高瓦斯矿井煤层气吸附解吸实验研究

高瓦斯矿井煤层气吸附解吸实验研究

一、瓦斯吸附解吸机理的研究2005年2月14日，辽宁省阜城孙家湾矿发生的重大安全事故是瓷砖突然出现的结果。因此，在勘探该矿的气采、储存和运移过程中，它与空隙压力和进出口压力之间的关系具有重要的实际应用意义。合理有效地分离和开发。对此,杨其銮、陈昌国、赵阳升、梁冰、张力、范家文等在瓦斯吸附解吸实验方面已经做了大量工作,苏现波、桑树勋、张遂安、张庆玲等一批学者分别进行了煤阶对煤层气吸附能力、煤吸附气体固气作用机理、煤对甲烷气体吸附—解吸机理的可逆性、煤对多组分气体吸附特征等实验研究,得到了我国煤层气吸附解吸机理的一大批研究成果。而实际上煤层气的吸附解吸是一个具有漫长地质年代的受地应力场、温度场、化学场等多场耦合作用的连续物理力学过程,尽管国内外相关学者进行了大量研究,但对煤层气吸附解吸的主控因素及耦合关系的研究还远没有达到机理清晰、规律明确的程度。因此对煤层气吸附解吸机理的深入研究就成为了事关今后我国煤层气开发工作进展的重点。目前考虑三维应力作用(围压和孔隙压力不同组合),在连续先加载后卸载过程中,模拟瓦斯集聚、赋存和运移,进行煤层气吸附解吸实验,对围压和孔隙压力与煤层气吸附解吸间关系规律的实验研究还不多见,因此笔者在这方面做了些工作。二、实验方法1.实验煤样及煤层特性本实验采用自主研制的可同时改变围压和孔隙压力的三轴瓦斯吸附解吸仪,轴压用手动油压泵施加,环压采用SYY70-1型手动水压泵施加,实验中较好地解决了煤样密封问题,突破了以往三轴实验中围压必须大于等于孔隙压力2MPa以上的瓶颈。实验煤样取自阜新孙家湾矿太上层,该煤层为中富灰长焰煤,煤层物理力学参数见表1。煤层厚度17m,瓦斯含量为15.1m3/t。本实验煤样均为垂直层理,实验装置如图1所示。2.瓦斯解吸实验(1)将煤样加工成5cm×5cm×10cm规格的标准煤试样3块,并将试样侧面用胶带封好。(2)煤样称重后置于真空干燥箱内,加热到100～105℃时恒温8h,再冷却至室温后取出称重,后放入自主研制的可同时改变围压和孔隙压力的三轴瓦斯吸附解吸仪中,将两侧端盖拧紧,用真空泵使其脱气24h。(3)先对煤样施加轴压至设定值,然后施加围压和孔隙压力,检查装置气密性,后关闭出气阀,拧开高压气瓶的进瓦斯气阀,通入99.99%浓度瓦斯气体,将标准吸附时间定为24h,记录瓦斯压力表数值。(4)吸附24h后,先关闭瓦斯进气阀门,然后打开出气阀门,采用排水取气法,用管线将出气口瓦斯接入带有1800mL量程的量筒中收集解吸气体,并记录解吸时间和解吸气体积。(5)在以上实验基础上,不取出煤样,直接对同一煤样只改变孔隙压力大小,重复吸附和解吸的实验步骤,观测孔隙压力与煤体吸附解吸特性间的关系。(6)用同样方法只改变轴压大小,得到轴压与煤体吸附解吸特性间的关系。需要说明的是:本实验连续进行先加载后卸载条件下的煤层气吸附解吸实验。目的是更好地模拟在漫长地质年代沉积作用下(即煤体不断加载的过程)瓦斯吸附规律和井巷开采时(即煤体卸载时)瓦斯解吸规律(实验顺序见表1)。由于煤样孔隙结构和割理异常复杂,加上煤体是典型的非弹性体,故在实验中难以做到对同一煤样满足相同工况和相同荷载条件,因此本实验假设吸附24h后煤样即达到饱和状态,解吸后至不再有气体析出为解吸结束,所得解吸量即为此状态下的煤体吸附量,每一种工况均进行吸附解吸实验,且前一工况对下一工况影响忽略不计,实验室室温20℃。由于孙家湾2号煤样具有代表性,因此笔者主要对其规律进行重点阐述。表2列出了孙家湾2号煤样在实验中各阶段参数和解吸结果,煤样尺寸为100mm×49mm×52mm。三、实验设计及程序为模拟煤层气在漫长地质年代的集聚赋存到开采卸压、解吸运移的连续物理力学过程,实验设计为连续进行先加载后卸载的煤层气吸附解吸实验,具体实验顺序为:孔隙压力增加—轴压增加—轴压减小—孔隙压力减小。吸附和解吸是完全可逆过程,由于篇幅所限,笔者以孙家湾2号煤样为例对解吸特性进行重点阐述。1.孔隙压力对解吸量的影响在漫长地质年代中,煤层气的集聚是煤体孔隙中煤层气压力不断增加的过程,孔隙压力的加大必然导致煤体孔隙结构的内表面吸附瓦斯量增加,当井下工作面卸压开采时,煤体孔隙压力达到临界解吸压力以下,吸附的煤层气即开始解吸。因此孔隙压力与瓦斯解吸量和解吸时间具有必然联系,研究它们之间的相互影响规律对科学预测煤层气产量、有效防治瓦斯灾害具有重要的实际应用意义。因此实验首先模拟煤层气集聚过程,将轴压和围压各保持4MPa和2MPa不变,孔隙压力逐级增加,从0.5MPa、1MPa到1.5MPa,考察孔隙压力、解吸量和解吸时间三者间关系。由图2可见,随着孔隙压力增加,解吸量也随之加大,但增加的幅度有明显差别。孔隙压力由0.5MPa增加到1.5MPa时,其解吸量分别增加为原来的1.79倍和2.07倍,分别在上一设定值基础上提高了78.6%和107%。而比较孔隙压力为1.5MPa时的解吸量是孔隙压力1MPa时解吸量的1.16倍,解吸量仅增加了16%。也就是说,尽管孔隙压力增大会使煤样内表面吸附瓦斯量增加,但孔隙压力达到一定数值时,吸附瓦斯将趋于饱和。观察图2发现,当孔隙压力为1MPa和1.5MPa时,解吸规律趋于近似,两段解吸曲线特征有重合的趋势,据此推断该煤样当孔隙压力大于1MPa以后,解吸特征将基本相同。实验表明:加载条件下即煤层气集聚赋存过程中,孔隙压力与解吸量呈抛物线关系,这与前人得到的瓦斯含量和孔隙压力间关系是类似的,其拟合方程为:Q=ap2+bp+c式中:Q表示瓦斯解吸量,cm3;p表示煤层气孔隙压力,MPa;a、b、c分别表示拟合系数。图3给出了孙家湾2号煤样孔隙压力升高过程中解吸量与孔隙压力间关系,用抛物线方程回归拟合良好,故可以预计,该条件下煤样的吸附饱和孔隙压力(即临界解吸压力)在2MPa左右。另外,由实验分析可知:在此条件下解吸时间与孔隙压力也呈抛物线关系,即随孔隙压力增加解吸时间也增加,孔隙压力由0.5MPa到1.5MPa过程中,解吸时间分别增加了62.3%和22.4%,增加幅度逐渐减小。其抛物线拟合方程形式为:T=a1p2+b1p+c1式中:T表示煤层气解吸时间,min;p示煤层气孔隙压力,MPa;a1、b1、c1分别表示拟合系数。对于孙家湾2号煤样,其拟合方程和曲线见图4,同样拟合很好。据此可以推断,在轴压4MPa和环压2MPa条件下,当孔隙压力增加到2MPa时,解吸时间存在一个极限值,约为3000min。2.解吸特性分析在煤层气集聚、赋存和运移过程中,随着煤层气开采,其储层周围地应力场重新分布,反过来直接影响煤层气的解吸、扩散和渗流,气、固两相间相互制约、相互作用,因此研究煤层气吸附解吸过程中煤储层地应力场变化规律,对深入认识气固耦合作用关系,有效控制瓦斯灾害具有十分重要的意义。本实验中轴压和围压模拟地应力场变化,它们是引起煤孔隙结构变化的重要参数,但轴压设计为始终大于围压,因此我们在以上实验基础上紧接着模拟工作面开采过程中煤层气解吸、运移过程,即对煤样吸附瓦斯后进行卸载,只改变轴压大小,观察煤层气解吸特征变化(围压4MPa,孔隙压力1MPa保持不变)。卸载过程中轴压与解吸量、解吸时间关系曲线如图5所示,其规律为:随轴压减小,解吸量增加,解吸时间减少。轴压由8MPa减小到6MPa,解吸量增加了40%,解吸时间减少了11.54%。这是由于轴压在卸载过程中,原来被加载压密的孔隙结构有所恢复,扩大了煤层气运移的孔隙通道,同时卸载过程中煤孔隙内表面积增加,吸附量增多,从而导致解吸量大而解吸时间缩短。轴压与解吸量、解吸时间关系曲线在解吸之初近似为线性变化,且其斜率随轴压增加而加大,即在很短时间内解吸量很大,对孙家湾2号煤样来说初始解吸量最大发生在开始解吸50min以内,随后解吸量和解吸速度逐渐减小并趋于定值,但解吸将维持很长时间。3.不同加载条件下煤样装卸解吸情况对比对相同荷载条件下(轴压4MPa、围压2MPa、孔隙压力1MPa),加卸载过程中煤层气吸附解吸实验特征进行分析比较,得到如下规律:卸载时解吸量小于加载时解吸量,而卸载解吸时间却比加载条件下有一定幅度增加(如图6所示)。本实验煤样卸载较加载时煤层气吸附量减少了26%,解吸时间增加了63.3%。以上原因是由煤结构物理力学特性决定的,由于煤体在先加载后卸载的连续过程中,煤孔隙结构先被压缩,后部分变形恢复,但由于煤是典型的非弹性体,在卸载后煤样不能完全恢复原来的形状,具有一定量的残余变形,因此煤基质内表面积较之加载前有所减少,自然导致煤层气吸附量减少,这与前人的结果是一致的,这也说明在漫长的地质条件下煤层气的赋存量较形成气藏之初是不断减少的。四、孔隙压力对解吸量的影响采用自主设计的可同时改变围压和孔隙压力的三轴瓦斯吸附解吸仪,通过先加载后卸载,先改变孔隙压力,后改变轴压的连续煤层气吸附解吸实验,近似模拟了煤层气由集聚赋存到运移的连续过程,得到了以下新认识。(1)孙家湾煤样在轴压4MPa、围压2MPa保持不变条件下,改变孔隙压力由0.5MPa增加到1.5MPa过程中,解吸量、解吸时间均与孔隙压力呈抛物线关系变化,拟合曲线方程分别为:Q=-400p2+1384p-8和T=-960p2+3428p+9,且拟合效果良好,并据此预计该煤样的吸附饱和孔隙压力应该在2MPa左右,解吸时间存在极大值,为3000min左右。(2)加卸载时,煤层气解吸量和解吸时间明显不同,同样荷载条件下,加载时解吸量大于卸载时解吸量35%,加载解吸时间却比卸载时减少38.75%。(3)只有加载时改变孔隙压力变化情况下,具有解吸量越大解吸时间越长的规律,其他情况时则表现为解吸量越大