一种提高煤层气采收率与煤矿安全生产的方法技术

本发明专利技术公开了一种在煤层气开采阶段向煤层中注入CO

【技术实现步骤摘要】
一种提高煤层气采收率与煤矿安全生产的方法
本专利技术涉及安全生产领域具体涉及一种提高煤层气采收率与煤矿安全生产的方法。
技术介绍
为了避免煤矿开采时大量煤层气逸散在空气中加剧温室效应，同时有效利用煤层气资源，在采煤前需要进行煤层气开发。然而，采用常规排水降压方式开发的煤层气藏采收率较低：中国沁水盆地潘庄区块采收率最高不超过70％，美国圣胡安盆地煤层气采收率接近80％。这导致后期采煤作业时，煤层瓦斯浓度较高，处于爆炸极限范围内，容易发生瓦斯爆炸事故。针对瓦斯爆炸事故的预防与控制，目前较为有效的瓦斯阻隔防爆技术包括被动式阻隔爆技术(如撒布岩粉阻隔爆、岩粉棚、隔爆水槽、水袋、水幕、多孔材料等)，和自动阻隔爆技术。然而，Wei等学者的调研结果表明，被动式阻隔爆技术通过冲击波作用使其发生动作，对冲击波没有预判作用，其阻火材料也需定期更换，受环境影响因素制约大。而自动阻隔爆技术易受外界环境影响产生误动作；只对爆炸火焰有阻隔作用，不能削减冲击波压力，降低其破坏能力。Cao等学者的调研也得到了相同的研究结果。此外，该套技术是在瓦斯已经发生爆炸或燃烧后才能采取反应措施，并未真正预防“爆炸”的发生。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种实现在能源节约的基础上，最大限度地避免了未开采的甲烷在采煤时直接逸散至大气中的安全生产方法。本专利技术提供一种提高煤层气采收率与煤矿安全生产的方法,包括以下步骤：确定实现煤矿安全生产的煤层CO2临界注入浓度；建立实现煤矿安全生产的CO2临界注入量计算模型；确定获取最佳煤层气采出程度的CO2注入速度。进一步的，所述确定实现煤矿安全生产的煤层CO2临界注入浓度包括，采用以下公式计算实现煤矿安全生产的CO2临界注入浓度：式中，m为N2/CO2体系在混合气体中所占的体积分数，n为混合气体中空气的体积分数；所述建立实现煤矿安全生产的CO2临界注入量计算模型包括，采用CO2的临界注入量Vinjc为：Vres＝Vo-Vp，式中，Vo为煤层气的原始地质储量，Vp为累计采出CH4在标况下的体积，LEL为体系的爆炸下限。进一步的，所述确定获取最佳煤层气采出程度的CO2注入速度包括以下步骤，对煤层气区块进行建模；以所述区块的生产历史数据为基础，利用模型预测区块开发的生产动态；采用CH4的采出程度作为衡量CO2最佳注入速度的指标确定最佳煤层气采出程度的CO2注入速度。本专利技术的有益效果是：1在进行CO2注入时，只要确保在煤层气开发末期，煤层中CO2的浓度不低于CO2临界注入浓度，便能在后期采煤时，避免爆炸事故的发生。2本专利技术提出在煤层气藏开发阶段，采用注CO2方法，稀释煤层中甲烷浓度，控制甲烷浓度在爆炸极限之外，降低瓦斯爆炸可能性。3依靠CO2对煤层气的置换作用能有效提高煤层气的采收率，在能源节约的基础上，最大限度地避免了未开采的甲烷在采煤时直接逸散至大气中。4与纯粹的CO2-ECBM不同，向煤层注入CO2以控制CH4浓度为目的，利用CH4的安全浓度为指标进行CO2注入量的控制，并在此基础上，同时实现CH4采收率的提高。附图说明图1为本专利技术一实施例模型的预测结果示意图。图2为本专利技术一实施例不同CO2注入速度下的日产气量示意图。图3为本专利技术一实施例不同CO2注入速度下的累产气量示意图。图4为本专利技术方法流程图。具体实施方式研究表明，CO2作为一种惰性气体，能够降低可燃性气体的比热，因此爆炸时会降低火焰温度和燃烧速度，具有良好的抑爆效果，CO2在CO2与CH4混合体系中，浓度达到一定值时，CH4的爆炸上、下限重合。此外CO2具有相当强的吸附能力，能够代替CH4吸附在煤层中。基于CO2的抑爆和吸附能力，本专利技术提出在煤层气藏开发阶段，采用注CO2方法，稀释煤层中甲烷浓度，控制甲烷浓度在爆炸极限之外，降低瓦斯爆炸可能性；此外，依靠CO2对煤层气的置换作用能有效提高煤层气的采收率，在能源节约的基础上，最大限度地避免了未开采的甲烷在采煤时直接逸散至大气中。与纯粹的CO2-ECBM不同，向煤层注入CO2以控制CH4浓度为目的，利用CH4的安全浓度为指标进行CO2注入量的控制，并在此基础上，同时实现CH4采收率的提高。利用Wang等学者的N2/CO2与甲烷、空气混合体系的爆炸极限计算模型，定义并推导了维持CH4浓度在安全范围内的CO2临界注入浓度。并根据气藏工程理论，建立了计算CO2临界注入量的数学模型。以中国某煤层气区块为例，计算了所述区块的CO2临界注入量，以采出程度为评价指标，采用数值模拟方法优化了CO2的注入速度。同时实现了煤矿最佳抑爆效果和CH4的最高产量。下面对本专利技术CO2临界注入浓度的确定进行说明。根据N2/CO2/CH4混合体系的爆炸极限计算公式：式中，m为N2/CO2体系在混合气体中所占的体积分数；φc(CH4)为甲烷临界体积分数；UEL、LEL分别为体系的爆炸上限，爆炸下限。而φc(CH4)的计算公式：式中，φc(N2)为氮气与二氧化碳体积之比。混合气体中空气的体积分数为n，％；空气中只含有N2和O2，且各自所占比列为79％，21％。则：并且，在混合气体中有：UEL+m+0.21n＝100(5)LEL+m+0.21n＝100(6)考虑极限情况：当空气刚进入煤层时，若此时的甲烷浓度不至于不发生爆炸(即：小于爆炸下限)，则空气不断涌入煤层，甲烷浓度进一步减小，更不会发生爆炸。因此，讨论空气刚进入煤层能发生爆炸的临界情况。假设此时的甲烷浓度达到爆炸下限LEL，爆炸时进行完全燃烧，则爆炸服从如下的化学反映方程式：CH4+2O2＝CO2+2H2O(7)按照阿伏伽德罗定律，在一定的温度、压力下，相同摩尔数的气体具有相同的体积。因此，空气的体积分数为：n＝2×LEL/0.21(8)联合(2)(4)(6)(8)式，可分别计算出m、n、LEL、φc(CH4)的值。因此，避免爆炸发生，实现煤矿安全生产的CO2临界注入浓度可由公式(9)计算：在常温常压下，计算出的CO2临界注入浓度φc(CO2)为7.98％。该计算结果与其他学者通过实验测定的，使混合体系不发生爆炸的CO2浓度值十分相近。在进行CO2注入时，只要确保在煤层气开发末期，煤层中CO2的浓度不低于CO2临界注入浓度，便能在后期采煤时，避免爆炸事故的发生。下面对本专利技术CO2临界注入量的确定进行说明。采煤时，煤层中的易爆气体是CO2/CH4/空气的混合体系，CO2的安全浓度是针对煤层气开发末期，煤层中剩余CH4而言的。因此，CO2的注入量与煤层气藏开发结束时，剩余地质储量以及CO2的注入浓度有关。假设在煤层气藏开发过程中，煤层气的原始本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高煤层气采收率与煤矿安全生产的方法,其特征在于，包括以下步骤：/n确定实现煤矿安全生产的煤层CO

【技术特征摘要】
1.一种提高煤层气采收率与煤矿安全生产的方法,其特征在于，包括以下步骤：
确定实现煤矿安全生产的煤层CO2临界注入浓度；
建立实现煤矿安全生产的CO2临界注入量计算模型；
确定获取最佳煤层气采出程度的CO2注入速度。


2.如权利要求1所述的一种提高煤层气采收率与煤矿安全生产的方法,其特征在于，
所述确定实现煤矿安全生产的煤层CO2临界注入浓度包括，
采用以下公式计算实现煤矿安全生产的CO2临界注入浓度：



式中，m为N2/CO2体系在混合气体中所占的体积分数，n为混合气体中空气的体积分数；
所述建立实现煤矿安...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫非，戚志林，黄小亮，方飞飞，李继强，李志强，田青，彭小龙，窦莲，严文德，雷登生，程柯扬，袁迎中，田杰，肖前华，石书强，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆;50