煤层气注热开采中的热—流—固耦合作用理论与应用研究

【摘要】：我国煤层普遍具有微孔隙、低渗透、高吸附性的特点,严重制约了煤层气的开采,煤层注热蒸汽作为一种新的煤层气增产工艺,是以热蒸汽作为热介质注入煤层,通过加热煤层提高煤层气的解吸速率并强化解吸气体的运移采出。本文以热蒸汽注热增产煤层气的技术为工程背景,主要思路为煤层注热开采煤层气过程中热蒸汽对煤体的热-流-固耦合作用机理研究,采用试验测试和数值模拟两种方法进行研究。分析了热蒸汽作用后的煤体孔裂隙演化规律;探究了热蒸汽作用下不同含水率煤样的渗透率演化规律;基于渗流力学、弹性力学、传热学等基础理论,采用Comsol Mltiphysics模拟计算了煤层注热蒸汽开采煤层气的多物理场耦合模型。研究取得成果如下:(1)分别采用低温二氧化碳吸附、低温氮气吸附和高压压汞法对热蒸汽处理后的煤样和原煤煤样进行测试,并提取三个实验对应的优势段孔径数据进行合并分析。热蒸汽作用后煤体的总孔容、孔隙度、平均孔径均有增大,热蒸汽对煤体孔隙结构有冲蚀作用,产生一定的扩孔效应;热蒸汽有效的促进煤体基质孔隙的发育、扩展和贯通,煤体内部封闭孔和半封闭孔向开发孔转变,小孔向大孔转变的趋势;热蒸汽处理后煤样的综合分形维数明显高于原煤煤样。(2)开展了围压、孔隙压和温度耦合下煤样的渗透行为研究。煤样渗透率随着孔隙压的增大呈指数增大,渗透率具有较高的孔隙压敏感性;低围压下,渗透率增长呈指数趋势;高围压下,渗透率增长呈线性趋势。温度和孔隙压恒定的条件下,煤样渗透率随着围压的增大整体呈下降趋势,不考虑温度变化的情况下,随着围压的升高,拟合的a、b值整体上呈下降趋势。煤样渗透率随着温度的增大整体呈下降趋势,不考虑围压变化的情况下,随着温度的升高,拟合的a、b值整体上呈下降趋势;实验结果的拟合度均在0.9以上,拟合效果较好。开展了热蒸汽对不同含水率煤样渗透性的影响。随着含水率的升高,煤样的渗透率整体呈下降趋势,渗透率与含水率呈负指数关系,二者的拟合度在0.9以上。对于同一含水率煤样,在经过热蒸汽处理后渗透率明显增大,且煤样的含水率越高,热蒸气处理后的渗透率增幅越大,热蒸汽作用后有效提升了含水煤样的渗透性。(3)模拟注热开采煤层气的过程中,发现热量在煤层的传递方式主要为热传导和热对流,注热井和抽采井之间温度变化幅度较大,主要受热对流影响。煤层气产量随着时间的增加,呈现出先增加再降低的趋势,水的日产量随着时间增加而逐渐降低;出现煤层气日产量上升,水日产量下降的交叉现象。煤层初始温度、煤层初始含水饱和度以及煤层初始渗透率越低,煤层气日产量越高,日产量峰值出现的时间越短,产气累积量越高。