聲震法提高煤層氣抽采率的機(jī)理及技術(shù)原理研究.pdf

1、煤層氣主要以吸附態(tài)賦存煤體中,其產(chǎn)出是一個(gè)復(fù)雜的解吸-擴(kuò)散-滲流過程,為了高效的開發(fā)煤層氣資源,人們采用了造穴,水力壓裂,注氣、松動(dòng)爆破等激勵(lì)技術(shù)開發(fā)煤層氣,使之提高煤層氣的抽采率。由于我國煤田地質(zhì)條件復(fù)雜,煤層的透氣性低,造成煤層氣的抽采率低,總抽采量少,至今還沒有形成商業(yè)性開發(fā)和利用。鑒于我國煤儲(chǔ)層低滲透的特點(diǎn),本文提出采用物理激勵(lì)中超聲波技術(shù)來促進(jìn)煤層氣的解吸、擴(kuò)散和滲流,期望找到一條既具有機(jī)械碎裂作用又具有升高煤質(zhì)點(diǎn)溫度的聲震法

2、新技術(shù)。但在聲場(chǎng)作用促進(jìn)煤層氣解吸、流動(dòng)的發(fā)生機(jī)理方面還需要大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究,本文擬在這方面開展研究工作。研究?jī)?nèi)容共五章。第一章總論,論述了煤層氣吸附和滲流特性的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,并擬定了研究的內(nèi)容和研究方法。第二章實(shí)驗(yàn)研究了不同變質(zhì)程度煤的孔隙特征和比表面積,不加聲場(chǎng)和加聲場(chǎng)條件下甲烷氣的吸附、解吸特性,以及超聲波促進(jìn)甲烷氣解吸、減少煤層氣吸附量的作用機(jī)理。第三章從分析煤層氣在煤層中單一孔隙擴(kuò)散模型、雙重?cái)U(kuò)散模型、等溫吸附率模型入手,

3、借助于雙重?cái)U(kuò)散模型的建模思路,提出了描述煤層氣解吸-擴(kuò)散的簡(jiǎn)化雙重?cái)U(kuò)散模型,并通過實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比分析,得到實(shí)驗(yàn)煤樣的大孔隙擴(kuò)散系數(shù)和微孔隙擴(kuò)散系數(shù);并提出了描述煤層氣脫附過程反映煤層氣壓力、煤層特性等因素的煤層氣視擴(kuò)散系數(shù)的概念。聲場(chǎng)作用主要是將聲場(chǎng)的聲能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的熱能,改善系統(tǒng)的熱平衡和物質(zhì)傳遞入手,推導(dǎo)出了聲場(chǎng)作用下,煤層氣在煤基質(zhì)微孔中解吸-擴(kuò)散的物質(zhì)平衡方程和熱平衡方程;建立了聲場(chǎng)作用下,煤層氣解吸-擴(kuò)散的概念模型;并

4、估算了聲場(chǎng)作用下,煤層氣在煤微孔中解吸-擴(kuò)散引起的系統(tǒng)溫度變化和視擴(kuò)散系數(shù)、游離氣動(dòng)態(tài)百分?jǐn)?shù)、吸附氣動(dòng)態(tài)百分?jǐn)?shù)等參數(shù)的變化特征,以此解釋聲場(chǎng)促進(jìn)煤層氣在煤微孔中解吸-擴(kuò)散的機(jī)理。第四章實(shí)驗(yàn)研究了在不加聲場(chǎng)和加聲場(chǎng)條件下煤樣的滲透特性,實(shí)驗(yàn)得出:煤的滲透性與應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、聲場(chǎng)有關(guān),在相同應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)條件下超聲波能增加煤的滲透率。提出了聲場(chǎng)作用下,反映煤層氣在煤層裂縫割理宏觀孔隙系統(tǒng)中煤層氣流動(dòng)的滲流壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),以及物性參數(shù)

5、為一體的多場(chǎng)動(dòng)態(tài)流固耦合數(shù)學(xué)模型。并實(shí)現(xiàn)了以煤層瓦斯開采為初始和邊界條件的數(shù)值解,有效地預(yù)測(cè)了超聲作用,提高煤-氣系統(tǒng)的溫度,促進(jìn)煤層瓦斯的解吸和流動(dòng),提高煤層的孔隙度,增大煤層瓦斯流動(dòng)的滲透率,降低煤層骨架的應(yīng)力;分析了聲場(chǎng)的機(jī)械振動(dòng)、熱效應(yīng)及煤體損傷的作用機(jī)理。第五章在第2～4章實(shí)驗(yàn)研究和理論分析基礎(chǔ)上,鑒于聲波能促進(jìn)煤層氣解吸和提高煤層滲透率,提出了在預(yù)抽煤層氣中實(shí)施聲震法技術(shù)來提高煤層滲透率的設(shè)想。第六章總結(jié)了本文的主要結(jié)論和創(chuàng)