煤层钻孔内注入液氮过程中的传热传质规律及煤损伤分析_中国煤炭行业知识服务平台

创新点

（1）可视化探究了液氮向煤钻孔内注入过程中，钻孔内液氮的初始累积过程、实际液面状态及变化规律，并分析了该过程中的传热传质特性。

（2）得到了两类不同注入速率下钻孔内液氮的实际液位、净液位和注入效率随注入时间的变化规律。

（3）揭示了液氮对煤样进行冷冲击时，煤内裂缝的扩展过程。

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煤层钻孔内注入液氮过程中的传热传质规律及煤损伤分析

作者：丛钰洲1, 2 ，翟成1, 2 ，丁熊1, 2 ，余旭1, 2 ，徐吉钊1, 2 ，孙勇1, 2 ，郑仰峰1, 2 ，唐伟1, 2

单位：1. 中国矿业大学安全工程学院;2. 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心

研究背景

RESEARCH BACKGROUND

随着煤矿的不断开采，开采深度不断增加，所伴随的高地应力作用逐渐显现。其中，高地应力作用下产生的高瓦斯低透气性煤层，占开采煤层的比值逐年升高。这意味着煤层开采时存在的瓦斯隐患逐渐加大，采用单一的钻孔抽采技术已无法对其进行有效消除。因此，必须实施煤层卸压增透措施，通过在煤层内人工造缝，为煤层瓦斯的解吸和运移提供通道。

诸多学者通过研究发现，现有的水力压裂等水力化煤层增透措施存在一些不足与问题，包括水资源浪费严重、地下水污染、水敏地层的孔隙堵塞等，制约着该类技术的进一步应用与发展。因此，学者们对无水化煤层增透措施展开了积极探索，如高温热破裂、液态及超临界二氧化碳压裂、高能气体压裂及液氮压裂等。其中，液氮压裂在气体压裂的基础上，增加了相较于液态和超临界二氧化碳更低温度(常压下的温度为−196 ℃)的优点，受到煤层增透领域学者的广泛关注。液氮压裂的研究最早开始于20世纪90年代，MCDANIEL等对4口煤层气井和1口致密砂岩井进行液氮压裂试验，发现压裂后初期产气量提升了1.22～6.48倍。GRUNDMANN等对页岩气井进行现场液氮压裂试验，发现产气率较未压裂前增加了8%，进一步证实了液氮压裂的可行性。然而，由于缺少对液氮压裂的基础性研究，对液氮压裂的认识不足，使得当时现场试验时为达到理想效果花费了巨大的成本。其中，最缺乏的研究之一就是探究液氮注入过程中，钻孔内液氮的净增加量累积变化规律。进而无法对注入时间、注入速率进行控制，操作盲目性高、液氮浪费严重进而导致效率较低。

近年来，学者们开展了大量的液氮增透基础性理论研究工作。由于液氮与煤样之间存在超过200 ℃的温差，因此液氮对煤的低温作用又被称之为“冷冲击”。一部分学者利用不同的测试手段，对置于液氮中冷冲击一段时间后煤样的物理力学参数变化进行研究，从而证明出液氮冷冻能够有效扩展煤样内部裂隙达到增渗目的。如利用电子扫描显微镜和原子力显微镜分析冷冲击前后煤样的微裂隙形貌和孔隙结构变化；利用超声检测仪分析冷冲击前后煤样的超声波声速变化进而得到冷冲击前后煤样的内部损伤情况；利用力学加载试验机分析冷冲击前后试样的各类力学参数变化；利用低场核磁共振仪、压汞测试仪和氮气吸附仪分析冷冲击前后煤样内部各尺度孔隙的演化规律等。然而，上述研究采用的多为小尺寸试样，对大尺寸试样的研究较少，且液氮对煤进行冷冲击作用的前提是液氮向煤钻孔内的有效注入和累积，但目前还未有相关研究。

向圆柱形煤层钻孔内注入液氮时，液氮会在钻孔内部流动沸腾，这与低温工程领域圆柱管内部液氮的流动沸腾研究接近。WANG等通过对液氮在水平圆柱管内的膜态沸腾进行研究，发现当圆柱直径大于拉普拉斯长度时，Bromley关联式具有很好的适用性，并对总结推荐了一系列经过充分验证的低温膜沸腾关联式。CHEN等通过对内径为1.98 mm的水平管内饱和液氮流动沸腾的传热特性进行研究，得到了液氮在水平管内的换热系数。WANG等通过建立双流体模型，描述了垂直圆柱管内液氮的过冷沸腾流动，并对气泡脱离直径、气泡脱离频率和活性成核点密度进行探究。上述关于圆柱管内部液氮的沸腾换热实验，所使用的圆柱管虽然与煤层钻孔形状接近，但圆柱管的管径细、管壁光滑，与实际的煤层钻孔相差较大。因此，亟需开展关于煤层钻孔内的液氮注入沸腾传热试验研究。

液氮注入过程中主要涉及到注入速率、注入效率这2个关键问题的研究，探究注入过程中的传热传质规律能够对这2个问题的本质进行揭示。为攻克这一难点，笔者对带有1 m高预制钻孔的长方体试样进行不同速率的液氮注入试验，钻孔直径的选择参考井下实际钻孔直径。利用流量计、内视镜、热电偶、质量天平和超声探测仪，对液氮注入过程中钻孔内的传热传质规律进行探究，并分析了液氮冷冲击对煤形成损伤的裂缝扩展过程。

摘要

ABSTRACT

低温流体液氮向煤层钻孔内注入过程中的传热传质规律及煤损伤分析，是目前液氮在煤层增透领域应用中亟待研究的关键问题。通过利用流量计、内视镜、热电偶、质量天平和超声探测仪，可视化分析了液氮注入过程中煤钻孔内液氮的初始累积过程和液位状态变化，探究了不同注入速率下钻孔内液氮的实际液位、净液位和注入效率随注入时间的变化规律，并对3个不同时刻下的煤体进行超声损伤检测。

研究发现，液氮初始累积时会在钻孔底部煤的交界面处形成明显的莱顿佛洛斯特效应，随着钻孔底部煤温的不断降低，辐射换热系数不断减小，进而蒸汽膜厚度随之降低。不同注入速率下，1 m长钻孔内液氮的净液位最大增加量均为35 cm左右，这意味着，向长钻孔内注入液氮时，应实施分段注入，仅增加液氮注入时间会造成液氮的浪费。实际液位与净液位比值的变化规律均为先降低然后趋于稳定，稳定状态下2者的液位比相近。不同注入速率下液氮注入效率随注入时间的变化规律，均为降低—升高—稳定—降低。低速注入速率下的液氮注入效率更高，提升注入速率后单位体积液氮所相变的氮气，在钻孔内换热时间更短、向钻孔外排出温度更低，进而增大了液氮损耗，使注入效率变低。超声波测试结果表明，液氮能够渗入裂缝内部，使裂缝两侧在冷冲击的作用下冻缩，增加原有的裂缝宽度并使缝尖受到裂缝两侧冻缩力的作用拉伸扩展变形，形成新的裂缝。

部分图片

图 1 试验系统

图 2 钻孔内液氮初始累积过程

图 3 液氮初始累积时垂直钻孔底部内表面的边界层效应

图 4 2 类注入速率下膜态沸腾阶段有效辐射和

有效对流系数

图 5 2 类流速注入过程中实际液位与净液位及

2 者比值随时间的变化

图 6 液氮注入及停止注入钻孔内液位及孔壁状态

图 7 钻孔内液氮的注入效率

图 8 试样各测点超声变化

图 9 液氮冷冲击煤内裂缝扩展过程

作者简介

丛钰洲，男（1994-），山东威海人，中共党员，中国矿业大学安全科学与工程专业博士研究生，中国矿业大学“优秀科技创新团队”主要成员。参与国家杰出青年科学基金“低透气性煤层致裂增透及瓦斯高效抽采”及国家自然科学基金资助项目研究。发表论文10余篇，其中，以第一作者在《煤炭学报》、《Applied Thermal Engineering》等国内外高水平期刊上发表论文6篇，获“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛全国金奖（2/10），获授权国家发明专利7项（排名第二）。

研究方向

煤层高效增透、低温流体致裂

主要成果

致力于低温流体液氮高效增透煤岩体的研究，取得了多项创新性成果。量化分析了煤层钻孔内液氮注入过程中的注入效率变化规律，揭示了液氮冷冲击煤的作用范围及力学损伤机理，提出了液氮冷冲击及相变膨胀压裂一体化压裂方法，阐明了液氮相变膨胀压裂的裂缝扩展机制，探究了定容空间内定体积液氮的相变膨胀升压极限。在煤矿低温流体高效增透方面，获授权多项国家发明专利，为煤矿高效及安全生产提供了有力的技术保障。

来源：

丛钰洲，翟成，丁熊，等. 煤层钻孔内注入液氮过程中的传热传质规律及煤损伤分析[J]. 煤炭学报，2023，48(8):3128−3137.

责编：王晓珍

编辑：赵泽维

审核：张晓宁

　　责任编辑：宫在芹

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