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《太原理工大学》 2012年
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褐煤原位注蒸汽开采油气的理论及试验研究

冯子军  
【摘要】:褐煤等低变质程度煤种具有含水率高、灰分高、发热量低的特点,因此运输成本、加工成本较高。随着目前世界油气资源的紧缺,煤制油、煤制气等一些新的技术被提出。我国褐煤等低变质程度煤储量丰富,如果能通过地下处理将煤中的有机成分提取出来,不仅节约开采成本,而且一定程度上缓解油气紧张问题,因此提出原位注蒸汽大规模提取褐煤等低变质程度煤层中的油气资源的设想。围绕着这一崭新课题,本文进行了一些初步研究,得到如下结论: 1)通过对内蒙古元宝山和霍林河露天褐煤矿区煤层赋存特征的实地调研,认为褐煤赋存区域内的地应力场为静水应力场。 2)利用μCT225FCB型高精度工业CT试验机进行了不同温度下褐煤、气煤热解的显微CT试验,发现煤在低温阶段(低于200℃),由于煤中水分和自由气体的散失而产生大量裂纹;在高温阶段(高于300℃),有机质的热解导致煤中大量孔隙裂隙的形成,煤的这种产生孔隙裂隙的方式与无机岩石(如花岗岩、砂岩等)明显不同,称这种因热解作用导致煤等一类富含有机质的岩石发生破坏的现象为热解破裂。煤热解破裂过程中,当温度低于300℃时因煤中自由水和自由气体的散失而形成以细长裂纹为主的孔隙裂隙系统;当温度高于300℃时因煤中热解产物的逸出而形成以圆形或椭圆形孔洞为主的孔隙裂隙系统。300。C前新生裂隙不仅起始于煤中的硬质颗粒之间,更普遍的起始于有机质中,靠近试样边界处较试样内部多;300℃后孔隙裂隙的形成主要起始于有机质内,从试样的边界开始向试样中心逐渐减弱。室温-150℃是裂隙扩展的加速阶段,150℃-300℃裂隙扩展减缓,300℃后裂隙再次迅速扩展,扩展速度远大于150。C前。 3)煤热解破裂过程中产生明显的声发射现象。无应力约束条件下,褐煤在70-80℃即有声发射现象,表明此时褐煤内有新的裂隙产生;150℃-200℃时声发射能量率和振铃率大幅度增加,说明裂隙不断扩展;200℃-300℃声发射能量率和振铃率较小,声发射活动减弱,说明裂隙生成量减少,扩展也较为缓慢;300℃后,声发射活动再次加剧,这是因为煤在该温度下发生热解并产生大量热解气体,气体的产出导致声发射活动增强。 在三轴应力条件下,煤热解破裂过程中的声发射较无应力约束下复杂,是热解和应力共同作用的结果。应力对煤热解破裂过程中的声发射具有显著的影响,主要表现为煤受温度影响后固体骨架弱化,应力作用下煤的固体骨架内部发生摩擦,表现出较为剧烈的声发射活动。 4)采用600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机对大尺寸(φ200×400mm)煤样进行热解变形渗透试验,得出: ①高温三轴应力下煤的变形可分为体积膨胀、缓慢压缩、剧烈压缩三个阶段。与无烟煤相比,气煤的热变形更为剧烈,通过对比无烟煤和气煤热变形特点推断从气煤至无烟煤各煤阶中,热变形由体积膨胀转变为缓慢压缩的临界温度为200℃-250℃。煤体变形的脆-韧性机制的转变受温度和压力共同作用,在较高的临界温度下,转化压力较低,反之亦然,具有明显的温压等效性,无烟煤煤体在围压15MPa时,其临界温度范围为400℃-450℃。热解产气对煤体变形起着主控作用,尤其在高温阶段(450℃以后)。随着热解产气量的增加,煤体即使在较小的围压下也能产生较大的永久变形。 ②高温三轴应力下煤的弹性模量随温度变化可以分为中低温平稳降低阶段、中高温剧烈降低阶段和高温缓慢降低阶段。弹性模量随温度变化存在一个由平稳降低至剧烈降低的临界温度点,无烟煤为400℃-450℃,而气煤为200℃-240℃。热解产气对煤的弹性模量产生重要影响,高温阶段煤体弹性模量的降低主要受热解产气控制,弹性模量与热解产气速率呈负指数关系。 ③高温三轴应力下煤的线性热膨胀系数随温度的变化大致呈现下凹状,存在一个由正变负的临界点,无烟煤和气煤均为200℃。 ④高温三轴应力下煤的渗透率随温度的变化存在一个阈值温度和一个峰值温度。室温至阈值温度渗透率随温度的升高而降低;阈值温度至峰值温度渗透率不断增大;峰值温度后渗透率处于降低状态。无烟煤的阈值温度为150℃-200℃,峰值温度为450℃-500℃;而气煤在试验温度400℃内,阈值温度为200℃-250℃,没有出现峰值温度。 5)利用自主研制的IMT-THMC-Ⅱ型注热式多功能岩石力学试验机研究了褐煤高温蒸汽压裂过程中变形、渗透特征及裂缝形态特征。发现高温蒸汽持续注入过程中褐煤的变形也表现为体积膨胀和体积压缩。渗透率随着蒸汽的相态变化而变化。当蒸汽无法快速渗出试样时,表现为渗透率降低,甚至为0。当提高蒸汽温度或继续提高蒸汽压力后,冷凝水缓慢排出试样,渗流率有所提高;一旦蒸汽通过试样,试样将被迅速加热,渗透率也迅速增大。 6)建立了温度场、应力场、渗流场耦合作用下高温蒸汽控制压裂-热解的三维数学模型,并用fortran语言编制了大型有限元程序进行上述问题的求解。得到了压裂过程中裂缝形成、扩展规律及地层变形规律。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TE37

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【参考文献】
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