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低渗透煤层注入超临界CO_2增透规律研究

谈健  
【摘要】:我国绝大多数高瓦斯和突出矿井煤层均属于低渗透煤层,提高煤层的渗透性,绿色环保的开发天然气,成为了学术研究的热点之一。煤具有典型的双重介质结构特征,利用超临界CO_2的零表面张力、低粘度、强扩散和强溶解等特性提高多孔介质渗透性,对低渗透煤层煤样注入超临界CO_2的流动规律进行试验研究,并通过数值模拟进一步研究超临界CO_2注入煤层过程中,煤体内部裂纹动态扩展以及应力场、渗流场和温度场耦合规律,取得如下主要结论: (1)利用自制型煤,通过控制煤样渗透率随温度、孔隙压力和有效体积应力的正交变化,完成了CO_2由非超临界到超临界状态变化的增透试验,揭示出煤样渗透率和渗透系数变化规律,归纳出CO_2密度和动力粘度随温度和压力的经验公式; (2)通过对型煤在超临界CO_2作用前后的宏观变化特征,以及其截面CT扫描后细观变化规律的分析,说明超临界CO_2注入煤样后,大大促进了煤样内部的孔隙裂隙发育,超临界CO_2对提高煤层渗流性具有良好的效果; (3)利用COHESIVE单元模拟煤层面割理系统,实施裂纹面固定点监测,揭示了CO_2压裂过程中裂纹面孔隙压力、裂纹张开度,以及煤层位移动态分布规律; (4)建立了煤层裂隙系统渗透率变化模型,同时根据超临界CO_2在煤层中运移、吸附特征建立包含了煤的变形、气体渗流和气体吸附的热流固三场耦合双重介质的数学模型; (5)通过对试验煤样截面进行数字图像处理,统计分析煤样割理系统,揭示割理分布规律,生成具有随机裂隙的煤层模型,同时依据型煤注入超临界CO_2增透试验所得渗透率和渗透系数的演化规律,以及CO_2随压力和温度的密度和动力粘度的变化规律进行流体本构模型的二次开发,实现了超临界CO_2作用下随机裂隙煤层致裂增透的热流固三场耦合模拟分析,揭示了注气过程中,煤层内部孔隙压力、渗透系数、有效体积应力以及温度等变量的变化规律。


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