注气开采煤层气多场耦合模型研究及应用

摘要

CO2注气开采（CO2-enhanced coalbed methane），简称CO2-ECBM，不仅能通过地质封存CO2来有效缓解“温室效应”，而且有助于提高清洁能源煤层气的开采效率和产量，是目前国内外的研究热点，也是实现我国环保和能源战略的重要途径。本文研究以此为背景，利用自主研发的气体渗透率测试系统，测定煤样渗透率随围压和孔压的变化规律。利用止水条注水与煤层注气的膨胀类比关系，开展CO2注气增采上覆层变形相似模拟实验。建立应力依赖动态孔隙度和渗透率计算方法，并修正模拟软件TOUGH2-7C(ECBM)的相应模块，进行注气开采流-固-热(THM)耦合分析。建立计入裂隙法向应力和剪胀效应的各向异性渗透率模型，设计了TOUGH-FLAC集成计算模拟方法。数值模拟了不同主控因素对注气开采效率的影响规律。在模拟基础上，进行了注气开采诱发断层滑移方面的可靠性分析。
　　实验分析和计算表明，煤样渗透率随孔压增加有上升的趋势，止水条类比实验是间接预测CO2压注覆岩变形的简便实用方法，距离注气口越近覆岩变形越明显，变形与距离呈负指数变化规律。模块修正后的TOUGH2程序计算效率和收敛性有明显改善，TOUGH-FLAC集成算法模拟渗透率和孔压变化更符合实际。非恒温注气初期，注气井口更容易发生破损和可能的气体逃逸。煤层渗透率是影响注气开采效率的首要控制参数。水力压裂和二次压裂在提高注气效率的同时，可以有效减轻注气井口的损伤，二次压裂甚至可以使累计产气量增幅32.5％。断层活化和微震频率与断层角度、渗透率密切相关，倾角越大、渗透率越小的断层越容易活化。目前参数条件下，注气250天有诱发断层滑移和微震的可能性，滑移量0.35m、震级3.4左右。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义(Research Background)

1.2 国内外研究现状(Current States and Limitations)

1.3 研究内容及方法(Research Contents and Methods)

2 煤岩渗透率测试及CO2注气增采相似实验

2.1 引言(Introduction)

2.2 煤岩渗透率测试(Permeability Experiment of Coal Samples with in–house Permeability Test System)

2.3 CO2增采相似实验(Physical Similar Simulation of CO2 En-hanced Coalbed Methane)

2.4 本章小结(Conclusions)

3 CO2-ECBM多场耦合数学模型和集成算法

3.1 多场耦合数学模型(Mathematical Model)

3.2 动态孔隙度和渗透率 (Stress-Dependent Porosity and Per-meability Model)

3.3 TOUGH-FLAC 集成模拟器 (Introduction of TOUGH-FLAC Integrated Simulator)

3.4 TOUGH2 与常用煤层气商用软件对比 (Comparison be-tween TOUGH2 and Coalbed Methane Commercial Software)

3.5 TOUGH-FLAC 耦合模拟器与有限元软件 COMSOL 对比(Comparison between TOUGH(2)/-FLAC and COMSOL)

3.6 本章小结(Summary)

4 注气开采模拟和参数控制规律

4.1 引言(Introduction)

4.2 注气开采工程数值模拟(Model Setup and Application)

4.3 模拟结果分析(Simulation Results and Discussions)

4.4 非恒温注气开采(Non-isothermal Case for CO2-ECBM Re-covery)

4.5 井口稳定性分析(Analysis of Wellbore Stability)

4.6 参数的敏感性分析(Sensitive Analysis)

4.7 结果讨论(Discussions)

4.8 本章小结(Summary)

5 储层压裂联合注气开采实效分析

5.1 引言(Introduction)

5.2 裂隙各向异性渗透率动态演化 (Anisotropy Permeability Model of Fracture)

5.3 几何模型及物理参数(Model Setup)

5.4 结果讨论与分析(Simulation Result and Analysis)

5.5 二次压裂的影响(The Effect of Refracturing Treatment)

5.6 本章小结(Summary)

6 注气开采诱发断层滑移和可靠性

6.1 引言(Introduction)

6.2 断层动态渗透率(The Variation of Fault Permeability)

6.3 注气开采断层滑移模型(Geometry and Initial Condtions for the Coupled Simulation of CO2-ECBM )

6.4 模拟结果分析与讨论(Simulation Analysis and Discussion)

6.5 断层角度的影响(The Effect of Fault Angle)

6.6 渗透率和初始正应力控制规律(The Effect of Fault Perme-ability and Initial Stress)

6.7 注气开采的可靠性(Injection-Production (IP) Case)

6.8 本章小结(Summary)

7 主要结论

参考文献

附录A

附录B

作者简历

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