液态二氧化碳在煤层内流动过程数值模拟及增透作用研究

【摘要】：煤层气作为一种绿色清洁能源,在我国储量巨大。开发利用煤层气可以优化我国的能源结构。但我国煤层气多储存于渗透性较低的煤层中,抽采困难,研究提高煤层渗透率的技术方法成为关键。近年来,我国碳减排压力越来越大,同时煤层对二氧化碳的吸附能力强于瓦斯,因此用液态二氧化碳致裂煤层,不仅可以提高煤层渗透率,同时还能将二氧化碳封存于地下,降低减排压力,减缓温室效应。从多个角度分析,液态二氧化碳致裂煤层驱替瓦斯的研究都具有重要意义。本文以煤的物化特性和煤层中气体的运移机理为基础,利用自主研发的实验平台,研究了不同注气压力、不同环境背压下煤体渗透率的变化规律,并进行了二氧化碳流动驱替瓦斯过程的热-流-固多场耦合数值模拟,获得了二氧化碳和瓦斯压力、温度及煤层渗透率等参数的时空演变规律。本文主要结论如下:(1)注入压力增大,煤样的渗透率也随之增大。液态二氧化碳对煤样的增透效果较明显,能有效提高煤样透气性。随着环境背压的增大,煤样的渗透率逐渐减小,但其减小的速率也越来越缓慢。(2)煤的渗透率实验中存在Klinbenberg效应,在低注气压力的条件下,煤样的渗透率会随注气压力的增加而减小,达到一定程度后再随压力增加而增大,这主要是由于气体分子和煤中部分微小孔隙间会出现滑脱现象。(3)整个流动过程中,裂隙在初期起到主导作用,压力传递基本与裂隙网络向吻合。当二氧化碳充满裂隙后,煤孔隙起主导作用,压力开始向四周扩散。(4)注气后裂隙中的游离态瓦斯迅速被二氧化碳驱替。而在孔隙中二氧化碳和瓦斯的驱替过程缓慢,二者的吸附解析存在分压效应,符合朗格缪尔吸附方程,与实际情况相符。(5)由于裂隙分布的不均匀,导致不同的煤层区域的瓦斯驱替效果也大有不同。裂隙分布较多的区域上随着二氧化碳注入时间的增长,瓦斯压力下降明显。裂隙分布较少的区域,瓦斯驱替较困难,所需时间更长。(6)流动过程的温度传递初期以裂隙传递为主,对流换热作为主导,传热中后期以基质传热为主,热传导及热辐射作为主导。裂隙对温度场影响不大。由于二氧化碳和煤的比热容差距较大,所以温度的影响很难传递到整个煤层。(7)在整个流动驱替过程中,对基质渗透率的各影响因素里二氧化碳的压力占主要影响。