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深部煤层CO_(2)地质封存量化评估及案例研究 被引量：5
1
作者 刘操 赵春辉 +2 位作者 钟福平 秦书杰 韦沧龙 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期288-298,共11页
地质封存CO_(2)作为理想的减碳技术,有望成为缓解温室效应的重要手段,因此量化评估深部煤层CO_(2)地质封存潜力与研究超临界CO_(2)与深部煤岩之间相互作用成为了“双碳”背景下的研究热点。以焦作矿区九里山煤样为试验研究对象,分析了... 地质封存CO_(2)作为理想的减碳技术,有望成为缓解温室效应的重要手段,因此量化评估深部煤层CO_(2)地质封存潜力与研究超临界CO_(2)与深部煤岩之间相互作用成为了“双碳”背景下的研究热点。以焦作矿区九里山煤样为试验研究对象,分析了深部煤层超临界CO_(2)吸附与封存机理,分别开展了35和45℃下煤样的CO_(2)等温吸附试验,解释并校正了CO_(2)吸附等温线高压异常下拐现象,得到了不同温度下煤样的CO_(2)实际吸附量。提出了一种新方法计算CO_(2)地质封存量,能够校正吸附相体积造成的封存量计算误差,并能精确评估不同埋深煤层CO_(2)理论和有效封存量。研究结果表明:①当高压吸附饱和时,煤样表面所有的吸附位被完全占据,此时吸附相体积和密度不再发生改变,吸附量应趋于稳定,但实验室测得的吸附量却在高压饱和阶段随压力增大而减小,这并不符合Langmuir吸附原理,因此必须对实验室测试的吸附等温线进行校正,才能应用于深部煤层CO_(2)封存量评估;②煤中CO_(2)封存量主要由吸附和游离封存量组成,吸附封存量需要采用吸附相密度和Gibbs吸附量进行反算,游离封存量则需要掌握煤中游离相占据的孔隙体积,它只能根据煤中孔隙总体积减去吸附相体积进行计算,因此,吸附相是精确评估吸附和游离封存量的决定性因素;③采用修正的煤层CO_(2)地质封存量化方法,以焦作修武研究区800~2000 m深部煤层为例,得出其单位质量煤中CO_(2)理论封存量为1.52~2.16 mmol/g,CO_(2)有效封存总量为11.19×10^(9)m^(3),换算为封存总质量为21.97 Mt。本研究案例不仅校正了吸附试验数据的物质平衡错误,而且考虑了吸附相占据孔隙空间对游离封存量的影响,这对深部煤层CO_(2)地质封存量精准评估具有重要的应用意义。 展开更多
关键词 CO_(2)地质封存 深部煤层 CO_(2)吸附试验 吸附相 评估方法
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煤粒瓦斯瞬时扩散模型研究
2
作者 史广山 白鹏飞 张玉贵 《安全与环境学报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第3期952-956,共5页
为使扩散方程能够准确描述煤粒瓦斯涌出规律,首先依据相似理论和扩散第二定律建立瓦斯扩散系数计算方法,并结合试验数据得到扩散系数与时间的关系。然后基于此构建煤粒瓦斯瞬时扩散球状模型,运用分离变量法对模型进行求解,得到该模型的... 为使扩散方程能够准确描述煤粒瓦斯涌出规律,首先依据相似理论和扩散第二定律建立瓦斯扩散系数计算方法,并结合试验数据得到扩散系数与时间的关系。然后基于此构建煤粒瓦斯瞬时扩散球状模型,运用分离变量法对模型进行求解,得到该模型的无穷级数解析解和模型系数的确定方法。最后通过计算值与试验值对比验证瞬时扩散模型的准确性,同时分析瞬时扩散模型与煤体复杂孔隙结构的关系。结果表明：扩散系数随时间的变化符合幂函数递减规律;构建的瞬时扩散模型能够准确描述煤粒瓦斯扩散规律,理论计算高度反映了试验结果;瞬时扩散模型可以从时空角度体现煤粒复杂的孔隙结构。因此该模型可用于计算瓦斯预测参数和研究瓦斯动力灾害形成过程。 展开更多
关键词 安全工程 扩散系数 相似理论 幂函数 Fick定律
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含水率对构造煤煤粒瓦斯扩散的影响研究 被引量：6
3
作者 张庆浩 贾天让 +1 位作者 李松林 魏国营 《中国安全生产科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2018年第8期117-122,共6页
为了研究分析不同含水率对煤粒瓦斯扩散的影响,以平煤八矿构造煤为研究对象,利用瓦斯扩散试验装置,测定不同含水率条件下煤粒瓦斯解吸量,对比分析不同扩散模型,优选适合描述含水煤粒瓦斯解吸全过程的扩散模型,进而研究不同含水率对煤粒... 为了研究分析不同含水率对煤粒瓦斯扩散的影响,以平煤八矿构造煤为研究对象,利用瓦斯扩散试验装置,测定不同含水率条件下煤粒瓦斯解吸量,对比分析不同扩散模型,优选适合描述含水煤粒瓦斯解吸全过程的扩散模型,进而研究不同含水率对煤粒瓦斯扩散系数的影响。研究结果表明:相同时段下,干燥煤样的累计瓦斯解吸量最大,随着含水率增加煤样的累计瓦斯解吸量越来越小,水分的增加封堵了瓦斯扩散通道,在煤微孔隙内产生一定的蒸气压增大了瓦斯扩散的阻力使得单位时间内的瓦斯解吸量不断减小;通过3种扩散模型的对比发现幂函数模型在误差大小和稳定性方面都优于其他2种模型;利用该幂函数模型对扩散系数进行计算得出4种含水率对煤粒扩散系数的影响发现,扩散系数均经历前期快速下降和后期缓慢下降2个阶段,扩散系数随含水率的增大而减小且扩散速率趋于稳定。 展开更多
关键词 构造煤 含水率 扩散模型 扩散系数
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煤中超临界CO_(2)解吸滞后机理及其对地质封存启示 被引量：4
4
作者 刘操 闫江伟 +4 位作者 赵春辉 钟福平 贾天让 刘小磊 张航 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第7期3154-3166,共13页
将CO_(2)注入不可采煤层地质封存既是降低温室气体效应最理想选择之一,也是煤炭工业降低CO_(2)排放、实现低碳化可持续发展的必由之路,然而,煤层CO_(2)地质封存悬而未决的关键问题是:“注入煤层中的CO_(2)到底能否长期停留而安全封存?... 将CO_(2)注入不可采煤层地质封存既是降低温室气体效应最理想选择之一,也是煤炭工业降低CO_(2)排放、实现低碳化可持续发展的必由之路,然而,煤层CO_(2)地质封存悬而未决的关键问题是:“注入煤层中的CO_(2)到底能否长期停留而安全封存?”。鉴于此,在弄清煤体CO_(2)解吸滞后规律的基础上,揭示超临界CO_(2)解吸滞后机理,建立煤层CO_(2)地质封存量化模型,探讨利用解吸滞后实现煤层CO_(2)长期安全封存。研究表明:煤中超临界态CO_(2)解吸滞后程度大于亚临界态CO_(2),在超临界阶段,吸附与解吸等温线形成近似“平行线”的稳定滞后特征;解吸滞后的本质原因是煤中微纳米级亲水性孔隙形成弯液面、产生强大毛细压力、渗吸液态水、截断并固定超临界CO_(2)流体、最终形成了CO_(2)残余封存,例如,煤中直径40~10 nm圆柱形无机孔隙可产生7.30~29.12 MPa毛细压力,足以封堵超临界态CO_(2);以九里山煤样解吸等温线数据为例,采用基于煤层CO_(2)解吸滞后的地质封存量化模型,评估出900~1500 m深部二1煤层封存总量稳定在35~37 m^(3)/t,其中,吸附封存约占80%,残余封存约占15%,而结构封存仅占5%;解吸滞后启示应尽可能采取措施提高煤层残余封存CO_(2)比例,原因是毛细堵塞的残余封存CO_(2)较围岩密封的游离和吸附CO_(2)更安全且没有泄露风险,煤层灰分、水分、孔隙尺寸和形貌等物性参数是影响残余封存效率的主要因素。 展开更多
关键词 CO_(2)地质封存 超临界CO_(2) 解吸滞后 残余封存 毛细压力 地质封存量化模型
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基于蠕变变形的顺煤层钻孔筛管封孔技术研究 被引量：5
5
作者 张起 魏国营 +2 位作者 秦宾宾 刘威 王俊铭 《中国安全科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第3期133-138,共6页
针对顺煤层抽采钻孔在抽采过程中由于钻孔断面变形缩小导致抽采流量和浓度低下的问题,采用FLAC^3D软件构建基于蠕变规律的钻孔煤体形变模型,对比分析常规和预置筛管钻孔周围煤体的蠕变位移和塑形区变化情况;提出预置筛管抽采封孔技术以... 针对顺煤层抽采钻孔在抽采过程中由于钻孔断面变形缩小导致抽采流量和浓度低下的问题,采用FLAC^3D软件构建基于蠕变规律的钻孔煤体形变模型,对比分析常规和预置筛管钻孔周围煤体的蠕变位移和塑形区变化情况;提出预置筛管抽采封孔技术以提高孔壁支护力、改善钻孔抽采断面,并进行工业验证。研究表明:顺层抽采钻孔完孔后,孔壁受环向压力的影响,钻孔周围煤体呈现出向钻孔方向蠕变挤压特性,而且筛管钻孔相较常规钻孔形变量明显变小;现场采用预置筛管抽采封孔技术后,相较常规封孔技术,抽采65天时钻孔抽采量提高191%,抽采浓度提高137%,抽采效率提高显著。 展开更多
关键词 瓦斯抽采 蠕变规律 预置筛管 钻孔 FLAC^3D模拟
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地应力与孔隙压力对定向水力压裂效果影响研究 被引量：20
6
作者 贾文超 张明杰 +1 位作者 梁锡明 解帅龙 《煤炭科学技术》 CAS 北大核心 2018年第12期151-157,共7页
为了实现突出煤层井下水力压裂均匀卸压增透消突,达到压裂设备小型化的目的,提出了基于非对称孔隙压力场的多孔控制定向水力压裂新工艺。采用理论分析结合数值试验的方法,以鹤壁矿区二1煤层矿井地质条件为基础,利用RFPA-2D数值模拟软件... 为了实现突出煤层井下水力压裂均匀卸压增透消突,达到压裂设备小型化的目的,提出了基于非对称孔隙压力场的多孔控制定向水力压裂新工艺。采用理论分析结合数值试验的方法,以鹤壁矿区二1煤层矿井地质条件为基础,利用RFPA-2D数值模拟软件,研究了水平应力比、孔隙压力场以及地应力与孔隙压力场组合影响下的裂隙扩展规律,结果表明:水平应力比对煤体破坏类型、裂隙形态及扩展方向影响突出;利用孔隙压力场分布特征可以提高控制孔定向控制作用,降低起裂水压。根据矿区目前地质条件,水平主应力比在1.0~1.8,控制水压为6~12 MPa,在非对称孔隙压力场下,采用多孔控制定向水力压裂技术增透效果最佳。 展开更多
关键词 多孔控制 水平应力比 孔隙压力 裂隙扩展
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气源岩吸附试验的机理及吸附特征新认识 被引量：16
7
作者 刘操 张玉贵 +1 位作者 贾天让 钟福平 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第11期3441-3452,共12页
吸附常数是煤矿瓦斯防治、煤层气抽采、页岩气开发等工程必备的基础指标。然而,大量吸附试验却得出了两类特征迥异的吸附等温线:Langmuir型和"峰值型",普遍采用Langmuir模型拟合这些非Langmuir型等温线,不但得出了错误的吸附... 吸附常数是煤矿瓦斯防治、煤层气抽采、页岩气开发等工程必备的基础指标。然而,大量吸附试验却得出了两类特征迥异的吸附等温线:Langmuir型和"峰值型",普遍采用Langmuir模型拟合这些非Langmuir型等温线,不但得出了错误的吸附常数,而且带来了极大的生产安全风险。鉴于此,本文经过吸附试验机理推导、等温吸附试验、等温线校正和误差分析,得出:①等温吸附试验只能测出由Gibbs吸附量组成的"峰值型"等温线,出现峰值拐点的本质原因是等温吸附原理中减掉了Gibbs舍弃量ρv^a,并非负吸附、超临界吸附等原因造成的。②Gibbs吸附等温线出现峰值拐点的临界压力是由Gibbs舍弃量ρv^a决定的,其中,煤体结构决定了吸附相体积v^a的大小,试验温压条件决定了游离相密度ρ的大小。③煤和页岩吸附属于物理吸附,其实际吸附量等温线在达到饱和吸附压力后必然形成Langmuir型等温线。截距法根据Gibbs等温线的下降特征反推吸附相密度所得出的实际吸附量等温线完全符合饱和吸附的物理特征,是合理可靠的;液相法采用液相密度代替吸附相密度,不仅缺乏理论依据而且误差较大;Langmuir模型法运用LM算法拟合吸附相密度,需要人为设定各未知参数的初始值和边界值,存在较大的人为误差。④不能将实验室测试出的吸附等温线直接应用于吸附常数计算、非常规气资源量预测等,原因是体积法常因试验压力较低引起未饱和吸附、忽视Gibbs舍弃量等误差,而重量法在高压条件下测得的"峰值型"吸附等温线必须校正后才能使用。 展开更多
关键词 吸附常数 吸附相 实际吸附瓦斯量 吸附相密度 Gibbs表面过剩吸附量
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考虑煤体蠕变位移的水力扩孔合理扩煤量 被引量：12
8
作者 刘威 张敬军 +3 位作者 亢方超 魏国营 闫江伟 贾天让 《中国安全科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第3期111-116,共6页
针对煤矿穿层水力扩孔孔硐体积过大,容易造成孔硐内瓦斯积聚,成为掘进过程中的致灾因素这一问题,采用FLAC^(3D)软件中Cvisc黏弹塑性模型,模拟薛湖煤矿不同扩煤量的穿层水力扩孔措施孔壁及周围煤体变形破坏过程;在薛湖煤矿底抽巷道开展... 针对煤矿穿层水力扩孔孔硐体积过大,容易造成孔硐内瓦斯积聚,成为掘进过程中的致灾因素这一问题,采用FLAC^(3D)软件中Cvisc黏弹塑性模型,模拟薛湖煤矿不同扩煤量的穿层水力扩孔措施孔壁及周围煤体变形破坏过程;在薛湖煤矿底抽巷道开展穿层水力扩孔现场试验,将数值模拟结果与现场验证结果对比分析。结果表明,穿层水力扩孔技术措施完工后,受周围煤体压力影响,孔硐周围煤体快速进入塑性区并呈现蠕变特性,向扩孔中心整体径向移动,扩孔孔壁在持续的蠕变过程中变形破坏。对比分析扩孔后的孔硐体积变化程度,从安全生产的角度出发,最终确定适合薛湖煤矿的合理扩煤量为1.15 t/m。 展开更多
关键词 水力扩孔 瓦斯积聚 FLAC3D 蠕变 合理扩煤量
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不同温度煤裂隙流动优势性的热流固耦合数值模拟 被引量：3
9
作者 李宝林 魏国营 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2020年第11期141-146,共6页
煤层温度因采深加大而不断升高,煤体孔裂隙中的流体在不同温度条件下的优势流动方向和流动优势参数均不同。研究不同温度条件下煤体孔裂隙中的瓦斯流动优势性,对防治煤与瓦斯突出灾害的发生具有重要意义。采用COMSOL Multiphysics有限... 煤层温度因采深加大而不断升高,煤体孔裂隙中的流体在不同温度条件下的优势流动方向和流动优势参数均不同。研究不同温度条件下煤体孔裂隙中的瓦斯流动优势性,对防治煤与瓦斯突出灾害的发生具有重要意义。采用COMSOL Multiphysics有限元软件建立了含瓦斯煤体的热流固耦合数值模型,并基于Monte-Carlo法模拟煤体裂隙,在4种试验温度条件下研究了瓦斯在全贯通裂隙、部分连通裂隙和孔隙中的流动特征。结果表明:在模型边界载荷恒定、边界渗流瓦斯压力差恒定以及煤体温度处处相同的情况下,煤体温度越高,煤体孔裂隙中的瓦斯压力、瓦斯压力场范围以及瓦斯压力梯度越大。煤体温差变化越大,煤体孔裂隙中的瓦斯渗流速度、瓦斯渗流速度场范围以及煤体孔裂隙的渗透性变化越大,具体表现为:全贯通裂隙较其他孔裂隙的瓦斯压力、瓦斯压力场范围和瓦斯压力梯度更大;全贯通裂隙较其他孔裂隙中的瓦斯渗流速度、瓦斯渗流速度场范围和煤体孔裂隙的渗透率更大。因此,在4种试验温度下,温度越高且温差越大时,煤体全贯通裂隙中的瓦斯流动优势性越大,瓦斯更易沿全贯通裂隙进行渗流。 展开更多
关键词 含瓦斯煤体 流动优势性 热流固耦合 非恒定温度 MONTE-CARLO法
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