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低渗透煤层气开采的热—流—固耦合作用机理及应用研究

张丽萍  
【摘要】:我国煤层气资源储量丰富,但绝大部分储层具有“高储低渗”的特点,严重制约我国煤层气工业的发展。如何提高低渗透煤层的渗透率从而提高开采煤层气经济效益,是煤层气开采研究中的热点和难点。本文基于多孔介质弹性力学、渗流力学、热力学等理论,系统研究了温度影响下煤层中气体赋存运移变化规律,建立了包含煤层变形、气体扩散渗流、气体吸附以及温度效应的热-流-固多场耦合数学模型,并将模型应用到注热强化和注气驱替开采煤层气工程实践中,主要得到以下研究成果: (1)研究得到了气体吸附常数与温度之间的关系,建立了温度与气体压力共同作用下的吸附方程。针对煤的裂隙-孔隙结构特征,建立了包含温度效应的双重孔隙渗透率动态变化方程。在此基础上分别建立了煤体变形控制方程、气体运移控制方程、温度场控制方程。联立上述方程得到了包含煤层变形、气体渗流、气体吸附以及温度效应的热-流-固多场耦合数学模型。 (2)以煤层气开采为背景,利用COMSOL Multiphysics对热-流-固耦合数学模型进行了数值求解。结果表明:煤层的温度直接影响煤层气的产出速率,温度越高,煤层气开采效率越高;煤层地应力越大,其渗透率越低,煤层气开采效率越低;煤的弹性模量越小,煤层气开采效率越高;煤层中裂隙间距越小,煤层气开采效率越高;煤的弹性模量衰减率Rm越小,煤层的渗透率越大,煤层气开采效率越高。 (3)将热-流-固耦合数学模型应用到注热开采煤层气中,建立三维数值模型模拟和分析了注热对煤层气产出速率、孔隙压力分布、渗透率变化的影响。研究发现提高煤层温度,可以促进气体解吸作用的进行、提高煤层的渗透率,从而提高煤层气开采效率。 (4)研究了二元气体竞争吸附下煤层渗透率的动态变化规律,建立了在煤层中注CO2驱替CH4的热-流-固耦合数学模型,并对该模型进行了数值求解。通过将求解结果与实验结果对比,证明了该耦合模型的正确性。 (5)以沁水盆地煤层气增产试验为工程背景,利用所建的热-流-固耦合数学模型对CO2驱替CH4进行了模拟研究。模拟结果与现场试验数据吻合,表明在煤层中注入CO2能有效提高煤层气的产量。结果还显示若提高温度和注气压力可进一步增强CO2驱替CH4的效果。 该论文有图116幅,表20个,参考文献140篇。


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