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，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，管道氮气置换，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。
输气管道气体置换的中间注氮方法
3．2 注氮 注意 事项 由于氮 气可 使人 窒息，在作 业现场 液氮车 与氮气 车应按 照危 化品和压力容器设备管理要求摆放 。对 于 液氮源，燃气管道氮气置换，接触液氮时应进行多方面的有效防护；注入氮 气 前应确保氮气注入 的连接管道和氮气排 放的放空管 道牢固 ，防止氮气压 力不稳造成伤害 ：氮气 连接 设施要 进行试 压，还应 配备检 测仪器 ，防止氮气 泄漏 ，如 试压 过程 中发现注 氮管道 有漏 点，应 等到 设备恢 复到常温 且现 场含氧 量达标 后方可进 行紧 固或维修 ，禁止低 温 状态下拆卸注氮管道u引。 注氮过程中，通过氮气注入端的精密压力表、温度 计 ，及 时观 察氮 气注 入压 力 和温 度变 化情 况 ，防止注 入压力超高造成管道，氮气注入温度应控制 在 5～ 10℃，防止注入 管道 内的氮气温度过低 ，造成管 体温度 下 降，导致金属材 料金相 改变而 发生焊缝 冷脆 开裂 。管道 下游 注入 连通管道上安装超声波流量 计 ，用 于计量 回油过程 中 的流量 。回油过程 中与 各 个监测 点保持 通讯联络 ，及时掌 握 回油 清管器 的运 行位置 。当回油清 管器推 进至 管道末端 附近 时，应根据 现 场 情况 降低氮气 的注入 压力或停 止注入氮 气 ，利用 管 道 内的余 压推动 回油清 管器行进 ，控制 回油清管器 推 进速度 ，防止其进入收 (发)球筒时瞬 间冲击压力过大 。 当末 端接器报 警确 认 回油清 管 器进 入 收 (发)球筒 后 ，管道氮气置换，立 即关 闭收 (发)球筒 阀门，对油 品与氮气进行有效 切割 ，防止 回油氮气进入运行管道或储罐 内，对其造 成 冲击*** 。 3．3 放空管道 的设置 回油结 束后 ，应 对管道 内的氮 气与可燃 气体 混合 物进 行放空排放 。根据 G***251—2015《输气 管道 设 计 规 范》，放 空 管管径 一般 为干 线 直径 的 1／3～1／2，且 放 空管道 应 比临近设备 、构筑物高 出约 2m 并 固定 ，因 此采 用高架 式排放 管，并设置 可靠 的防雷静 电接地和 阻火装置u 。 放空 排气 时气 体 中掺 有大量 油雾 ，排 出的油雾落 在 放 空 点周 围形 成 污 染 ，增 加 了后 期 处 置 工作 。可 对 放 空 管 安装 除 液 装 置 ，解 决排 气 带 出 的油 雾 污 染 问题 。
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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，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，管道氮气置换，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。
输气管道气体置换的中间注氮方法
近几年，随着社会经济和地方建设的快速发展，每年为了避让各类建设项目需改
线的作业多达 10 余次，在进行新旧管道动火碰口作业
时，一般采用停输带气微正压、停输置换不带气及不停
输带压封堵 3 种碰口作业方法[1]。由于停输带气微正
压作业安全风险大，不停输作业施工***复杂[2]，加之
费用高，在计划性停输碰口情况下，优先选用高纯度氮
气（≥99％）将管内置换合格进行不带气动火施
工。采用传统氮气置换方法，因线路截断阀一般与输
气管道埋地全焊接连接，若存在内漏现象，无法实现加
盲板隔离置换彻底，动火碰口点存在带实施的
安全风险。陕西省股份有限公司在不断总结置
换工艺的基础上，采用中间注氮置换方法，有效规避了
线路截断阀内漏带来的作业风险。
1 中间注氮方法与传统方法的对比
1.1 传统注氮置换方法
1.1.1 工作原理
关闭作业段管道两端的线路截断阀，对碰口作业
段管道内进行点火排放，当管内压力达到微正
压（285～1 177 Pa) 范围时，停止放空，将液氮罐车、低
温液体泵、汽化器通过高压软管与站场（阀室）预留注
氮阀门连接好，打开阀门注入氮气，管道氮气置换方案，在另一站场（阀室）
打开放空阀排放，并在压力表接口处和碰口点打孔用
可燃气体分析仪持续检测管内含量，当浓度小
于下限的 25％时认为置换合格，才能动火
3．2 注氮 注意 事项 由于氮 气可 使人 窒息，在作 业现场 液氮车 与氮气 车应按 照危 化品和压力容器设备管理要求摆放 。对 于 液氮源，燃气管道氮气置换，接触液氮时应进行多方面的有效防护；注入氮 气 前应确保氮气注入 的连接管道和氮气排 放的放空管 道牢固 ，防止氮气压 力不稳造成伤害 ：氮气 连接 设施要 进行试 压，还应 配备检 测仪器 ，防止氮气 泄漏 ，如 试压 过程 中发现注 氮管道 有漏 点，应 等到 设备恢 复到常温 且现 场含氧 量达标 后方可进 行紧 固或维修 ，禁止低 温 状态下拆卸注氮管道u引。 注氮过程中，通过氮气注入端的精密压力表、温度 计 ，及 时观 察氮 气注 入压 力 和温 度变 化情 况 ，防止注 入压力超高造成管道，氮气注入温度应控制 在 5～ 10℃，防止注入 管道 内的氮气温度过低 ，造成管 体温度 下 降，导致金属材 料金相 改变而 发生焊缝 冷脆 开裂 。管道 下游 注入 连通管道上安装超声波流量 计 ，用 于计量 回油过程 中 的流量 。回油过程 中与 各 个监测 点保持 通讯联络 ，及时掌 握 回油 清管器 的运 行位置 。当回油清 管器推 进至 管道末端 附近 时，应根据 现 场 情况 降低氮气 的注入 压力或停 止注入氮 气 ，利用 管 道 内的余 压推动 回油清 管器行进 ，控制 回油清管器 推 进速度 ，防止其进入收 (发)球筒时瞬 间冲击压力过大 。 当末 端接器报 警确 认 回油清 管 器进 入 收 (发)球筒 后 ，管道氮气置换，立 即关 闭收 (发)球筒 阀门，对油 品与氮气进行有效 切割 ，防止 回油氮气进入运行管道或储罐 内，对其造 成 冲击*** 。 3．3 放空管道 的设置 回油结 束后 ，应 对管道 内的氮 气与可燃 气体 混合 物进 行放空排放 。根据 G***251—2015《输气 管道 设 计 规 范》，放 空 管管径 一般 为干 线 直径 的 1／3～1／2，且 放 空管道 应 比临近设备 、构筑物高 出约 2m 并 固定 ，因 此采 用高架 式排放 管，并设置 可靠 的防雷静 电接地和 阻火装置u 。 放空 排气 时气 体 中掺 有大量 油雾 ，排 出的油雾落 在 放 空 点周 围形 成 污 染 ，增 加 了后 期 处 置 工作 。可 对 放 空 管 安装 除 液 装 置 ，解 决排 气 带 出 的油 雾 污 染 问题 。
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