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注热条件下含瓦斯煤体吸附及渗透率模型分析

矿业安全与环保 2015年第1期42卷 73-75,79页

作者：贾泉敏孙海涛江万刚郭恒瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400037

为了分析煤层注热对煤体瓦斯产出的影响效应,需要对注热条件下煤体瓦斯吸附、解吸规律和煤体渗透率变化规律进行研究。基于Langmuir吸附模型和Warren-Root几何模型等假设条件,结合弹性力学和渗流力学理论,建立了煤体瓦斯吸附及渗透模型... 详细信息

为了分析煤层注热对煤体瓦斯产出的影响效应,需要对注热条件下煤体瓦斯吸附、解吸规律和煤体渗透率变化规律进行研究。基于Langmuir吸附模型和Warren-Root几何模型等假设条件,结合弹性力学和渗流力学理论,建立了煤体瓦斯吸附及渗透模型并对其进行了分析,最终得出在注热条件下,温度和水分对煤体瓦斯吸附和渗透率的影响规律,为煤层注热多场耦合模型的分析求解奠定了基础。

关键词：煤体注热吸附渗透率多场耦合

多孔介质中天然气水合物注热+降压开采的实验研究

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实验力学 2011年第2期26卷 202-208页

作者：李淑霞陈月明张卫卫夏晞冉中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266555

为研究注热与降压相结合的开采方式是否更加有利于天然气水合物的开采,在自制的天然气水合物开采模拟实验系统上进行了实验研究。在一维填砂模型中人工生成天然气水合物之后,进行先注热盐水然后再降低压力(注热+降压)的开采模拟实验,分... 详细信息

为研究注热与降压相结合的开采方式是否更加有利于天然气水合物的开采,在自制的天然气水合物开采模拟实验系统上进行了实验研究。在一维填砂模型中人工生成天然气水合物之后,进行先注热盐水然后再降低压力(注热+降压)的开采模拟实验,分析了开采过程中系统温度、电阻率变化规律以及产气量、能量效率等。结果表明:产气规律具有明显的阶段性,各测点的温度、电阻率变化能够很好地反应水合物分解的动态变化过程。通过对不同开采方式下能量效率的对比分析可以看出:单纯注热盐水时能量效率仅为1.80,但将注热盐水与降压相结合时,能量效率可增大到2.88,这说明注热与降压相结合的开采方式可获得更大的能量效率,更有利于水合物的开采。

关键词：天然气水合物注热降压实验

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不同钻孔注热时序下煤层温度场变化规律研究

中国矿业 2024年第3期33卷 187-195页

作者：杨旭太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030024 中煤科工能源科技发展有限公司北京100013

分析评价煤矿井下采用不同的注热时序进行钻孔注热时,煤层温度场的动态演变规律对于优化注热抽采瓦斯工艺及方案、进一步提高煤矿井下注热抽采瓦斯效率具有重要的理论意义。本文基于渗流力学、传热学等理论,建立流热耦合数值计算模型,... 详细信息

分析评价煤矿井下采用不同的注热时序进行钻孔注热时,煤层温度场的动态演变规律对于优化注热抽采瓦斯工艺及方案、进一步提高煤矿井下注热抽采瓦斯效率具有重要的理论意义。本文基于渗流力学、传热学等理论,建立流热耦合数值计算模型,针对单一钻孔间歇注热及相邻钻孔交替注热的两种注热工艺条件下煤层温度场变化规律开展数值模拟研究。研究结果表明:单一钻孔间歇注热过程中,煤层温度场呈现单峰形态。当注热总时长相同时,在钻孔周边一定范围内,间歇注热周期越长,钻孔附近煤体温度的均值越低,温度场非均匀性越弱。相邻钻孔交替注热时,煤层温度场呈现出双峰形态。当注热总时长相同时,在钻孔周边一定范围内,交替注热周期越长,钻孔附近煤体温度的均值越低,温度场非均匀性越弱;在钻孔附近一定范围内,当交替注热周期相同时,钻孔间距越大,煤体温度越高,温度场非均匀性越强。对于不同的注热方式及钻孔布置的煤层加热效率为:单一钻孔间歇注热注热注热。研究结果对于注热开采瓦斯技术优化与效率提升具有重要意义。

关键词：钻孔注热瓦斯抽采温度场传热学

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含湿度效应的煤层注热多物理场耦合模型

煤炭技术 2014年第6期33卷 243-246页

作者：贾泉敏瓦斯灾害监控应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400037

煤层注热是近几年提出的一种新型的瓦斯强化抽采方法,在煤层注热过程中,水蒸气湿度的增加会影响煤层瓦斯的抽采效果。为了了解水蒸气的湿度效应对煤层注热过程的影响,在前人研究成果的基础上,运用传热学、渗流力学、弹性力学等相关理论... 详细信息

煤层注热是近几年提出的一种新型的瓦斯强化抽采方法,在煤层注热过程中,水蒸气湿度的增加会影响煤层瓦斯的抽采效果。为了了解水蒸气的湿度效应对煤层注热过程的影响,在前人研究成果的基础上,运用传热学、渗流力学、弹性力学等相关理论,加入了水蒸气湿度的影响并建立了含湿度效应的煤层注热多物理场耦合模型。模型的建立有助于今后进行数值分析及相关实验室实验。

关键词：湿度注热多场耦合

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含瓦斯煤层注热温度场的数值模拟

西安科技大学学报 2009年第3期29卷 282-286页

作者：杨新乐张永利杨英辽宁工程技术大学机械工程学院辽宁阜新123000 辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽河油田辽宁盘锦124012

为验证煤层气注热开采的合理性,在实验室进行了考虑温度条件下煤层气的解吸渗流实验,实验结果表明,煤体在升温情况下煤层气解吸渗流量增加,注热开采煤层气具有合理性。根据实验结论,建立了含瓦斯煤层注热传热过程的数学模型,利用ANSYS... 详细信息

为验证煤层气注热开采的合理性,在实验室进行了考虑温度条件下煤层气的解吸渗流实验,实验结果表明,煤体在升温情况下煤层气解吸渗流量增加,注热开采煤层气具有合理性。根据实验结论,建立了含瓦斯煤层注热传热过程的数学模型,利用ANSYS软件进行了含瓦斯煤层注热温度场的数值模拟。数值模拟结果表明,注蒸汽后煤层的温度梯度改变,热量在井筒径向具有一定的热扩散位移。在热扩散范围内,煤层气更容易发生脱附解吸,有利于煤层气的产出。

关键词：温度注热渗流数值模拟

泥质粉砂岩水合物储层注热降压联合开采模拟研究

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泥质粉砂岩水合物储层注热降压联合开采模拟研究

作者：高冬至中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

随着世界对能源的需求越来越大,天然气水合物作为储量大、含碳量高的清洁能源成为了热门的研究对象。多国对水合物藏的开发进行了研究和试采,中国也在南海海域进行了试采并取得良好进展,中国南海水合物藏为泥质粉砂岩储层,渗透率低,开... 详细信息

随着世界对能源的需求越来越大,天然气水合物作为储量大、含碳量高的清洁能源成为了热门的研究对象。多国对水合物藏的开发进行了研究和试采,中国也在南海海域进行了试采并取得良好进展,中国南海水合物藏为泥质粉砂岩储层,渗透率低,开采难度大。水合物藏的开发方式中单一的降压法和注热法均存在自身局限性,而注热降压共同作用能否在一定程度上提高开采效果需要深入研究。为探究泥质粉砂岩水合物储层注热降压联合开采的可行性和对储层中水合物的分解效果,本研究设计了天然气水合物一维岩心渗透率测量实验,分析了不同成分岩心在水合物分解过程中渗透率变化规律,并在考虑渗流、传热和水合物相变三物理场耦合关系的基础上引入流体属性变化模型建立数学模型,分析了注热降压联合法分解多孔介质水合物的规律和特点,进而通过模拟双水平井注热降压联合开采泥质粉砂岩水合物藏过程,对注热时机和双水平井相对位置进行分析和优选。实验和数值模拟结果表明,多孔介质渗透率随水合物饱和度下降而增加,且组成多孔介质的颗粒粒径越小渗透率增长越快,而当泥质粉砂岩中的水合物全部分解后,受泥质水化影响,岩心的渗透率较未生成水合物时降低。注热降压联合法下多孔介质水合物分解初期分别存在注热分解前缘和降压分解前缘,其中降压分解主动性较强,在二者接触后多孔介质中开始受到注热降压的联合作用,剩余水合物快速分解,分解前缘由多孔介质中心向边缘推进。降低出口压力和提高注入温度有利于加快水合物分解和提高产气速率并且加快温度和压力变化进程,但出口压力主要影响分解前缘接触速度,而注入温度对整个分解过程的进展均有影响。采用双水平井注热降压联合法开采泥质粉砂岩水合物储层时,同时注热降压提升开采效果并不明显,先采用降压分解,当降压分解前缘接触注热井时再开始注热可以取得更大的开采范围,注热井位于降压井正下方时产出气水比下降较慢但受储层上下边界的限制难以取得最大开采范围,注热井位于降压井斜下方时水合物储层中可以受到注热影响的开采范围更大,更利于提高水合物开采量。

关键词：水合物开采泥质粉砂岩注热数值模拟

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水合物藏注热开采数值模拟及热前缘分析

水合物藏注热开采数值模拟及热前缘分析

作者：靳玉蓉中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

在水合物藏注热开采过程中,同时考虑分解区和水合物区的传热规律对于定量理解水合物分解过程中的传热以及热开采效率评价等有着重要的作用。因此,研究分解前缘的移动规律是有必要的。本文利用CMG-STARS建立了天然气水合物开采数值模型,... 详细信息

在水合物藏注热开采过程中,同时考虑分解区和水合物区的传热规律对于定量理解水合物分解过程中的传热以及热开采效率评价等有着重要的作用。因此,研究分解前缘的移动规律是有必要的。本文利用CMG-STARS建立了天然气水合物开采数值模型,模型中考虑了水合物分解动力学,质量守恒,能量守恒,热传导和热对流。通过与室内实验拟合得到模型关键参数,将建立的数值模型与TOUGH-Fx,Mallik水合物藏开采试验数据进行拟合,拟合效果较好,验证了软件的可靠性。研究结果表明:降压产生的分解前缘移动较慢,注热产生的分解前缘移动速度相对较快,热对流起主导作用,热传导作用较弱。对影响分解前缘移动的因素进行分析,包括地质因素和开采因素。地质因素中敏感性较强的因素为初始水合物饱和度,地层孔隙度,较弱的因素为地层绝对渗透率,岩石导热系数,高饱和度(Sh≥0.6)、高孔低饱和度的水合物藏不适合注热水驱替;对开采因素的分析表明,影响水合物藏分解前缘移动的主要因素是生产井井底压力以及注入热水的温度和时间,相同注热量下注水速率对分解前缘移动的影响较小。针对Mallik天然气水合物藏特征,分别进行了单井降压开采及两口井降压注热联合开采。单独降压开采中,射开层位出现明显的分解前缘;联合开采中,生产层位由上到下,分解前缘移动距离逐渐增大;上部层系水合物藏初始水合物饱和度较低,地层绝对渗透率较大,同时能够得到盖层传导的热量,上部层系水合物分解情况较好,下部层系分解情况相对差一些。

关键词：天然气水合物注热数值模拟分解前缘 Mallik

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低渗透煤层气注热开采及其渗透规律研究

低渗透煤层气注热开采及其渗透规律研究

作者：李志伟太原理工大学

学位级别：硕士

煤层气是近年来崛起的优质洁净新能源,主要以吸附状态储集于煤层中。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的经济效益，是煤... 详细信息

煤层气是近年来崛起的优质洁净新能源,主要以吸附状态储集于煤层中。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的经济效益，是煤层气开采研究中的热点和难点。传统的水力压裂方法在煤层气开发中已初具规模，注气驱替瓦斯方法也已开始兴起，但煤层气产量和经济效益仍未达到理想预期。采用传统的水力压裂方法，在较短时间内是有效的，但随着时间增加，孔裂隙的闭合和渗透率的降低，开采量急剧下降，煤层气并没有完全开采出来，单纯的水力压裂效果已不足以满足工业需求。因此对于煤层气开采技术的改造迫在眉睫，随之提出煤层气注热增产技术。在注热之后，储层内部煤体颗粒随温度的上升膨胀，其内部相互约束，即产生热应力。当热应力大于煤体的极限强度时，发生热破裂现象。与此同时，热破裂现象会影响煤体固体骨架的力学性质以及其渗透率的变化。注热在煤层气开采中是否可以达到增产的效果，温度对于储层的渗透性改进会有多大的影响，都是需要研究的内容。本文以注热，改进煤储层渗透性为研究课题，通过煤层气赋存运移机理研究，低渗透煤岩体渗透特征研究，煤储层注热改造渗透性数值模拟，得出以下结论：（1）根据低渗透煤层的渗流特性及其双重介质结构特征，充分考虑煤体内孔隙和裂隙之间的相互作用，建立含温度效应的双孔渗透率模型，得出适合各自特点的基质孔隙率和裂隙孔隙率的动态变化模型，并得出两者之间的关系。（2）温度作用下煤岩体发生热破裂现象，其产生的裂隙、孔隙扩展延伸规律不同于常规的煤岩体压裂方式。常规的水力压裂，通常是沿煤岩体原有的裂隙延长扩展，虽会形成一些新的裂隙，但其规模有限。与此不同，热破裂能改变岩石的微观结构，既能使得岩体内部原有的裂隙伸长，又能形成大量的新的裂隙，促使其形成裂隙网络，从而实现渗透率的提高。（3）对低渗透煤层注热的热-流-固耦合进行基本的假设，根据公式推导建立低渗透煤岩体的数值模型及其数值解法。（4）根据建立的低渗透煤层气注热开采的数学模型，结合工程背景，进行注高温蒸汽压裂的数值模拟，模拟低渗透煤储层注高温蒸汽压裂过程，给定初始条件和边界条件。模拟结果表明，注热1小时后，煤层的渗透率较原始渗透率提高近10倍左右，继续注蒸汽压裂，压裂7小时左右，低渗透煤储层的渗透率较压裂1小时增大约30%。

关键词：煤层气渗透率注热热破裂高温蒸汽

煤吸附超临界状态甲烷—水蒸气规律及注热增产机理研究

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煤吸附超临界状态甲烷—水蒸气规律及注热增产机理研究

作者：柴琳太原理工大学

学位级别：硕士

注热增产煤层气是时下煤层气增产的有效方法之一。储层条件多数超过甲烷的临界温度和临界压力,所以煤层中的甲烷更多以超临界状态存在。注热增产煤层气时,面临的首要问题是如何置换出吸附态的超临界状态甲烷。当煤层中注入水蒸气时,水... 详细信息

注热增产煤层气是时下煤层气增产的有效方法之一。储层条件多数超过甲烷的临界温度和临界压力,所以煤层中的甲烷更多以超临界状态存在。注热增产煤层气时,面临的首要问题是如何置换出吸附态的超临界状态甲烷。当煤层中注入水蒸气时,水蒸气同样会在煤孔隙裂隙表面上吸附,打破煤吸附超临界状态甲烷的吸附平衡。由于煤层中的超临界甲烷大多以吸附态存在的,所以研究煤吸附超临界状态甲烷吸附模型和水蒸气吸附机理与吸附规律显得尤为重要。本文依据热力学理论分析了吸附过程热量的变化;依据表面物理化学原理分析了不同煤阶煤吸附超临界甲烷和水的吸附特性;依据有机化学知识分析了煤分子结构,并采用密度泛函理论(DFT)模拟计算不同煤阶与甲烷、水的竞争吸附机理,探索注热开采机理。主要结论如下:(1)以超临界状态甲烷为研究对象,分别根据吸附势理论模型和等量吸附热吸附模型,构建了两种由超临界吸附等温方程和任意两组等温吸附实验数据预测计算任意等温度条件下的超临界吸附量的方法。根据27.5℃、50℃下的实测吸附等温线,采用两种计算方法分别计算了40℃下的超临界吸附等温线。计算结果与40℃实测的吸附等温线比较,两种计算方法都与实测结果基本一致,吸附势模型计算过程更简单。(2)根据量子化学密度泛函理论,采用Gaussian软件模拟了褐煤分子、高挥发分烟煤分子、无烟煤分子等不同煤阶煤分子与CH分子之间、水分子之间的吸附机理和注热开采煤层气的增产机理。模拟计算结果表明:(1)不同煤阶的煤分子吸附CH的吸附位点不同,褐煤分子吸附CH最稳定的位点在褐煤分子上方3.9683×10-10m处,吸附能为-20.92k J/mol;高挥发分烟煤分子最稳定吸附位点在于高挥发分烟煤分子上方,六元环侧,分子之间的距离为4.596×10-10m,吸附能为-27.79k J/mol;无烟煤分子吸附最稳定位点在无烟煤分子平面上方4.6107×10-10m处,吸附能为-38.92k J/mol。上述三种煤阶吸附CH的作用范围都在范德华力有效作用范围以内,无论煤阶如何,煤分子与CH之间是物理吸附,且随着变质程度增加,吸附CH的吸附能增加,即煤阶越高,吸附越稳定。(2)当水分子吸附平衡时,HO和褐煤分子、高挥发分烟煤分子和无烟煤分子中的羟基形成氢键。通过Mulliken电荷布局分析,得知煤分子中的羟基为氢键给予体,水分子为氢键受体,由于电荷偏移,导致了煤分子中的羟基键能和水分子中的羟基键能都发生了改变。褐煤分子中含氧官能团种类较多,羧基吸附HO能力最强,此时的吸附结构最稳定。通过比较吸附CH时的和HO时的吸附能,得到不同煤阶煤分子对HO的吸附能力均要强于CH,氢键的作用强于范德华力。(3)当CH、HO同时存在吸附体系中时,HO会抢占CH的吸附位,并且HO与煤分子之间的距离均要比CH近,吸附HO的能力要强于吸附CH。由于水与煤的吸附能大,与煤分子间距离近,HO与CH之间存在竞争吸附,所以注热蒸汽能提高煤层气采出率。(3)为最大限度的置换出吸附态下的超临界甲烷,又不注入过量水蒸气,提高注气效果,根据单组分吸附势模型计算的单组分吸附量和吸附能,再根据多组分N-A吸附模型计算混合气体总吸附量,最后导出了单纯考虑水蒸气和超临界甲烷竞争吸附下最优注热比。该参数对注热工艺设计具有一定指导意义。

关键词：超临界状态吸附注热吸附势理论密度泛函理论最优注热比