注热CO2驱替增产煤层气试验与数值模拟研究

摘要

我国为煤层气赋存大国，埋深2000 m以浅煤层气赋存量居世界第三，煤层气产业具有良好的发展前景。但是我国煤层有着低煤层气原始压力、低煤层渗透性、高煤岩变质程度的特点，造成我国煤层气开发效率一直不理想，为此国家把煤层气增产稳产列入“十三五”规划纲要，并一直在寻求有效的增产途径。注 CO2驱替增产煤层气技术（ECBM）便是在该种大形势下提出的有效增产手段，该技术不仅能够有效增加煤层气的产出率，还能够进行温室效应气体CO2的地质封存，具有双重效益。为进一步提高注CO2增产煤层气的效果，研究学者提出超临界CO2驱替增产技术，并发现增产效果良好。但是在一些特殊煤岩结构中CO2达到超临界状态较为困难，基于温度对煤体孔裂隙及气体吸附特性的影响，提出注高温气态CO2进行煤层气驱替增产的研究构想。为此，本文针对注热CO2驱替增产煤层气的过程，利用太原理工大学自主研发的设备对不同温度与压力条件下煤体渗透率（20-70℃、3-8MPa）、煤体对气体的吸附特性（30-70℃、1-6MPa）、驱替效果以及驱替过程中煤体力学特性改变（28-60℃、2-4MPa）进行了细致研究，并展开多场耦合数值模拟研究，主要结论如下：
　　（1）温度相同时，煤体渗透性随有效应力升高呈负指数函数降低；有效应力相同时，煤体渗透性随温度的升高线性降低；综合温度与有效应力两种影响因素，渗透率随温度与压力可用同一定量化表达式表达。
　　（2）在有效应力为1-6 MPa，温度为20-70℃条件下，试件尺寸为25×50mm的弱粘煤试件中，CO2在煤体中的渗透性均高于CH4。CO2相较于CH4在煤体中的运移更为容易。
　　（3）温度升高会降低煤体吸附气体量，其主要原因为，温度的升高增加了气体活性，使得吸附分子层难以形成，同时温度升高导致煤体内部能够吸附气体的吸附微孔减少，致使气体吸附空间减小而降低吸附量。
　　（4）无论吸附压力与环境温度条件如何，煤体对CO2的吸附亲和性均高于CH4。对于本论文的弱粘煤试件而言，在温度为30-70℃，吸附压力为1-6MPa条件下，煤体吸附CO2气体量比CH4始终在3以上。
　　（5）注入驱替气体的压力以及温度是影响CH4产出量以及CO2存储量的重要因素，注气压力由2 MPa增至4 MPa，CH4产出率可提高6.7％~17.4%，CO2储存量可提高78.6%~99.7%；注气气体温度从28℃上升至60℃，CH4产出率与CO2储存量分别增加40.0%~43.8%和23.8%~38.4%，而驱替置换比降低8.4%~20.2%。
　　（6）注气压力与注气温度的升高对煤体力学特性改变明显，驱替压力与温度的增加会使得50×100mm的弱粘煤试件轴向应变增加98.1%和104.7%。常温2MPa与4MPa驱替试验后煤体中CH4的渗透率变为未驱替前的63.0%和28.7%，驱替温度提高至45℃时，驱替试验后煤体中CH4的渗透率变为未驱替前的71.1%和32.6%，进一步升高温度至65℃，驱替试验后煤体中CH4的渗透率变为为驱替前的80.2%和35.7%。驱替温度的升高可以有效阻滞驱替造成的煤体渗透性降低。
　　（7）对原位条件下煤层中不同温度与压力CO2注气驱替进行多场耦合数值模拟研究发现，提高注气压力与温度能够提高CH4产量，并能够提高CO2在煤层中的存储量。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 注热增产煤层气研究现状

1.3 注CO2增产煤层气研究现状

1.4 论文研究内容及方法

第二章 温压作用下煤体中气体渗透性试验研究

2.1 试验目的

2.2 试验主要设备

2.3 试验方案与试验步骤

2.4 试验数据及结果分析

2.5本章小结

第三章 温压作用下煤体吸附气体试验研究

3.1试验目的

3.2试验主要设备

3.3试验样品与试验过程

3.4试验数据与结果分析

3.5 本章小结

第四章 注不同温压CO2驱替煤层气试验研究

4.1 试验目的

4.2 试验试件与主要设备

4.3 试验方案与步骤

4.4 试验数据与结果分析

4.5 本章小结

第五章 注不同温压CO2增产煤层气数值模拟研究

5.1 数学模型建立

5.2 模型描述

5.3 模拟结果与分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

作者在硕士期间发表论文和主持参与的项目