煤系地层注气和卸压抽采煤层气增产技术基础研究

摘要

煤系地层中的气源岩主要是由富集型和分散型的有机岩构成，包括煤层、泥岩以及页岩等。结合煤层气赋存特征将其高效抽采并加以利用是环境保护、瓦斯事故防治和清洁高效能源三方面相结合的不二之选。然煤层气抽采并非简单之举，受储层物性参数及抽采技术条件的制约，目前抽采率较低。现有的煤层气抽采研究对象主要以煤层为主，鲜有将煤系地层视为一个整体系统综合考虑并进行研究。本文将针对煤系地层中提高煤层气抽采率的技术基础进行研究。首先，阐述了煤系地层中主要孔隙裂隙气源岩的储气特征及气体运移规律，提出了煤系地层未卸压区采用注气，而采动卸压裂隙带区优化布置钻孔提高煤层气抽采率的技术方案。其次，在不同温度、不同压力及含不同气体条件下，实验研究了煤系地层主要气源岩—煤及泥岩的吸附性能、吸附模型适应性以及表征内质量源扩散解吸和对流传质阻力大小的综合传质系数α。最后，根据实验结果和基本物理定律，建立了考虑层间窜流和内质量源作用下的煤系地层自然降压和注气抽采煤层气时的气体运移微分方程，求解了简化微分方程的分析解。应用Comsol multiphysics软件对不同条件下的微分方程进行了数值模拟，并对各种求解结果进行了对比分析。上述研究为煤系地层煤层气增产抽采工艺设计提供了理论基础和技术支持。主要研究内容和结论如下：
　　1、结合煤系地层中主要气源岩物性参数特征，以煤层气在储层中吸附/解吸、扩散渗流运移理论为基础，将煤系地层作为一个整体系统综合考虑，提出了在未卸压区可采用注气方法提高抽采率，卸压区则可根据环形裂隙圈的空间位置来优化裂隙带抽采工艺。
　　2、根据采场围层移动基本理论，推导出确定环形裂隙圈的空间位置参数计算方法，并据此优化裂隙带煤层气抽采工艺。采用钻孔返水计量法对倾斜钻孔抽放效果影响最大的冒落带高度进行实测，结果表明冒落线预计高度与实测计算高度基本一致。
　　3、应用煤系地层中的主要气源岩—煤及泥岩在不同温度、含不同气体条件下的吸附实验数据对常见的三种吸附模型（ Langmuir模型、DR模型以及BET模型）进行检验得知：煤、泥岩对CO2吸附特征符合BET模型，而Langmuir模型和DR模型则适用于煤、泥岩对CH4或N2的吸附。实验表明不同气源岩介质中吸附的CH4量与温度之间成负相关，因此，可采用煤层注热、外加电场的焦耳热效应、交变电磁场产生的热量或超声波摩擦生热等方法提高储层的温度，促使吸附煤层气解吸速率增大，从而提高煤层气抽采率。
　　4、采用容量法，测定了综合传质系数α与煤层气赋存地质条件及煤层气解吸时间之间的关系。实验结果表明：α与基质吸附浓度成正比关系；不同气源岩介质，αCH4随时间的变化速度都较αCO2随时间的变化速度慢，且浓度相同时，αCH4大于αCO2。这表明，不同气源岩介质对CH4和CO2的吸附能力强弱趋势一致，CH4的解吸量均大于CO2的解吸量。因此，注CO2可以吸附置换CH4，提高煤层气的产出率。
　　5、在煤系地层煤层气抽采过程中，会造成各气源岩层之间气体压力的差异，从而导致了相邻气源岩层之间产生层间窜流的现象。穿层与顺层钻孔两种抽采模式下，相邻气源岩层压力差值不同，并最终导致层间窜流量的不同。
　　6、在上述研究基础上，基于孔隙裂隙介质吸附、扩散、渗流基本理论，建立了煤系地层自然降压抽采煤层气物理数学模型和煤系地层注气抽采煤层气的物理数学模型。
　　7、在所建立的模型基础上，结合晋城3＃煤层、马兰8#煤层赋存特征，借助Comsol multiphysics软件对其进行了数值模拟。模拟结果表明：
　　（1）、在煤系地层自然降压抽采煤层气过程中，考虑与未考虑层间窜流条件下的微分方程数值模拟结果对比可知，考虑层间窜流条件下的抽采钻孔附近CH4压力比未考虑条件下的CH4压力有所提高，即层间窜流补给使地层能量衰减变慢，有利于延长抽采井的稳定期。
　　（2）、在井下未卸压区顺煤层钻孔考虑层间窜流条件下，比对抽采相同时间和距抽采钻孔相同距离处的CH4压力值发现：注气条件下的均高于未注气条件下的，且在一定时间内注入不同的气体，压力增加值差异较小。此结果表明，仅就增能驱动而言，一定时间内CH4压力增加值与注气种类差别不明显。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2煤系地层气体运移理论研究现状

1.3 煤层气增产技术研究现状

1.4 注气抽采煤层气机理研究现状

1.5 本文研究的主要内容及技术路线

第二章 煤系地层气源岩种类及其储气机理分析

2.1煤系地层气源岩组成

2.2煤系地层主要气源岩孔隙结构

2.3气源岩中流体及其储气特征分析

2.4本章小结

第三章 煤系地层煤层气运移与增产机理

3.1 煤层气运移物理过程

3.2 煤系地层未卸压区注气抽采煤层气

3.3 煤系地层卸压区抽采煤层气

3.4本章小节

第四章 煤与泥岩样吸附性能及综合传质系数实验研究

4.1 实验目的与步骤

4.2 煤与泥岩样吸附性能实验

4.3煤与泥岩样综合传质系数实验结果分析

4.4本章小结

第五章 煤系地层自然降压抽采煤层气物理数学模型及数值模拟

5.1煤系地层自然降压抽采煤层气物理数学模型

5.2 井下顺层钻孔无层间窜流条件下煤层气抽采微分方程近似解及其分析

5.3 井下顺煤层钻孔有无层间窜流条件下煤层气抽采数值模拟

5.4本章小结

第六章 煤系地层注气抽采煤层气物理数学模型及数值模拟

6.1煤系地层注气抽采煤层气物理数学模型

6.2间歇式无层间窜流条件下注气抽采煤层气微分方程的近似解及其分析

6.3井下顺煤层钻孔考虑层间窜流条件下注气抽采煤层气数值模拟

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1主要结论

7.2创新点

7.3不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录与项目情况