注熱CO2驅(qū)替增產(chǎn)煤層氣試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、我國為煤層氣賦存大國，埋深2000 m以淺煤層氣賦存量居世界第三，煤層氣產(chǎn)業(yè)具有良好的發(fā)展前景。但是我國煤層有著低煤層氣原始?jí)毫?、低煤層滲透性、高煤巖變質(zhì)程度的特點(diǎn)，造成我國煤層氣開發(fā)效率一直不理想，為此國家把煤層氣增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)列入“十三五”規(guī)劃綱要，并一直在尋求有效的增產(chǎn)途徑。注 CO2驅(qū)替增產(chǎn)煤層氣技術(shù)（ECBM）便是在該種大形勢(shì)下提出的有效增產(chǎn)手段，該技術(shù)不僅能夠有效增加煤層氣的產(chǎn)出率，還能夠進(jìn)行溫室效應(yīng)氣體CO2的地質(zhì)封存，具有雙重

2、效益。為進(jìn)一步提高注CO2增產(chǎn)煤層氣的效果，研究學(xué)者提出超臨界CO2驅(qū)替增產(chǎn)技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)增產(chǎn)效果良好。但是在一些特殊煤巖結(jié)構(gòu)中CO2達(dá)到超臨界狀態(tài)較為困難，基于溫度對(duì)煤體孔裂隙及氣體吸附特性的影響，提出注高溫氣態(tài)CO2進(jìn)行煤層氣驅(qū)替增產(chǎn)的研究構(gòu)想。為此，本文針對(duì)注熱CO2驅(qū)替增產(chǎn)煤層氣的過程，利用太原理工大學(xué)自主研發(fā)的設(shè)備對(duì)不同溫度與壓力條件下煤體滲透率（20-70℃、3-8MPa）、煤體對(duì)氣體的吸附特性（30-70℃、1-6MPa）、

3、驅(qū)替效果以及驅(qū)替過程中煤體力學(xué)特性改變（28-60℃、2-4MPa）進(jìn)行了細(xì)致研究，并展開多場耦合數(shù)值模擬研究，主要結(jié)論如下：
　?。?）溫度相同時(shí)，煤體滲透性隨有效應(yīng)力升高呈負(fù)指數(shù)函數(shù)降低；有效應(yīng)力相同時(shí)，煤體滲透性隨溫度的升高線性降低；綜合溫度與有效應(yīng)力兩種影響因素，滲透率隨溫度與壓力可用同一定量化表達(dá)式表達(dá)。
　?。?）在有效應(yīng)力為1-6 MPa，溫度為20-70℃條件下，試件尺寸為25×50mm的弱粘煤試件中，CO2

4、在煤體中的滲透性均高于CH4。CO2相較于CH4在煤體中的運(yùn)移更為容易。
　?。?）溫度升高會(huì)降低煤體吸附氣體量，其主要原因?yàn)?，溫度的升高增加了氣體活性，使得吸附分子層難以形成，同時(shí)溫度升高導(dǎo)致煤體內(nèi)部能夠吸附氣體的吸附微孔減少，致使氣體吸附空間減小而降低吸附量。
　?。?）無論吸附壓力與環(huán)境溫度條件如何，煤體對(duì)CO2的吸附親和性均高于CH4。對(duì)于本論文的弱粘煤試件而言，在溫度為30-70℃，吸附壓力為1-6MPa條件下，煤

5、體吸附CO2氣體量比CH4始終在3以上。
　?。?）注入驅(qū)替氣體的壓力以及溫度是影響CH4產(chǎn)出量以及CO2存儲(chǔ)量的重要因素，注氣壓力由2 MPa增至4 MPa，CH4產(chǎn)出率可提高6.7％~17.4%，CO2儲(chǔ)存量可提高78.6%~99.7%；注氣氣體溫度從28℃上升至60℃，CH4產(chǎn)出率與CO2儲(chǔ)存量分別增加40.0%~43.8%和23.8%~38.4%，而驅(qū)替置換比降低8.4%~20.2%。
　?。?）注氣壓力與注氣溫度的

6、升高對(duì)煤體力學(xué)特性改變明顯，驅(qū)替壓力與溫度的增加會(huì)使得50×100mm的弱粘煤試件軸向應(yīng)變?cè)黾?8.1%和104.7%。常溫2MPa與4MPa驅(qū)替試驗(yàn)后煤體中CH4的滲透率變?yōu)槲打?qū)替前的63.0%和28.7%，驅(qū)替溫度提高至45℃時(shí)，驅(qū)替試驗(yàn)后煤體中CH4的滲透率變?yōu)槲打?qū)替前的71.1%和32.6%，進(jìn)一步升高溫度至65℃，驅(qū)替試驗(yàn)后煤體中CH4的滲透率變?yōu)闉轵?qū)替前的80.2%和35.7%。驅(qū)替溫度的升高可以有效阻滯驅(qū)替造成的煤體滲透性