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1、隨著人們對(duì)煤炭資源粗放式發(fā)展弊病的認(rèn)識(shí),煤炭資源的潔凈高效開(kāi)發(fā)利用受到越來(lái)越多的重視。褐煤高含水率、高揮發(fā)分及發(fā)熱量低等特點(diǎn),決定了褐煤開(kāi)采與利用的低效率。因此,結(jié)合褐煤熱穩(wěn)定性差、易熱解等特點(diǎn),太原理工大學(xué)趙陽(yáng)升教授提出了褐煤原位注蒸汽開(kāi)采油氣理論與技術(shù)。在此背景下,本文采用宏觀與細(xì)觀相結(jié)合的研究方式,對(duì)褐煤高溫滲透特性與壓力氣體熱解褐煤細(xì)觀特征進(jìn)行了系統(tǒng)與深入的研究。另外,以多孔介質(zhì)多場(chǎng)耦合理論為基礎(chǔ),對(duì)褐煤注蒸汽開(kāi)采過(guò)程中溫度場(chǎng)、
2、應(yīng)力場(chǎng)及巖層移動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:
?。?)采用該校自主研制的高溫三軸滲透試驗(yàn)臺(tái),研究了三軸應(yīng)力下褐煤高溫(室溫~650℃)滲透特性,得到了不同孔隙壓力下褐煤滲透率隨溫度升高而不斷增大的趨勢(shì),且200℃以后滲透率遠(yuǎn)高于室溫下測(cè)試結(jié)果,其滲透率在200~650℃出現(xiàn)了3次降低,但在不同孔隙壓力下滲透率的數(shù)值依然維持在110 md以上,說(shuō)明褐煤具有良好的滲透性。通過(guò)對(duì)褐煤的滲透特性進(jìn)行分段研究,發(fā)現(xiàn)褐煤失水與熱
3、解是引起褐煤滲透率波動(dòng)的主要因素。通過(guò)研究褐煤變形與溫度的關(guān)系,結(jié)果表明25~200℃與300~650℃是褐煤變形的兩個(gè)主要階段。
?。?)采用自制高溫氣體加熱反應(yīng)裝置,應(yīng)用核磁共振技術(shù)與X-CT掃描技術(shù)相結(jié)合的方式,研究了不同溫度下褐煤孔隙裂隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。由核磁共振測(cè)試結(jié)果可知,褐煤孔隙孔徑隨溫度的升高不斷增大,且在450℃時(shí)μm級(jí)孔隙裂隙占主導(dǎo)地位,占比達(dá)55%以上。結(jié)合相關(guān)計(jì)算模型,計(jì)算得到的核磁法滲透率與宏觀測(cè)試得到
4、的滲透率變化規(guī)律具有高度的一致性。通過(guò)X-CT掃描技術(shù)發(fā)現(xiàn),室溫~250℃褐煤孔隙率隨溫度升高不斷增大,350℃時(shí)出現(xiàn)一次降低,450℃時(shí)大幅升高至16.02%,是室溫下的12.7倍,此時(shí)褐煤孔隙裂隙結(jié)構(gòu)十分發(fā)育。同一研究尺度下兩種方法測(cè)得孔隙率結(jié)果完全一致,核磁共振技術(shù)在區(qū)分褐煤有效孔隙率方面具有優(yōu)勢(shì),可以探測(cè)到nm級(jí)孔隙,而X-CT掃描技術(shù)則可以全方位多角度表征褐煤的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)信息,通過(guò)二者相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)褐煤孔隙裂隙類(lèi)型、有效孔
5、隙率、孔隙結(jié)構(gòu)分布和孔隙裂隙空間配置的精細(xì)定量化表征。
?。?)通過(guò)對(duì)高溫壓力氣體熱解褐煤孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律研究,發(fā)現(xiàn)0.1 MPa、0.5 MPa、1 MPa壓力氣體熱解褐煤,孔隙率呈現(xiàn)出隨溫度的升高而增大的變化規(guī)律,且同一溫度下氣體壓力越高,孔隙率越高,500℃時(shí),孔隙率分別為23.01%、27.11%和28.63%。通過(guò)對(duì)比分析不同熱解條件下褐煤不同尺度孔隙數(shù)目和體積的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)氣體壓力越大越有利于小孔隙的發(fā)育,同時(shí)能
6、促進(jìn)各孔隙間的相互貫通,即有利于滲流通道的形成。通過(guò)對(duì)比熱輻射加熱與壓力氣體熱解褐煤,發(fā)現(xiàn)氣體壓力可通過(guò)與顆粒內(nèi)部氣體的交互作用影響褐煤的熱解,進(jìn)而改變褐煤孔隙結(jié)構(gòu)。
?。?)以多孔介質(zhì)多場(chǎng)耦合理論為基礎(chǔ),應(yīng)用原位注蒸汽開(kāi)采油氣的固-流-熱耦合數(shù)學(xué)模型及得到的相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù),編制相關(guān)程序,數(shù)值模擬研究了褐煤原位注蒸汽開(kāi)采油氣過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及巖層移動(dòng)情況。結(jié)果表明:隨時(shí)間增加,溫度沿地層方向以圓盤(pán)形狀向遠(yuǎn)離注熱井方向擴(kuò)展,垂直
7、地層方向溫度的發(fā)展以壓裂層為中心向周?chē)鸩綌U(kuò)展,其中壓裂層溫度擴(kuò)展到生產(chǎn)井只需要5 h左右;普通煤層注熱204.7 h后,注熱井到生產(chǎn)井區(qū)域內(nèi)煤層已達(dá)褐煤熱解開(kāi)采溫度500℃。隨著地層溫度的上升,垂直應(yīng)力σz逐步由壓應(yīng)力演化為拉應(yīng)力,并隨時(shí)間延長(zhǎng),拉應(yīng)力影響區(qū)域以注熱井與壓裂層為中心不斷向外擴(kuò)展。隨著熱量的不斷注入,注熱井和生產(chǎn)井之間的地層出現(xiàn)了明顯的膨脹變形,且隨時(shí)間的延長(zhǎng),鼓起量不斷增加。因熱膨脹和孔隙壓力,注熱1311 h后,地表
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