容易倒塌的围岩甚至更低,在50%以下22]。这种低成功率大大扩展了钻井施工周期(29日- - - - - -31日]。有大量的微孔和裂纹软,容易折叠周围煤层钻孔。经常遇到的问题,如钻孔困难,大量倒塌的洞,和失败的标准密封过程,防止形成密封使用固体填补裂缝时钻孔。因此,很容易发生气体泄漏,很难衡量真正的煤层瓦斯压力。这些测量不准确导致错误的判断,很容易低估潜在的危险气体事故。水井柔软而容易折叠岩石经常成为嵌入式插入仪器,大大增加煤层气压力测量的成本。为了解决这个技术问题,M-II气体压力试验机(capsule-mucus封口机)结合step-grouting solid-hole-sealing压力测量技术在这项研究。的基本原则是“固体密封液体、液体密封气体”25]。即两个膨胀胶囊用于构造一个钻密闭空间。粘液被压缩成一个胶囊的密封空间压力略高于煤层气体压力表示煤气表。然后,粘液穿透到井眼周围的裂缝隔离气体泄漏通道的压力下,这样的真实气体压力测量煤层(30.,32,33]。capsule-mucus封口机的示意图如图1。
M-II气体压力试验机用于结合step-grouting和hole-fixing压力测量技术整合软,容易折叠围岩。微孔和裂缝井眼围岩的密封。M-II气体压力计的支持和保护,成功完成压力测量。该系统可以有效地防止井眼围岩的崩溃和压力计的损失。该系统可用于精确测量初始煤层气压力和成功恢复气体压力试验机。
堵塞设备利用高压羧甲基的渗透效果cellulose-Na (CMC-Na)溶液渗透到一个有限的空间范围内钻孔周围屏蔽气体。插入设备在规定的空间范围内的岩石裂缝或煤,和可能的通道从毒气室到外面受阻,从而确保室中的气体不泄漏。更换气体无粘性的水(34,35)可能会导致泄漏沿井眼周围岩石的破碎区,很难创建和维护足够的渗透压(36- - - - - -38]。
然而,现场应用表明,密封后CMC-Na溶液粘度下降到不同程度(2]。已确定的因素来降低粘度是微生物细菌分解、溶液中氢离子浓度指数(pH),煤层气体的压力,从CMC-Na不稳定和分解35]。环境温度也显著影响CMC-Na溶液粘度。温度的变化导致热膨胀和收缩,从而改变CMC-Na溶液的体积和密度(28]。此外,温度变化引起的电阻变化封堵装置(29日]。因此,温度被认为是一个CMC-Na溶液粘度的影响因素实验研究中执行。实验研究来识别可能影响粘度的因素,并提出了一种稳定CMC-Na溶液粘度的方法。本研究的目的是开发一种方法,准确地测量原始煤层瓦斯压力在一个煤矿。这项研究作为一个有用的参考配方的气体防治计划和一个可靠的指导煤矿安全生产。
2。实验研究
2.1。实验设备
CMC-Na通常用作推销员驾材料在煤矿39- - - - - -42]。精确测量CMC-Na解决方案在高压气体条件下粘度(43- - - - - -45),一个NDJ-5系列旋转数字粘度计由中国上海Fangrui仪器有限公司有限公司是本研究中使用。
多数表现在这项研究中涉及到的实验测量大气压力下的粘度CMC-Na的解决方案。满足实验要求,一个圆柱形高压容器设计内部,如图2。
这个实验工作所需的工具和材料包括NDJ-5系列数显粘度计,一个圆柱形高压容器,电子天平,气瓶,定时器,一个玻璃杯子,吸管,量筒,玻璃棒,滴管,ear球,和一个恒温浴。
2.2。实验的程序
实验过程描述如下。
剧场便携式水质调查由法国公司Ponsel用于现场测量的基本水质指标,诸如水温度(T)、pH值、溶解氧(做)和TDS,默克和碱度设备由德国公司用于滴定碱性现场,在滴定精度为0.1更易·L−1。阳离子被发现使用Di国安ICS1500离子色谱仪,和阴离子使用瑞士万通麦克风离子色谱仪检测。阴离子和阳离子电荷平衡之间的差异小于5%。地下水的常规化学参数统计结果如表所示1。
地下水样品和蒸馏水样品被用来准备合适的卷CMC-Na解决方案与粘度在室温(20°C) 2550 MPa·年代和2400 MPa·s,分别。被分成几部分的解决方案和放置在疏散圆柱高压容器标准大气压力环境包含不同气体(空气、有限公司2,CH4和N2)。在几天的时间内,粘度的变化的解决方案在不同的环境中时间测量和记录的数据在表中2和3。
表中给出的结果2和3表明在不同气体环境(真空或大气条件下),粘度随时间在不同范围增大而减小。最高的和最低降低粘度发生在有限公司2和真空环境。
粘度表现出相同的变化趋势与时间的解决方案准备在不同的气体环境中使用两个不同的水样,但不同程度地降低。CMC-Na解决方案用蒸馏水的粘度高于用井下水解决方案的准备。的初始粘度两个CMC-Na解决方案准备使用井下水高于与蒸馏水CMC-Na解决方案的准备。这个结果表明,溶液的粘度降低准备与地下水与时间比用蒸馏水的解决方案。由于,地下水对粘度影响更大的解决方案的稳定性比蒸馏水。
3所示。实验结果和分析
3.1。溶胀时间对粘度的影响
CMC-Na是一个线性水溶性聚合物。定义良好的肿胀时间所需的分子链在溶液中完全展开,因此解决方案达到一个理想的粘度。CMC-Na不断在水中解离成聚阴离子,分子完全水化,水化集团和首席运营官−互相排斥,分子链伸展加速解散CMC-Na [25]。此外,过程中色散和肿胀,CMC-Na不仅能分解本身形成分子内氢键,也与水分子结合形成氢键(2]。两个原因让水溶胶液的粘度增加,及其适合肿胀时间应达到离解平衡。实验旨在研究溶液粘度和膨胀时间之间的关系,和实验数据点及其拟合曲线如图3。
图3的拟合曲线表明,CMC-Na溶液粘度与肿胀时间满足二次多项式公式,这是y= 0.0057x2+ 2.1803x+ 1873.6,相关系数R2= 0.9804。这表明拟合二次多项式公式可以解释的趋势CMC-Na溶液粘度与肿胀的时间。当安装二次多项式公式显示超过191分钟,水溶胶溶液的粘度增加而肿胀。除了肿胀时间为191分钟,不改变粘度显著,基本上是稳定的。CMC-Na的最佳肿胀时间是191分钟。
CMC-Na self-decomposes变得不稳定。CMC-Na后溶解在溶液中随着时间最优肿胀,CMC-Na self-decomposes由于不稳定,并相应溶液粘度降低。
3.2。温度对粘度的影响
CMC-Na溶液粘度强烈依赖于温度。在正常的温度和压力,一个1 K的温度变化导致液体粘度变化百分之几甚至百分之十。不改变粘度与温度线性。溶液粘度的变化取决于温度范围。温度越低,越强烈溶液粘度对温度的依赖关系。CMC-Na溶液的粘度是不可避免地受到温度的影响。实验旨在观察溶液粘度随温度的变化,和实验数据点及其拟合曲线如图4。
图4表明CMC-Na溶液粘度与温度的拟合曲线符合二次多项式公式,这是y= 0.155x2+ 83.153x+ 8996.7,相关系数R2= 0.9969。这表明拟合二次多项式公式可以解释CMC-Na溶液粘度与温度的趋势。图4表明在283 K到353 K的温度范围内,溶液粘度减少随着CMC-Na溶液的温度增加。
温度对溶液粘度有显著的影响。测试进行中,CMC-Na溶液的温度提高到353 K,然后冷却到低温,低温和溶液粘度测量。粘度基本上是一样的,在初始温度测量。
3.3。溶液的pH值对粘度的影响
一个适当的体积CMC-Na解决方案的准备,和不同的pH值校准使用标准盐酸溶液浓度为0.1972 mol / L。在298 K和0.1 MPa, pH试纸是用来测量CMC-Na溶液pH值,粘度pH值被记录在不同的解决方案,和实验数据点及其拟合曲线如图5。
图5的拟合曲线表明,CMC-Na溶液粘度与pH值满足二次多项式公式,这是y= 124.57x2+ 1956.2x+ 4978.4,相关系数R2= 0.9649。这表明拟合二次多项式公式可以解释CMC-Na溶液粘度与pH值的趋势。根据图5,它可以获得的最大粘度CMC-Na解溶液pH值为7 - 8。过度或大或小的pH值条件影响溶液粘度。溶液粘度可以增加通过改变CMC-Na溶液pH值。
3.4。粘度的压力的影响
基于恒压的经验,需要大约2 MPa使用胶囊CMC-Na密封装置。围裙的环境压力封口机基本上是密封的气体压力高于2 MPa。一般来说,最大不超过8 MPa的压力。实验表明,不同的气体压力环境会影响CMC-Na溶液粘度(20.]。
设备被设计用来测量粘度在高压力下和用于实验探讨下压力对粘度的影响;实验数据绘制在图6和7,拟合公式如表所示4和5。
数据6和7实验的结果显示在不同的压力,每个压力被允许为规定的时间内稳定:增加环境气体压力对粘度有所下降。溶液的粘度与井下水准备减少更多解决方案的准备与蒸馏水。最大的降低粘度是观察到的有限公司2;然而,减少压力对粘度的影响是不一样大的pH值和温度。数据的实验数据曲线6和7表明,压力对粘度有一定的影响,和粘度随压力增大而减小。表的拟合公式4和5通过拟合实验数据。压力和粘度的二次多项式关系,与相关系数值很大,表明数据拟合特征是好,有一定的指导意义。地下水有更大的影响比蒸馏水CMC-Na聚合物。随着气压的增加,地下水加速CMC-Na聚合物的分解,导致CMC-Na溶液的粘度下降。此外,CMC-Na本身并不是完全稳定(16]。CMC-Na分解本身随着时间的推移,和CMC-Na溶液的粘度降低21]。
4所示。现场应用
图8显示了毕节地区Lvtang煤矿城市的地理位置,中国贵州。6号煤层压力测试。相应的气体压力测试点排列在C605工作面。煤层地板的轮廓线是+ 1800。这是确保了煤层厚度4测试钻孔位置的压力测点是一致的,统一的发生条件,结构简单,他们是相同的地质单元。
胶囊CMC-Na封口机的方法被用来创建一个压力密封,和上述测试方法用于开发CMC-Na处理方法的解决方案。下面描述的方案。(1)四个孔钻在C605煤层地板缝平行位置。(2)钻孔# 1是使用传统胶囊CMC-Na密封装置密封压力测量。(3)井眼# 2,CMC-Na处理2.5%甲醛和用于创建一个密封的压力测量。(4)井眼# 3,CMC-Na溶液的pH值调整了氢氧化钠和碳酸钠,和活跃的压力测量方法被用来创建一个压力密封。(5)钻孔# 4是使用传统胶囊CMC-Na密封,密封和活跃的压力测量方法被用来创建一个压力密封。
每个钻孔记录的测量压力,气体压力曲线如图9。
从图可以得出以下结论9。(1)比较水井# 1和# 2的数据显示,前两天的压力测量钻孔# 2更接近钻孔的最大压力比# 1在相同的条件下,表明钻孔密封# 2比钻孔# 1密封。CMC-Na解决方案是恢复后的压力两个钻孔测量粘度测量和发送到实验室;CMC-Na溶液的粘度恢复从钻孔# 2远远高于从井眼# 1中恢复过来。(2)采用积极的水井压力测量方法# 3和# 4大大缩短了测量时间。在整个压力测量过程中,压力更稳定,恢复CMC-Na粘度大比水井钻孔# 3和# 4 # 1和# 2。
最后,最大的压力是测量井眼# 4,离最初的煤层的瓦斯压力,得出的结论是一致的实验室测试结果。CMC-Na治疗也有优越的未经处理的CMC-Na相比压力稳定。这个结果的原因是粘度稳定,同时减少CMC-Na的损失,大大提高了压力密封,使CMC-Na解压力更稳定、可靠。
5。结论
自行设计测试设备用于本研究;进行了对比试验和分析使用capsule-mucus密封装置来确定CMC-Na溶液粘度的影响因素和法律在地下煤层的环境中。计划维护粘液的稳定性能提出和验证了现场测试。得出了以下的结论。(1)煤层的高压气体环境中,溶液的pH值、煤层的温度、密封时间,和其他影响因素恶化CMC-Na溶液粘度。(2)超出最优肿胀,CMC-Na变得不稳定和self-decomposes CMC-Na溶液粘度相应减少。(3)在283 K到353 K的温度范围内,CMC-Na溶液粘度降低CMC-Na温度的增加。(4)溶液的pH值影响溶液粘度。在7 - 8的pH值范围,溶液粘度达到最大值。pH值小于7,溶液粘度明显低于7 - 8 pH值范围。(5)煤层气压力对粘度影响不大,可以忽略。(6)现场压力测量比较测试验证使用稳定CMC-Na解决方案的可行性。的粘度稳定性CMC-Na稳步提高,压力测量的准确性和可靠性明显提高。
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。
作者的贡献
Fakai王提出了研究。李Zhongguang太阳和Xuelong准备数据和表,Kequan王解释结构数据。德友陈和李甄发达的主要思想。所有的合作者与评论,积极促成了手稿的想法,和建议。
确认
这项工作是财务支持的科学创新与企业家精神特别资助项目的中国煤炭科技工程集团(批准号2020 - td - zd007),中国重庆的自然科学基金(批准Nos. cstc2020jcyj-msxmX0972和cstc2019jcyj-msxmX0633),培育和新的学术探索和创新工程苗贵州理工学院(GZLGXM-04),中国国家自然科学基金(52104204)和山东省自然科学基金(ZR2021QE170),感激地承认。