脉冲氮气注入技术对低渗煤层解堵增透特性的研究

《International Journal of Coal Science & Technology》：Investigation of the unblocking and permeability enhancing properties of low-permeability coal by using pulsed nitrogen injection technology

　　

脉冲氮气注入驱替甲烷（PNI-MD）技术是一种旨在减少温室气体排放并提高低渗煤层甲烷抽采效率与利用率的新型方法。研究人员通过开展PNI-MD实验，分析了氮气注入时长对甲烷驱替效果及煤体变形特征的影响，研究了气体流动状态及解堵增透机理，并构建了PNI-MD技术在低渗煤层中的现场应用模式。结果表明：随着氮气注入时间的延长，甲烷驱替效率增大而甲烷驱替比减小。在氮气注入阶段（Stage A），高压氮气逐渐影响煤体内及出口端的气体流动状态，第1循环内煤体气体流动状态分为5个阶段。高压脉冲氮气产生具有强烈交替压力的周期性拉压应力，促使煤体力学性质反复变化，损伤累积效应导致煤体疲劳劣化。PNI-MD全过程解堵增透效应分为4个阶段。在不同氮气注入时长下，PNI-MD完成后煤体渗透率增幅为0.50%~3.63%。PNI-MD技术有效发挥多元气体驱替解吸与能量注入改性的双重作用，实现解堵增透目标。Stage A阶段的主导机理包括携能载甲烷（CCWCE）、分压促甲烷解吸（PCDBSP）、注能扩孔（EPWIE）与注能扩孔（EPWIE1）；停注阶段（Stage B）的主导机理包括稀释浓度促甲烷扩散（PCDBDIC）与促甲烷解吸扩孔（EPWPCD）；脉冲气流损伤孔裂结构/扩展裂隙网络以增强甲烷流动（DPSSFNBPGF）贯穿PNI-MD全过程。根据中国低渗煤层甲烷赋存特性，总结了井下PNI-MD技术的施工工艺与装备，提出了一种灵活、简便且多选性的PNI-MD工艺参数优化方法，适用于不同煤层差异化甲烷赋存特征，有助于中国低渗煤层甲烷精准抽采及碳达峰与碳中和目标的实现。

一、研究背景与意义

煤层瓦斯预抽是减少温室气体排放的有效技术措施，在矿井瓦斯治理领域具有重要作用。中国煤层普遍存在渗透率低的问题，导致瓦斯预抽效率相对较低。随着中国进入深部开采阶段，开采强度不断加大，矿井瓦斯动力灾害不容忽视。实现深部低渗煤层瓦斯高效抽采至关重要，配套强化瓦斯抽采技术的研发已成为该领域的关键研究方向。

当前井下注气驱替甲烷技术的应用模式包括连续注气和间歇注气，注入气源包括二氧化碳、氮气、烟气和空气等。其中，氮气作为惰性气体，具有成本低、吸附弱、粘度低、弹性高等特点，其诱发煤体膨胀变形的能力弱于二氧化碳，因此煤层注入氮气的安全性高于注入二氧化碳，成为可采煤层驱替甲烷的首选气源。然而，等压氮气注入驱替甲烷（UNI-MD）技术存在煤层增透效果差、氮气穿透时间短且穿透量大、甲烷浓度衰减快及利用率低等问题。相关学者通过连续/间歇注气驱替甲烷实验发现，连续注气后煤体渗透率增大源于有效应力降低导致裂隙扩张，而间歇注气后煤体渗透率降低则源于煤体骨架在交替载荷作用下破坏坍塌导致渗流通道堵塞。另有学者发现连续注气驱替甲烷效率高于间歇注气，但氮气消耗量大。

基于负压抽采甲烷技术与注氮驱替甲烷技术作用机理的调研，研究人员提出了PNI-MD技术。通过UNI-MD/PNI-MD对比实验，已证实PNI-MD技术更适用于提高低渗煤层甲烷抽采效率与利用率。在此基础上，进一步分析氮气注入时长对甲烷驱替效率与煤体变形特征的影响，研究驱替效应的滞后性、煤体内气体流动状态、解堵增透机理及渗透率演化规律，明确Stage A与Stage B阶段解堵增透的主导机理，构建PNI-MD技术在低渗煤层中的现场应用模式。该论文发表在《International Journal of Coal Science》。

二、关键技术方法

研究人员采用流固耦合实验系统开展PNI-MD实验。煤样取自沁水盆地某高瓦斯矿井，加工为标准圆柱试样（Φ50mm×100mm），沿轴向/径向粘贴两个应变片实时监测变形，采用热缩橡胶套密封防止漏气。依据取样点煤层及瓦斯赋存特征，设定甲烷压力1.14MPa、环境温度303K、轴向/围压2.8/2.0MPa。氮气注入时长设置6个梯度（10、15、20、25、30、35min），实验以"注氮—停注"循环方式交替进行。

三、研究结果

（一）煤体变形特征

不同氮气注入时长下，PNI-MD全过程煤体轴向/径向应变在每个循环呈"n"形分布。第1循环初始注入1.50MPa氮气，煤体在初始吸附甲烷变形平衡基础上产生二次膨胀，表现为轴向/径向应变随试验时间增大；随注氮持续，出口端低压作用下吸附甲烷/氮气解吸收缩应变逐渐超过游离氮气吸附膨胀应变，煤体应变逐渐减小。各循环结束时煤体轴向/径向应变排序为：35min>30min>25min>20min>15min>10min。当注氮时长为15、20、25、30、35min时，第1循环结束后煤体轴向应变较10min分别增大15.2%、20.2%、25.5%、32.5%、32.1%，径向应变较10min分别增大11.8%、29.2%、30.6%、33.3%、41.4%。

煤体轴向/径向应变速率绝对值在第1循环呈"降—升—降—升"趋势，其他循环呈"升—降—升—降—升—降"趋势。同一注氮时长下，第1循环应变速率在负半轴的积分面积最大，表明第1循环甲烷解吸量最大；随试验时间延长，后续循环积分面积逐渐减小并趋于稳定，表明大部分甲烷已在PNI-MD作用下析出，后期以氮气自身吸附—解吸—渗流为主导。

（二）甲烷驱替效果

随试验时间延长，甲烷体积分数总体呈下降趋势，氮气体积分数总体呈上升趋势。除第1循环外，各循环Stage B阶段甲烷/氮气体积分数均出现回弹现象。各循环交界处甲烷/氮气体积分数转变存在滞后现象而非即时转变。

不同注氮时长下，第1循环未出现断流现象；注氮时长为25、30、35min时第2循环出现断流；第3至第6循环均出现断流现象。各循环断流现象出现时间由早到晚依次为：35、30、25、20、15、10min。各循环Stage A阶段混合气体流量呈增大趋势，Stage B阶段流量减小并出现不同程度断流，但重新注氮后断流问题得以解决。

甲烷驱替总量随试验时间增大而增大，残余甲烷吸附量随试验时间减小。实验结束时甲烷驱替总量排序为：35min>30min>25min>20min>15min>10min，残余吸附量排序恰好相反。氮气穿透量随试验时间增大而增大，注氮时长越长，实验结束时氮气穿透量越大。

甲烷驱替效率（η）随试验时间延长呈先急剧增大后缓慢增大的趋势，实验结束后η由大到小依次为：35、30、25、20、15、10min。甲烷驱替比（λ）随试验时间延长呈先急剧减小后缓慢减小的趋势，实验结束后λ由大到小依次为：10、15、20、25、30、35min。

四、讨论部分总结

（一）驱替过程中甲烷/氮气的流动状态

甲烷驱替效应存在滞后现象，原因在于高压氮气驱替/运移甲烷并非瞬时完成，需要充分扩散渗流时间，注气端压力对煤体内及出口端气体流动状态的控制具有不完全性和时间延迟性。以第1循环注氮阶段为例，煤体内气体流动状态分为5个阶段：第1阶段为甲烷吸附平衡阶段；第2阶段高压氮气进入煤体但未穿透，煤体内存在注氮区、原始甲烷压力区及甲烷自然涌出区；第3阶段高压氮气影响区延伸至出口端，煤体内无原始甲烷压力区；第4阶段氮气突破煤体，吸附甲烷被强制解吸渗流而出；第5阶段注气端高压氮气完全控制煤体内及出口端气体流动状态，煤体内仅存在注氮区。

（二）解堵增透特性

高压脉冲氮气产生的周期性矩形应力波构成振动力场，在孔隙裂隙中传播可视为波能传递。脉冲波对煤体施加强烈交替压力，形成周期性拉压应力，反复改变煤体力学性质，损伤累积效应促进不可逆变形。PNI-MD全过程解堵增透效应分为4个阶段：第1阶段高压脉冲氮气进入原生孔隙裂隙并对其内部堵塞物产生周期性冲击；第2阶段交替载荷作用下堵塞物因损伤累积效应疲劳破碎，原生孔裂结构对气流的封堵性能降低；第3阶段交替载荷超过孔裂结构起裂压力，孔裂结构扩展并衍生更多孔隙裂隙；第4阶段原生孔隙裂隙相互贯通，新生孔隙裂隙进一步扩展，煤体内贯通孔裂网络分布范围与密度增大，气体运移通道有效改善。

PNI-MD过程中煤体有效应力随试验时间持续变化（3.25~2.45MPa），损伤因子（D₃）随有效应力减小而增大、随有效应力增大而减小。各循环Stage A后期有效应力趋于恒定值2.45MPa时，损伤应变（ε）与D₃呈正相关。随循环次数增加，ε逐渐减小；同一循环条件下，ε按10、15、20、25、30、35min顺序递减。除第1循环外，D₃随循环次数增加逐渐减小；同一循环条件下，D₃按10、15、20、25、30、35min顺序递减。PNI-MD各循环D₃均大于常压解吸过程，表明高压脉冲载荷诱导D₃周期性波动并维持较高水平，一定程度上增大了煤体损伤劣化程度。

注氮时长为10、15、20、25、30、35min时，实验前后煤体渗透率增幅分别为2.49%、0.50%、3.63%、2.66%、2.17%、1.66%。实验水平范围内，随注氮时长增大，实验结束时煤体渗透率逐渐减小，两者满足线性函数关系。注氮时长越短，试验时间内循环次数越多，煤体骨架经受多次交替载荷后发生疲劳损伤，渗流通道得以贯通与再生。

（三）PNI-MD驱替甲烷的主导机理

PNI-MD技术有效发挥多元气体驱替解吸与能量注入改性的双重作用以实现解堵增透。Stage A阶段：高压气流快速充填孔裂通道，同时增大混合气体渗流动力并降低甲烷分压，有利于携能载甲烷（CCWCE）与分压促甲烷解吸（PCDBSP）；高压混合气体对煤体孔裂通道起支撑解堵作用，孔隙度与渗透率增大，有利于注能扩孔（EPWIE）与注能扩孔（EPWIE1）；高压混合气体支撑孔裂通道的同时挤压煤基质，不利于稀释浓度促甲烷扩散（PCDBDIC）与促甲烷解吸扩孔（EPWPCD）。Stage B阶段：停止注氮导致孔裂通道内混合气体压力降低，对通道的支撑作用减弱，不利于CCWCE、PCDBSP、EPWIE与EPWIE1；孔裂通道内压力降低减小了对煤基质的压缩作用，有利于PCDBDIC与EPWPCD。脉冲气流损伤孔裂结构/扩展裂隙网络以增强甲烷流动（DPSSFNBPGF）则是"注氮—停注—……—注氮—停注"全循环过程综合作用的结果。

五、研究结论

（1）不同氮气注入时长下，煤体轴向/径向应变在每个循环呈"n"形分布，各循环结束时煤体轴向/径向应变排序为：35min>30min>25min>20min>15min>10min。随注氮时长增大，煤体轴向/径向应变速率绝对值在第1循环的积分面积最大，表明第1循环甲烷解吸量最大。

（2）随注氮时间延长，甲烷驱替效率增大而甲烷驱替比减小。注氮时长越短，循环次数越多，煤体经受交替载荷次数越多，疲劳损伤累积效应越显著，解堵增透效果越好。

（3）高压脉冲氮气产生周期性拉压应力，促使煤体力学性质反复变化，损伤累积效应导致煤体疲劳劣化。PNI-MD全过程解堵增透效应分为4个阶段，不同注氮时长下煤体渗透率增幅为0.50%~3.63%。

（4）Stage A阶段解堵增透主导机理为CCWCE、PCDBSP、EPWIE与EPWIE1；Stage B阶段主导机理为PCDBDIC与EPWPCD；DPSSFNBPGF贯穿PNI-MD全过程。

（5）根据中国低渗煤层甲烷赋存特性，总结了井下PNI-MD技术施工工艺与装备，提出了"分时分区"的PNI-MD工艺参数优化方法，适用于不同煤层差异化甲烷赋存特征，有助于低渗煤层甲烷精准抽采及碳达峰与碳中和目标的实现。