基于SPS模型的单/双端注氮时间规律研究及工艺优化

管道事故应急抢修的氮气置换中，单/双端

注氮工艺优化的目标是总注氮时间。通过SPS防

真，燃气管道氮气置换，各注氮工艺的总注氮时间可以通过测量氮气开始

注入时间与模拟管道内完全被氮气取代时间的

差值获得。

2.1 单端注氮工艺远/近端注氮时间规律及工艺优化

单端注氮工艺的关键问题是选择注氮口位置，即

采用远端注氮或近端注氮。通过单端注氮SPS模型，

对单端注氮过程进行了，固定*损口当量直径，

改变*损口位置距注氮口的距离。以此来研究*损口

位置与注氮口距离对总注氮时间的影响，结果如图 5

所示。

在相同的*损口当量直径下，全管段完成氮气置

换的总注氮时间随*损口与注氮阀室距离的增加而减

少，因此，单端注氮时应采取远端注氮工艺。

但值得注意的是，氮气与界面到达*损口

所需时间随*损口与注氮阀室距离的减小而减少。如

果能利用通过*损口一段距离后的氮气隔离管内天燃

气，选择近端注氮的时间更短，且所消耗氮气量也将

大幅度减小。但选用该方案必须确保隔离段氮气长度

足够保证施工期安全，具体隔离段长度的要求需要进

一步的研究确定，暂不在本中讨论。

氮气置换
煤层气的开采利用对我国能源结构改善和煤矿安全生产具有十分重要的意义，但我国煤层的渗透率和储层压力普遍偏低，不利于煤层气的运移和产出，因此改善煤储层的渗透性是煤层气开发的关键环节。水力压裂是一种常用的储层强化增透改造的技术，通过向煤层中注入高压流体，管道氮气置换，使原有裂隙扩展或形成新的裂隙，提高煤储层气体的导流能力。对于低压、低孔和低渗的煤层，可采用氮气泡沫压裂对煤层进行改造。为探究压裂液中氮气提高煤层气产量的机理，相关学者从多元气体吸附[1-2]、煤基质变形[3-5]和渗透率变化[6-8]等方面开展了相关的研究工作，发现煤对不同气体的吸附能力具有差异性，气体的吸附和解吸会引起煤基质的变形，从而导致煤储层渗透性的改变。研究表明，氮气的吸附与解吸过程是可逆的，可作为水力压裂理想的伴注气体[9]。氮气泡沫压裂不仅能促使煤层产生新的裂隙，提高煤储层的导流能力，而且可以通过气体置换驱替作用提高煤层气的采收率。相关学者从注氮煤层气增产机理[10-11]、采收率提高[12]等方面做了相关研究，并且进行了现场的工业应用[13]。煤层的渗透性取决于煤层中孔裂隙发育规模、分布与连通性，为了探究泡沫压裂过程中高压氮气对煤中孔隙结构的影响，笔者选取安鹤矿区鹤壁六矿二1煤层样品进行注入高压氮气置换吸附/解吸实验，利用低温液氮吸附方法测定了实验前后煤中孔隙的发育规模、结构与形态的变化，通过多种分析模型的精细研究，以期揭示泡沫压裂工艺中氮气的增透机理。

2.3 单/双端注氮工艺优化“转换相图”

通过分别研究*损口当量直径和*损口位置对总

注氮时间的影响可知，单/双端注氮方式的选择存在临

界*损口当量直径和*损口位置。以临界点对应的*

损口当量直径与管径的比值为纵坐标，以*损口离注

氮阀室的距离与两端阀室距离的比值为横坐标，可得

如图 8 所示的单/双端注氮工艺“转换相图”。由“转

换相图”可知，存在一条临界“转变”线，*损口特

征位于“转变”线以上区域(A区域)时，选择双端注

氮工艺；损口特征位于“转变”线以下区域(B区域)

时，则选择单端注氮工艺。在B区域内，还存在一

个C区域，*损口当量直径与管径比(*损口孔径比)

小于 9.9%的区域，在该区域内，无论*损口位于何

处，*损口综合特征均处于“转变线”以下，即*损

口孔径比小于 9.9%时，需选择单端注氮工艺。在A区

域内，存在一个D区域，*损口孔径比大于 13.8%的

区域，在该区域内，无论*损口位于何处，*损口综

合特征均处于“转变线”以上，燃气管道氮气置换氧含量，即*损口孔径比大于

13.8%需选择双端注氮工艺。

通过该“转变相图”，工程技术人员可根据*损口

综合特征(*损口距注氮阀室距离、*损口孔径比)查

找相应管道的经验相图选择注氮工艺，有助于工

程技术人员在管道事故应急抢修时快速优选氮气置换

方案，提高氮气置换环节的运行质量。

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