原煤孔隙拓扑特征对CO2-ECBM过程的影响机制.pdf
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1、为了研究原煤孔隙拓扑特征对CO,-ECBM过程的影响,选取羊场湾矿褐煤、胜利矿肥煤、阳泉无烟煤,基于X-rayCT扫描技术三维重构了原煤孔隙空间拓扑结构,同时利用受载原煤注气置驱甲烷THM耦合实验台,进行了不同条件下原煤注CO,置驱CH4分步实验。结果表明:羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤的孔隙发育程度、空间分布、连通性依次变差;原煤CO2-ECBM过程经历3 个阶段,早期阶段置换作用占主导,中期阶段置换、载携、稀释作用并存,后期阶段载携、稀释作用占主导;对于孔隙发育均匀且连通性较好的羊场湾褐煤,置驱过程以早期阶段为主;地应力和注气压力能够显著影响甲烷置驱效率,煤孔隙空间拓扑性质是重要影响因素
2、,但阳泉无烟煤的强吸附性能够在一定程度上改善渗流通道缺失引起的甲烷置驱缺陷。关键词:甲烷驱替;CO封存;煤炭孔隙;空间拓扑;三维重建;置驱效率中图分类号:TD752文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 9 59(2 0 2 3)0 7-0 13 9-0 6Impact mechanism of pore topological characteristics to CO2-ECBMprocess in raw coalLIU Feng1,2(1.CCTEG Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China;2.State Key Laborat
3、ory of Coal Mine Safety Technology,Fushun 113122,China)Abstract:In order to study the impact of pore topological characteristics to CO,-ECBM process in raw coal,YCW lignite,SLfat coal and YMY anthracite samples were selected,and the topological structure of raw coal pore space was reconstructed base
4、don X-ray CT scanning technology.And the THM coupling experimental platform for methane displacement by gas injection ofloaded raw coal was established,and the experiment of CH4 displacement by CO,injection in raw coal under differentconditions was conducted.Results show that:the porosity developmen
5、t degree,spatial distribution and connectivity of YCWlignite,SL fat coal and YMY anthracite become worse in turn.The CO,-ECBM process in raw coal goes through three stages:the replacement is dominant in the early stage;the replacement,carrying and dilution coexist in the middle stage;the carryingand
6、 dilution are dominant in the later stage.Stress and gas injection pressure can significantly affect methane displacementefficiency,and the topological property of coal pore is an important influencing factor.However,the strong adsorption of YMYanthracite can improve the methane displacement defect
7、caused by the lack of seepage channel to a certain extent.Keywords:methane displacement;CO,storage;coal pore;spatial topology;3D reconstruction;displacement efficiency空间拓扑特征能够准确描述孔裂隙的空间结构及连通关系。煤各级孔隙内的气体迁移过程以吸附/解吸、扩散和渗流为主,在不同煤体之间表现出的差异性取决于煤孔裂隙空间拓扑结构1.2 1。煤体注二氧化碳置驱瓦斯技术(CO,-ECBM),利用CO,与CH4在煤孔隙系统中的竞争吸附原
8、理,实现CO,的有效地质封存,同时提高煤层瓦斯抽采效率3.4,对“双碳”背景下化石能源的绿色清洁开发意义重大。由于这一过程广泛涉及气体的吸附/解吸、扩散和渗流现象,导致煤体空隙空间拓扑特征成为决定CO2-ECBM技术能否高效实施的关键因素5.6 关于煤孔隙空间拓扑结构与CH4产出规律之间收稿日期:2 0 2 2-11-3 0作者简介:刘锋(19 8 6 一)男,山东临沂人,硕士研究生,助理研究员,现在主要从事瓦斯治理方向研究,E-mail:2022111631402023年第7 期研究探讨程炭煤的联系,最早采用压汞法和气体吸附法得到了煤岩大孔(10 0 0 nm)、中孔(10 0 10 0 0
9、 nm)、介孔(10 10 0 n m)和微孔(1 10 nm)的孔径分布、比表面积、分形维数等结构参数7 ,并将CH4运移与之对应,对于孔隙形态及连通性仅通过进退汞或吸脱附曲线作定性推理8.9 。此后,诸多学者通过构建孔隙模型并结合动力学、热力学方程研究不同孔径阶段下Fick定律、Darcy定律的适用性10.11,但涉及真实煤体的流体运移规律时仍存在偏差,原因在于经典的孔隙模型通常是真实孔隙网络的简化,二者的空间拓扑特征存在较大差异。近年来,随着光学无损检测技术的发展,射线扫描三维重构手段的广泛应用,使得学者们能够获取更贴近实际的煤孔隙结构模型,并对孔隙参数与气体运移的关系进行了深人探讨12
10、-14,但仍未能从根本上解释空间拓扑特征与气体迁移之间的内在联系目前,在CO,-ECBM技术领域,煤孔隙空间拓扑特征对瓦斯置驱规律的影响鲜有报道。为了深入探究CO-ECBM技术应用背后的这一科学问题,本文选取未受扰动的块状褐煤、肥煤及无烟煤样品,通过X-rayCT扫描,精确重构煤孔隙三维空间结构,并量化分析孔隙系统的空间拓扑特征。此外,通过受载原煤原位注CO,置驱CH4分步实验,阐明不同孔隙拓扑系统中的CO,-ECBM过程,进而揭示煤孔隙空间拓扑特征对瓦斯置驱效应的影响。1煤样制备和试验1.1煤样制备试验原煤样品分别取自羊场湾矿(褐煤)、胜利矿(肥煤)和阳煤一矿(无烟煤),并通过钻取和打磨制成
11、50 mm100mm的标准原煤试件(图1),经真空脱气干燥后,用于受载原煤注CO2置驱CH4实验。同时,将取自同一地点的原煤样品切割为5mm5mm10mm的长方体样品,经过真空脱气干燥后开展CT实验。1.2X-ray CT扫描煤中不同成分对X射线的吸收系数不同,X-rayCT扫描实验利用扫描图像不同灰度值反映孔隙、煤基质和矿物质15.16 。本次试验采用NanoVoxel-3000高分辨率CT扫描系统,测试电压12 0 kV,测试电流50 A,曝光时间10 0 0 ms,扫描模式为局部扫描。因为制取煤样中不可避免破坏了其表面形貌,使孔隙结构改变,为减小边缘误差,对原始CT序列YMYYCW图1置
12、驱实验煤样图像进行裁剪17 ,每个煤样均得到140 0 幅9 9 0 9 9 0的灰度图,像素边长2 m。1.3受载煤体CO,-ECBM试验试验采用自行研制的受载原煤注气置驱甲烷THM耦合实验台完成(图2),试验步骤为:检查系统气密性,向实验系统通入4MPa气,待各压力传感器显示的压力保持6 h无变化视为气密性良好;将系统抽真空,把煤样装载到三轴渗流夹持器,温度设定在2 4 2 6 范围内,围压升至4MPa;将CH4气体吸附压力设为2 MPa,待吸附平衡并稳定12 h,进行常压解吸且记录出口气体流量和压力;解吸稳定后开始注人1MPa的CO,气体,同时记录进出口流量、压力和组分,直至出口CH4浓
13、度为O;将CO,注人压力设为2 MPa,并重复步骤;将围压升至6MPa,重复步骤一质量流量控制器真空泵温度控制器器充气罐压力表一O压力一克一天传感器数据采集仪三轴一夹持器口口口口电动加压泵CH4CO,He图2实验系统考虑到煤层注气前煤壁会自然释放瓦斯,因此在注CO,前对吸附CH4达平衡状态的煤样进行常压解吸,进而排除CH4解吸对实验数据的影响2原煤孔隙几何拓扑特征量化分析2.1孔隙结构三维重建对X-rayCT扫描的羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳141灰2023年第7 期程煤研究探讨泉无烟煤的灰度图像,进行对比度调节、降噪、去环形伪影等一系列后处理18 ,以准确识别孔隙。为了保证煤孔隙空间拓扑结构重建
14、的真实性,本文采用最大类间方差法对16 bit灰度图进行识别,根据文献19 方法计算得到的羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤孔隙阈值依次为3 2 46 4,17 2 48,27224。随后利用Avizo软件内置算法对煤孔隙系统进行三维重建。由于气体主要渗流通道为连通孔隙系统,故剔除孤立孔隙,得到连通孔隙系统,如图3 所示。由图3 可见,羊场湾褐煤的孔裂隙布满整个空间,胜利肥煤和阳泉无烟煤则存在不同程度孔隙缺陷区域。可见,羊场湾褐煤的孔裂隙分布最广,渗流通道发育最好,更有利于注CO,对CH4的置驱效应。Z(0,0,2800)(0,0,2800)(0,0,2800)XXX(980,0,0)(0,19
15、80,0)(1980,0,0)(0,1980,0)(1980,0,0)(0,1980,0)(a)羊场湾褐煤(b)胜利肥煤(c)阳泉无烟煤图3煤体连通孔隙团I(m)2.2孔隙结构参数分析孔隙系统逾渗概率是空间拓扑结构的重要参数,能够反映孔隙系统的连通性和渗透性2 0 。通过计算得到了羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤连通孔隙团的逾渗概率,依次为15.3 4%,10.9 4%,9.8 8%。3个煤样的等效孔径分布频率如图4所示。分析发现,羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤的孔隙(孔径1100m)的占比分别是46.43%,9 7.59%,9 9.9 8%,平均等效孔径分别为113.3 5,52.42,3
16、 5.8 3 m。可见,随着三组样品煤变质程度升高,等效孔径变小,特别是胜利肥煤和阳泉无烟煤中可见裂隙基本消失,而渗流通道的缺失会阻碍注CO,置驱CH4过程的发展。10025.022.510010018F16阶段频率22.5阶段频率20.0阶段频率8020.08017.58014累计频率累计频率累计频率17.515.0%/率源+谐%/率源12%/率+鲨%/率源谐6015.060601012.512.5810.04010.0404067.57.54205.0205.02022.52.5000000501001502002503003500204060801001201401600204060 8
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