徐小馬 燕湘湘 黃姝羽

文章編號：1671?251X（2024）04?0112?09 ?DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2023080027

摘要：注氣促抽瓦斯的注氣成分主要有 N2，CO2和空氣，但目前針對不同注入成分的置驅(qū)效果對比研究較少。針對該問題，建立了考慮裂隙氣體滲流和基質(zhì)孔隙氣體擴散的注氣成分置驅(qū)瓦斯數(shù)學模型，在對該模型驗證的基礎上，模擬注入氣體置驅(qū)煤樣瓦斯氣體過程，并對比研究相同注氣壓力和煤體滲透率條件下不同注氣成分（N2，CO2和空氣）對瓦斯的置驅(qū)效果。結(jié)果表明：①相同注氣時間下，從注氣端到排氣端，注入氣體的體積分數(shù)逐漸降低，在注氣端附近注入氣體的體積分數(shù)最高；瓦斯體積分數(shù)逐漸增加，在排氣端附近瓦斯體積分數(shù)最高；隨著注氣時間增加，注入氣體的體積分數(shù)增加區(qū)域逐漸向排氣端移動直至覆蓋整個煤樣，瓦斯體積分數(shù)降低區(qū)域也逐漸向排氣端移動直至覆蓋整個煤樣，表明煤樣中的瓦斯逐漸被置換出來，進而被驅(qū)替出整個煤樣。②在相同注氣時間內(nèi)，從注氣端到排氣端，N2，CO2和空氣3種注入氣體體積分數(shù)和瓦斯體積分數(shù)具有相似的變化規(guī)律，即從注氣端到排氣端，注入氣體體積分數(shù)逐漸降低、瓦斯體積分數(shù)逐漸升高，隨著注氣時間增加，注入氣體的體積分數(shù)增高區(qū)域增加。相同注氣時間、煤樣相同位置處注入氣體的體積分數(shù)和瓦斯體積分數(shù)互補，即相加為100%。③3種注入氣體對瓦斯的置驅(qū)效果排序為 CO2>空氣>N2。④對排氣端氣體的體積分數(shù)分析可知，排氣端氣體的體積分數(shù)隨時間變化可分為突破階段、平衡進行階段和置驅(qū)完成階段。不同注入氣體3個階段持續(xù)時間不同，注入 N2突破時間和置驅(qū)完成時間分別為30，90 min；注入 CO2突破時間和置驅(qū)完成時間分別為20，80 min；注入空氣突破時間和置驅(qū)完成時間分別為28，87 min 。⑤在現(xiàn)場應用時，應根據(jù)具體煤層的吸附解吸能力、煤層自燃特性等選擇合適的注入氣體。

關鍵詞：瓦斯抽采；注氣抽采；注氣成分；置驅(qū)瓦斯；置驅(qū)效果；注氣端；排氣端

中圖分類號：TD712 ?文獻標志碼：A

Numerical simulation study on the coal-bed methane displacement effect of different gas injection components

XU Xiaoma1， YAN Xiangxiang2， HUANG Shuyu2

（1. Henan College of Industry and Information Technology， Jiaozuo 454000， China；2. School of Energy and MiningEngineering， China University of Mining and Technology-Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： The main components of gas injection to promote methane extraction are N2， CO2， and air， but there is currently limited research on the comparison of displacement effects for different injection components. In order to solve the above problems， a mathematical model for gas injection displacement considering fracture gas seepage and matrix pore gas diffusion is established. Based on the validation of the model， the process of injecting gas into coal samples for methane displacement is simulated. The effects of different injection components （N2， CO2， and air） on methane displacement are compared and studied under the same injection pressure and coal permeability conditions. The results show the following points.① Under the same injection time， the volume?fraction of injected gas gradually decreases from the injection end to the exhaust end， with the highest injected gas volume fraction near the injection end. The methane volume fraction gradually increases， with the highest methane volume fraction near the exhaust end. As the injection time increases， the area with an increase in injected gas volume fraction gradually moves towards the exhaust end until it covers the entire coal sample. The area with a decrease in methane volume fraction also gradually moves towards the exhaust end until it covers the entire coal sample. It indicates that the methane in the coal sample is gradually displaced and driven out of the whole sample.② Within the same injection time， from the injection end to the exhaust end， the volume fractions of N2， CO2， and air injected gases and methane have similar changes. That is， from the injection end to the exhaust end， the volume fraction of injected gas gradually decreases and the methane volume fraction gradually increases. With the increase of injection time， the area of increase in injected gas volume fraction increases. The volume fraction of injected gas and methane at the same injection time and at the same position of the coal sample complement each other， that is， they add up to 100%.③ The ranking of the methane displacement effects of three types of injected gases is CO2>air> N2.④ The analysis of the gas volume fraction at the exhaust end shows that the gas volume fraction at the exhaust end can be divided into breakthrough stage， equilibrium stage， and displacement completion stage over time. The duration of the three stages of injecting different gases varies， with N2 breakthrough time and displacement completion time of 30 and 90 minutes， respectively. The breakthrough time for CO2 injection and the completion time for displacement are 20 and 80 minutes， respectively. The breakthrough time for air injection and the completion time for displacement are 28 and 87 minutes， respectively.⑤ When applied on site， appropriate injection gases should be selected based on the adsorption and desorption capacity of specific coal seams， as well as the spontaneous combustion features of coal seams.

Key words： gas extraction; gas injection and extraction; gas injection components; gas displacement; displacement effect; gas injection end; exhaust end

0引言

我國瓦斯儲量豐富，目前為30.6×1012 m3，對瓦斯抽采利用能夠大幅增加我國可用能源總量[1]。同時，礦井瓦斯是制約礦井安全高效開采的主要因素之一，2012—2021年我國煤礦因瓦斯事故死亡1239人，占總死亡人數(shù)44.3%[2-3]。為了防治礦井瓦斯災害，國內(nèi)外專家學者提出了一系列瓦斯抽采技術(shù)，如水力沖孔[4]、分段水力壓裂[5]、水力割縫[6]等，這些技術(shù)雖能夠通過增大煤層透氣性來提高瓦斯抽采效率，但水力沖孔對煤體強度要求較高；分段水力壓裂和水力割縫在松軟煤層中產(chǎn)生的裂隙和縫隙易閉合。

近年來，由于注氣抽采能夠有效提高瓦斯抽采效率而逐漸在煤礦得到應用。在實驗研究方面，楊宏民等[8-9]研究了注 N2促抽煤層瓦斯的機理，發(fā)現(xiàn)注入 N2對煤層瓦斯起到驅(qū)替和置換作用；耿曉偉等[10]研究了不同注氣壓力和注氣溫度對 CO2置換驅(qū)替煤層瓦斯的影響規(guī)律，結(jié)果表明注氣壓力和注氣溫度越高，置換瓦斯效果越好；姜延航等[11]研究了不同注氣溫度、壓力和煤樣含水率條件下 CH4產(chǎn)出率和 CO2儲存率變化特性，并用響應曲面法分析了各因素的交互作用，發(fā)現(xiàn)含水率對 CH4產(chǎn)出影響最大，溫度對 CH4闡述影響最小。在現(xiàn)場試驗方面，宋鑫等[12]針對高強度開采低瓦斯煤層瓦斯抽采效果差的問題，提出注氣驅(qū)替促抽技術(shù)并開展現(xiàn)場試驗研究；王公達等[13]提出了抽采衰竭期注氣增壓強采欠壓瓦斯技術(shù)，提高抽采衰竭期瓦斯效果，在現(xiàn)場取得了良好應用；Xu Wenjie 等[14]研究了注高壓空氣促進瓦斯抽采技術(shù)，解決了軟弱低滲煤層單次抽采不充分問題；賈進章等[15]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗方式研究了注 CO2促抽瓦斯技術(shù)，證明了注 CO2可有效提高瓦斯抽采效率；李志強等[16]以重慶天府礦業(yè)公司為背景，進行了注 N2強化抽采煤層氣的工業(yè)性試驗；李元星[17]在井下開展了連續(xù)注氣和間歇注氣驅(qū)替試驗，發(fā)現(xiàn)連續(xù)注氣效果較好。

前人在試驗和現(xiàn)場對注氣促抽瓦斯進行了深入研究，研究的注入成分主要有 N2，CO2和空氣，但對不同注入成分的置驅(qū)效果對比研究較少。因此，本文在前人研究的基礎上，建立了考慮裂隙氣體滲流和基質(zhì)孔隙氣體擴散的注氣成分置驅(qū)瓦斯數(shù)學模型，在對模型驗證的基礎上，依據(jù)數(shù)學模型建立數(shù)值計算模型，模擬注入氣體置驅(qū)煤樣瓦斯過程，并對比研究相同注氣壓力和煤體滲透率條件下不同注氣成分（N2，CO2和空氣）對瓦斯的置驅(qū)效果。

1注氣成分置驅(qū)瓦斯數(shù)學模型

煤體是一種多孔介質(zhì)材料，包含裂隙和基質(zhì)內(nèi)的孔隙，因此氣體在煤體中的流動包含裂隙內(nèi)的滲流和基質(zhì)孔隙內(nèi)的擴散。建立注氣成分置驅(qū)瓦斯數(shù)學模型時，作出如下假設：①注入的氣體和煤體中的瓦斯服從理想氣體狀態(tài)方程。②注氣過程不考慮煤體溫度的變化和煤體滲透率的變化。③氣體在煤體中的流動是連續(xù)的，在裂隙系統(tǒng)中的滲流符合 Darcy 定律，在孔隙系統(tǒng)中的擴散符合 Fick 定律。

依據(jù)上述假設，注氣過程中，注入氣體和瓦斯在煤體裂隙中的滲流（滿足質(zhì)量守恒方程）和在孔隙中的擴散分別為[18-19]

式中：Qki 為源項，取值0；Qsi 為源項，即煤體中的單一組分氣體 i（i=1表示瓦斯，i=2表示注入氣體）吸附態(tài)與游離態(tài)之間的質(zhì)量交換參數(shù)，kg/（m3·s）；mi 為煤體裂隙中氣體 i 的含量，kg/m3；t 為時間，s；ρi 為煤體裂隙中氣體 i 的密度，kg/m3；υ為煤體裂隙中氣體滲流速度，m/s；Ci 為煤體基質(zhì)中氣體 i 的濃度，kg/m3； Di 為煤體裂隙中氣體 i 的擴散系數(shù)，m2/s。

對于裂隙系統(tǒng)，煤體裂隙中的氣體含量 mi 為

式中φ為孔隙率。

不同組分氣體在裂隙中的滲流符合 Darcy 定律，忽略氣體分子重力效應，裂隙中氣體的滲流速度為[20]

式中：k 為煤體滲透率，m2；μi 為氣體 i 的動力黏度， Pa·s；Pi 為氣體 i 的壓力，MPa。

將式（3）—式（4）代入式（1）中，得到二元氣體在煤體裂隙中的滲流方程組：

對于基質(zhì)孔隙系統(tǒng)，煤體基質(zhì)中氣體 i 的濃度為

Ci = Pi ?????（6）

式中：Mi 為氣體 i 的摩爾質(zhì)量，kg/mol；R 為氣體常數(shù)，J/（mol·K）；T 為氣體溫度，K。

將式（6）代入式（2），可得二元氣體在煤體孔隙中的擴散方程組：

Δ（ΔPi ）=? Qsi ??（7）

煤體中吸附態(tài)與游離態(tài)氣體之間的質(zhì)量交換方程為[21]

Qs i =τ（Ci ? CPi ） ?（8）

式中：τ為吸附時間，s；CPi 為氣體在平衡壓力?Pi 下的濃度，kg/m3。

CPi 為[22]

式中：ρsi 為氣體?i 在標況下的密度，kg/m3；ρc 為煤體密度，kg/m3；ai 為氣體?i 極限吸附量，m3/kg；bi 為氣體?i 吸附平衡常數(shù)，MPa?1。

將式（6）、式（9）代入式（8），得到氣體質(zhì)量交換方程組：

Qs i =τ?Mi ?ρsiρc ?（10）

2模型驗證

鄭學召等[23]利用注 CO2驅(qū)替煤層 CH4試驗系統(tǒng)，研究了不同注氣壓力下的驅(qū)替過程中煤體內(nèi) CO2驅(qū)替 CH4的滲流擴散演化規(guī)律和時變特性，分析了全過程中排氣端 CO2，CH4體積分數(shù)變化規(guī)律，利用物理模擬試驗探究注氣壓力對驅(qū)替置換效率的影響規(guī)律，并進行了量化分析。當注氣壓力為1.0MPa 時，試驗所得排氣端 CO2，CH4體積分數(shù)隨時間變化規(guī)律如圖1所示?？煽闯?CO2體積分數(shù)隨注氣時間增加而逐漸升高，CH4體積分數(shù)隨注氣時間增加而逐漸降低。

為了驗證注氣成分置驅(qū)瓦斯數(shù)學模型，建立三維注氣成分置驅(qū)瓦斯三維數(shù)值計算模型，如圖2所示。模型尺寸為φ5 cm×10 cm，模型左側(cè)為注氣端，右側(cè)為排氣端，在排氣端中部布置1個測點，用以監(jiān)測排氣端氣體體積分數(shù)，在模型中部布置1條測線，用以監(jiān)測整個煤樣在不同時間下的氣體體積分數(shù)。將所建注氣成分置驅(qū)瓦斯數(shù)學模型寫入數(shù)值計算模擬軟件中，代入 CH4和 CO2相關參數(shù)，見表1[24]。通過調(diào)整煤體滲透率，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，如圖3所示。

從圖3可看出，數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)和文獻[23]試驗結(jié)果基本相同，具有相同的變化趨勢，但數(shù)值模擬結(jié)果中的 CO2體積分數(shù)開始增加點與 CO2和 CH4體積分數(shù)相交點較試驗結(jié)稍有滯后。這是因為：①數(shù)值模擬所用煤樣滲透率與試驗煤樣滲透率有所區(qū)別，且數(shù)值模擬煤樣沒有考慮注氣過程中煤樣的滲透率變化，試驗注氣過程中煤樣的滲透率會發(fā)生變化，從而對置驅(qū)效果產(chǎn)生影響。②數(shù)值模擬中沒有考慮煤體中水分的影響。但總體所得數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，說明數(shù)值模擬結(jié)果是合理的，因此建立的數(shù)學模型對注氣成分置驅(qū)瓦斯過程的模擬是可行的。

3不同注氣成分置驅(qū)瓦斯模擬結(jié)果及分析

進行不同注氣成分置驅(qū)瓦斯模擬時，保持煤樣孔隙率、滲透率等參數(shù)和瓦斯參數(shù)不變，改變注入氣體參數(shù)，模擬所用的 N2和空氣參數(shù)見表2[24]。分別研究不同注入氣體置驅(qū)瓦斯過程及排氣端注入氣體及瓦斯體積分數(shù)變化規(guī)律，并對結(jié)果進行分析。對注入空氣進行研究時，由于空氣是以 N2和 O2為主的混合氣體，不同氣體之間存在吸附差異，為了與 N2和 CO2進行對比，不考慮混合氣體的吸附先后順序，以空氣整體物理性質(zhì)展開研究。

3.1不同注入氣體置驅(qū)瓦斯過程

注入?N2，CO2和空氣時，注氣時間分別為10，30，50，80 min 時，煤樣內(nèi)的注入氣體體積分數(shù)和瓦斯體積分數(shù)變化規(guī)律如圖4?圖9所示，圖例中數(shù)字“1.0”表示氣體體積分數(shù)為100%，數(shù)字“0”表示氣體體積分數(shù)為0。

從圖4?圖9可看出，相同注氣時間下，從注氣端到排氣端，注入氣體體積分數(shù)逐漸降低，在注氣端附近注入氣體體積分數(shù)最高；瓦斯體積分數(shù)逐漸增加，在排氣端附近瓦斯體積分數(shù)最高；隨著注氣時間增加，注入氣體體積分數(shù)增加區(qū)域逐漸向排氣端移動直至覆蓋整個煤樣，瓦斯體積分數(shù)降低區(qū)域也逐漸向排氣端移動直至覆蓋整個煤樣，表明煤樣中瓦斯逐漸被置換出來，進而被驅(qū)替出整個煤樣。煤樣中注入氣體體積分數(shù)增加區(qū)域和瓦斯體積分數(shù)降低區(qū)域具有一致性，顯示了注入氣體的置驅(qū)作用。結(jié)果表明，3種注入氣體均能對煤樣中的瓦斯起到很好的驅(qū)替作用，在注氣時間為10 min 時，3種氣體的驅(qū)替效果相差不大，即3種注入氣體體積分數(shù)增高區(qū)域和瓦斯體積分數(shù)降低區(qū)域差別不大；在注氣時間達到50 min 時，3種注入氣體體積分數(shù)和對應注氣方式下的瓦斯體積分數(shù)在排氣端開始有明顯差別，表明不同注入氣體對瓦斯的驅(qū)替效果不同。

為了更加清晰地觀察不同注氣時間從注氣端到排氣端煤樣內(nèi)注入氣體體積分數(shù)和瓦斯體積分數(shù)的變化規(guī)律，將測線監(jiān)測到的不同時間下的氣體體積分數(shù)繪制成曲線，如圖10?圖12所示。

由圖10?圖12可看出，在相同注氣時間，從注氣端到排氣端，N2、CO2、空氣3種注入氣體體積分數(shù)和瓦斯體積分數(shù)具有相似的變化規(guī)律，煤樣相同位置處注入氣體體積分數(shù)和瓦斯體積分數(shù)互補，即相加為100%。注入氣體在注氣端的體積分數(shù)為100%，在排氣端的體積分數(shù)隨著時間增加從0逐漸增加到100%；瓦斯在注氣端體積分數(shù)為0，在排氣端的體積分數(shù)隨著時間增加從100%逐漸降低到0。

為了更加清晰地觀察3種注入氣體對瓦斯的置驅(qū)效果，將注氣時間為50 min 時測線監(jiān)測到的3種注入氣體體積分數(shù)和瓦斯體積分數(shù)繪制到同一圖中，如圖13所示?？煽闯鲈谧鈿怏w時間為50 min時，注入 N2時，從注氣端到排氣端 N2體積分數(shù)從100%降低到25.36%，瓦斯體積分數(shù)從0增加到74.64%；注入 CO2成分時，從注氣端到排氣端 CO2體積分數(shù)從100%降低到60.26%，瓦斯?jié)舛葟?增加到39.74%；注入空氣成分時，從注氣端到排氣端空氣體積分數(shù)從100%降低到40.06%，瓦斯體積分數(shù)從0增加到59.94%。從煤樣內(nèi)的氣體體積分數(shù)變化規(guī)律可看出，3種注入氣體對瓦斯的置驅(qū)效果排序為 CO2>空氣>N2。

3.2不同注入氣體排氣端氣體體積分數(shù)變化規(guī)律

注入?N2、CO2、空氣時，煤樣排氣端氣體體積分數(shù)隨時間變化規(guī)律如圖14所示。注入氣體和瓦斯在排氣端的體積分數(shù)隨時間變化可分為3個階段。階段1排氣端注入氣體體積分數(shù)較低，為0，瓦斯氣體體積分數(shù)較高，為100%，表明在該階段注入氣體還未突破煤樣，但是瓦斯在注入氣體的驅(qū)替下被排出煤樣，稱該階段為突破階段，突破階段的存在說明注入氣體需經(jīng)過一定時間才能在煤樣內(nèi)完成滲流?擴散過程。階段2排氣端注入氣體開始突破煤樣，體積分數(shù)開始迅速升高直至100%，瓦斯體積分數(shù)開始迅速下降直至0，呈現(xiàn)出增減交互的動態(tài)變化關系，這是由于隨著注入氣體的增加和瓦斯的排出，注入氣體壓力升高、瓦斯壓力下降，導致基質(zhì)孔隙中的瓦斯被置換出來變成游離態(tài)，進而被驅(qū)替出煤樣，稱該階段為平衡進行階段。階段3排氣端注入氣體體積分數(shù)為100%，瓦斯體積分數(shù)為0，且隨著時間的增加氣體體積分數(shù)不再發(fā)生變化，形成了新的平衡狀態(tài)，表明煤樣中的瓦斯已完全被注入氣體置換驅(qū)替出來，稱該階段為置驅(qū)完成階段。

從圖14可看出，3種注入氣體的3個階段持續(xù)時間不同：注入 N2時，3個階段分別為0～30，30～90，90～120 min，突破時間和置驅(qū)完成時間分別為30，90 min；注入 CO2時，3個階段分別為0～20，20～80，80 min 以后，突破時間和置驅(qū)完成時間分別為20，80 min；注入空氣時，3個階段分別為0～28，28～87，87 min 以后，突破時間和置驅(qū)完成時間分別為28，87 min。從氣體突破和置驅(qū)完成時間分析可看出，3種注入氣體中，CO2置驅(qū)效果最好，空氣次之。

3.3不同注入氣體置驅(qū)效果差異分析及應用建議

注入不同氣體置驅(qū)瓦斯效果存在差異，造成該現(xiàn)象的原因主要是由注入氣體的物理性質(zhì)決定的。由氣體參數(shù)表可知，相同壓差下，煤樣內(nèi)氣體滲流速度大小為 CO2>空氣>N2；競相吸附能力大小為 CO2>空氣>N2，該結(jié)果與文獻[25-26]的試驗結(jié)果相同，因此出現(xiàn)置驅(qū)瓦斯效果 CO2>空氣>N2的現(xiàn)象。

現(xiàn)場應用結(jié)果表明，注入 CO2、空氣和 N2均能有效提升瓦斯抽采效果，從模擬結(jié)果來看 CO2效果最好，但是煤體對 CO2吸附能力強于瓦斯，后續(xù)易出現(xiàn) CO2突出，且高純度 CO2難以獲得；空氣具有獲取方便的優(yōu)點，但是吸附在煤體中的空氣在采空區(qū)逐漸解吸，會提高采空區(qū)遺煤自燃的可能性；N2與 CO2、空氣相比較為安全，但效果與二者相比略差，且高純度 N2較空氣難以獲得。因此，在現(xiàn)場應用時，應根據(jù)具體煤層的吸附解吸能力、煤層自燃特性等選擇合適的注入氣體。

4結(jié)論

1）建立了注氣成分置驅(qū)瓦斯數(shù)學模型，并將試驗數(shù)據(jù)結(jié)果和依據(jù)數(shù)學模型得到的數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比，驗證了數(shù)學模型的準確性和可行性，為研究不同注入氣體置驅(qū)效果提供了依據(jù)。

2）數(shù)值模擬研究了注入 N2，CO2和空氣對煤樣瓦斯的置換驅(qū)替過程，結(jié)果顯示3種注入氣體具有相似的變化規(guī)律，從注氣端到排氣端，注入氣體體積分數(shù)逐漸降低、瓦斯體積分數(shù)逐漸升高，隨著注氣時間的增加，注入氣體體積分數(shù)增高區(qū)域增加。煤樣相同位置處注入氣體體積分數(shù)和瓦斯體積分數(shù)相加為100%。

3）排氣端氣體體積分數(shù)隨時間變化可分為突破階段、平衡進行階段和置驅(qū)完成階段。不同注入氣體3個階段持續(xù)時間不同，注入 N2突破時間和置驅(qū)完成時間分別為30，90 min；注入 CO2突破時間和置驅(qū)完成時間分別為20，80 min；注入空氣突破時間和置驅(qū)完成時間分別為28，87 min。

4）理論分析了不同注入氣體置驅(qū)瓦斯效果差異性產(chǎn)生的原因，同時分析了不同注入氣體置驅(qū)瓦斯的優(yōu)缺點，為現(xiàn)場工程選擇提供了建議。

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