【背景】注气驱替煤层瓦斯技术是从石油、煤层气开发领域的水驱油(气)、气驱油(气)技术发展而来的。20世纪末，美国在圣胡安盆地将CO2注入煤层提高煤层气采收率(CO2-ECBM)并取得成功，就此拉开了煤层气开采领域内的煤层注气驱替甲烷技术应用序幕。
河南理工大学杨宏民教授级高级工程师研究团队本次研究的创新点为进行煤层注氮气促排甲烷物理模拟实验，通过对注气过程中排出气体的组分浓度和流量的实时监测，来揭示煤层注氮气过程中置换和驱替作用效应及其转化机理。
研究采用的实验装置由实验腔体、力学加载系统、注气系统、抽真空系统、压力采集系统、气体分析系统(气袋取样后送色谱分析)组成。实验腔体的内尺寸400 mm×300 mm×300 mm，在腔体上方用千斤顶加载轴压，加载过程由电脑控制。腔体前后两侧留有测压孔，左右两端预留有注气口和出气口，注气采用的是钢瓶气为气源，装上减压阀后可以控制注气压力，注气流量采用D07-19FM型高压质量流量计计量，出气口流量用煤气表监测，出气气样组分及浓度用GC4008A型气相色谱仪进行分析。下图为实验装置示意。
实验方法总流程为：分层预压装样→抽真空→充入甲烷吸附平衡→高压游离甲烷卸压预排→注气→注气结束后自然泄压排放。
“高压游离甲烷卸压预排”的作用是将大量处于高压状态的游离甲烷释放出来，使煤体中的甲烷处于自然排放和解吸残余的平衡状态。如果不进行预排，则注气初期出口排出的大量甲烷是卸压排放和注气驱替-置换共同作用的结果，且难以分割。“高压游离甲烷卸压预排”的结束标志是出口处煤层甲烷压力达到0.1 MPa。
本次注氮气促排煤层甲烷实验中各流程的实验条件为：① 煤样为无烟煤，粒度<1 mm，装样量为39.85 kg；② 抽真空，利用真空泵抽真空，时间不低于48 h，真空度小于500 Pa；③ 通过高压钢瓶的减压阀控制充入CH4并达到吸附平衡。本实验CH4的最终吸附平衡压力为0.7 MPa，吸附平衡时间为43.5 h； ④ 高压游离气体卸压预排。打开腔体的出气口，让CH4自由流出，放掉腔体内的游离CH4，当出口处煤层甲烷压力降到0.1 MPa时结束排放；⑤ 注气，注气压力应高于煤层瓦斯压力，故本次实验注气压力确定为1.0 MPa，同时监测进出口的气体流量，并定时采集出气口气样进行气相色谱分析，根据流量和浓度计算排出的气体量；⑥ 泄压排放，当出气口混合气体中CH4组分浓度降至10%左右时停止注气，开始从出口自然泄压排放，监测出口流量并定时取样分析。
研究人员发现驱替和置换效应始终贯穿整个注气过程，共同作用将煤体中瓦斯排出。在注气初期14 min内，置换解吸效应起主导作用，注入的氮气由于被吸附或充填于煤层孔裂隙等自由空间而被全部滞留煤中，表现为出口并无氮气排出，而煤体中的甲烷则大量解吸排出。在14~200 min注气实验时间内，置换作用的主导地位将逐渐丧失，开始进入置换作用减弱和驱替作用增强的转换阶段；在注气时间大于400 min的后期，处于置换和驱替相互作用、彼此平衡的时期，但置驱总效率处于较低水平。根据注气400 min (6.67 h) 后注气促排效率较低的实验结果，建议井下煤层注气时间控制在8 h工作制的一个小班以内为宜。
来源：《煤炭学报》
引用格式：杨宏民，冯朝阳，陈立伟.煤层注氮模拟实验中的置换-驱替效应及其转化机制分析[J].煤炭学报,2016,41(9):2246-2250.（转载请标明出处）