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裂隙煤岩各向异性渗透率模型和煤层注气THM耦合行为

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煤炭学报 2017年第S2期42卷 407-416页

作者：马天然刘卫群 JONNY Rutqvist 张宏学赵晓东中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 劳伦斯伯克利国家实验室地球科学部美国伯克利94720 安徽理工大学理学院安徽淮南232001

co2煤层地质封存可以减少温室气体排放,同时可提高煤层气的采收率。注气开采过程涉及到温度场(T),多相多成分流场(H)和应力场(M)之间的相互耦合。煤层割理裂隙渗透率是影响co2地质封存和煤层气开采率的重要参数。煤岩渗透性的关键性因... 详细信息

co2煤层地质封存可以减少温室气体排放,同时可提高煤层气的采收率。注气开采过程涉及到温度场(T),多相多成分流场(H)和应力场(M)之间的相互耦合。煤层割理裂隙渗透率是影响co2地质封存和煤层气开采率的重要参数。煤岩渗透性的关键性因素裂隙张开度同时受控于法向应力和剪胀效应。考虑基质和割理的共同作用,提出基于组合裂隙三向平板简化的各向异性渗透率模型。在此基础上,建立了注入co2提高煤层气采收率的三维数值模型并利用耦合软件TOUGH-FLAC进行求解。模拟结果表明,气体注进采出的孔压作用会引起煤层膨胀或收缩。与孔压,吸附应力/应变以及温度相比,剪胀对裂隙渗透率的影响不明显。在注采过程中,渗透率表现出明显的各向异性,注入井附近的异向渗透率甚至可达30倍差异。此外,注气初期应适当控压,井口附近的高压损伤将带来不必要的裂隙气体泄漏,导致注气失败。

关键词：各向异性裂隙渗流 CO2-ECBM 温度-流场-应力(THM) TOUGH-FLAC模拟器

注二氧化碳促排煤层瓦斯机制转化过程实验研究

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东北大学学报（自然科学版） 2020年第5期41卷 623-628页

作者：杨天鸿陈立伟杨宏民裴蓓东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000

为了厘清注co2促排煤层瓦斯机制及主导作用,采集了豫西荥巩煤田二煤层构造软煤煤样,利用大尺度煤层注气促排瓦斯模拟实验平台,进行了注co2促排瓦斯实验.实验结果表明:注co2促排煤层瓦斯是一个动态演化过程,结合国内外专家对煤层注气驱... 详细信息

为了厘清注co2促排煤层瓦斯机制及主导作用,采集了豫西荥巩煤田二煤层构造软煤煤样,利用大尺度煤层注气促排瓦斯模拟实验平台,进行了注co2促排瓦斯实验.实验结果表明:注co2促排煤层瓦斯是一个动态演化过程,结合国内外专家对煤层注气驱替瓦斯机理的认识,给出了置换效应和驱替效应定义.以出气口CH 4体积分数的变化规律,将注气过程分为3个阶段对煤层注co2驱替瓦斯机制转化过程进行了研究.在co2突破腔体以前,主要表现为置换效应,注入co2的置换效应占主导地位;co2突破腔体之后,注入的co2一部分与CH 4发生置换吸附,另一部分与CH 4流出腔体,此时置换和驱替效应共存.针对整个实验过程,co2置换效应表现得更为明显,起主导作用.

关键词： CO2-ECBM 促排煤层瓦斯机制时效性驱替效应置换效应

不同温度—压力条件下co2驱替煤体CH4特性研究

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不同温度—压力条件下CO2驱替煤体CH4特性研究

作者：赵海章兰州理工大学

学位级别：硕士

煤层注co驱替瓦斯(co-ecbm)技术能够有效提高瓦斯抽采率,不仅可以预防煤与瓦斯突出事故,还在促进矿井瓦斯资源化开采及工业废气co利用等方面具有重要意义。本文基于煤层注液态co过程中不同驱替半径处驱替介质的温度、压力分布特征,对不... 详细信息

煤层注co驱替瓦斯(co-ecbm)技术能够有效提高瓦斯抽采率,不仅可以预防煤与瓦斯突出事故,还在促进矿井瓦斯资源化开采及工业废气co利用等方面具有重要意义。本文基于煤层注液态co过程中不同驱替半径处驱替介质的温度、压力分布特征,对不同温度-压力参数下的co驱替煤体CH特性进行研究。利用自主搭建的“三轴多相co驱替CH测试平台”,开展了煤体吸附-解吸CH/co实验,研究了室温条件下CH、co的吸附-解吸特性及煤体形变特性;开展了不同温度-压力条件下,co驱替煤体CH模拟实验,分析了不同注气压力、不同温度对co驱替煤体CH过程中的突破时间、驱替浓度、驱替流量、累积驱替量及煤体应变等关键参数的影响;利用理论研究方法,结合实验结果,得到了co驱替煤体CH的机理,确定了温度-压力条件对驱替过程的作用机制,并对co-ecbm过程中注入参数进行优选。主要研究成果如下:孔隙压力与煤体孔隙度呈正相关趋势;煤体对co和CH吸附量大小为co>CH;不同压力下,煤对co的吸附过程符合Langmuir曲线变化规律,煤对CH吸附过程近似为线性关系;吸附-解吸过程中,由于吸附变形及煤体损伤等因素,煤体产生的吸附应变及解吸后残余应变大小规律均为co>CH>He;气体吸附压力越大,吸附应变与残余应变越高,解吸速率也越快。co驱替煤体CH实验中,不同温度-压力条件下CH/co浓度变化规律相似,CH浓度变化经历了快速下降→缓慢下降→平稳状态的变化阶段,co浓度变化规律与此相反;驱替流量先迅速上升至峰值,后缓慢下降并趋于稳定;CH累积驱替量前期快速上升,中期上升速度逐渐变缓,后期逐渐稳定。驱替过程煤体膨胀应变与co浓度密切相关。驱替压力越高(或温度越低)时,co突破时间越短,驱替流量越大,CH累积驱替量越多,煤体膨胀变形越大。低温及较高压力均可有效提升驱替CH的效果。co-ecbm过程机制包括:裂隙驱赶与流场携载效应、孔隙空间浓度梯度扩散置换效应、CH分压降低自解吸效应及孔隙表面二元气体竞争吸附效应。优选co-ecbm施工参数为:初期以4.0 MPa向煤体注入液态co,增强co渗流速度;中期缓慢降低注入压力至3.0 MPa,促进气体扩散;后期继续降低注入压力至2.0 MPa,保证煤体内部CH被持续采出。研究结果对co-ecbm技术应用提供了理论支撑,对于防治煤与瓦斯突出事故的发生具有指导意义。

关键词： CO2-ECBM 吸附-解吸驱替置换机制分析参数优选

鸡西气肥煤结构表征及CH4、co2和H2O分子吸附特性研究

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鸡西气肥煤结构表征及CH4、CO2和H2O分子吸附特性研究

作者：邢迎欢辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

注烟气或co提高煤层气采收率(co-ecbm)技术不仅能提高煤层气产出率,降低煤层瓦斯含量,还能实现co的封存,达到温室气体减排的目的,具有经济和环境双重效益。大部分煤层的裂隙或孔隙中赋存地层水,且烟气中含有10%左右的水蒸气,在研究注烟... 详细信息

注烟气或co提高煤层气采收率(co-ecbm)技术不仅能提高煤层气产出率,降低煤层瓦斯含量,还能实现co的封存,达到温室气体减排的目的,具有经济和环境双重效益。大部分煤层的裂隙或孔隙中赋存地层水,且烟气中含有10%左右的水蒸气,在研究注烟气或co提高煤层气采收率(co-ecbm)技术过程中,水分的影响不可忽略。本文研究了CH、co和HO在煤层中的单组分吸附扩散及多组分竞争吸附的特征规律和微观机理,为煤矿瓦斯防治、煤层气的高效开发和co地质封存提供理论支持。以鸡西气肥煤为研究对象,通过工业/元素分析、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和固体核磁共振碳谱(C-NMR)等表征实验测得鸡西气肥煤的微观结构信息,构建了鸡西气肥煤的大分子结构模型;对气肥煤进行了低温co吸附实验,测得气肥煤的微孔比表面积为106.87m/g,孔隙体积为0.055cm/g。利用探针法测试获得了CH、co和HO分子在气肥煤中的微孔隙结构分布特征,研究表明:分子的半径越小,所能进入的孔隙空间越大。基于巨正则蒙特卡罗(GCMC)和分子动力学(MD)方法,利用Material Studio软件研究了温度在273.15K～313.15K、压力0.01MPa～15MPa时CH、co和HO单组分气体在气肥煤大分子模型中的吸附扩散特征,同时研究了293.15K温度下不同摩尔体积分数的二元(CH/co、co/HO、CH/HO)、三元(CH/co/HO)混合组分的竞争吸附行为。分析压力、温度和摩尔体积对气体吸附量、等量吸附热、相互作用能、能量分布、概率密度分布、扩散系数分布特征的影响。研究表明:鸡西气肥煤对HO分子的饱和吸附量最大,co次之,CH的饱和吸附量最小,CH和co的吸附属物理吸附,而HO分子的吸附超出了物理吸附的范畴。随着温度和压力的升高CH、co和HO均由相互作用能较大的优先吸附位向相互作用能较小的次优先吸附位转移。在多元体系中,气体的摩尔体积分数越大其吸附量越大;多元竞争吸附作用存在,竞争吸附能力由强到弱分别为:HO>co>CH。低压和低摩尔体积分数有利于提高竞争性。弱吸附性气体的等量吸附热受竞争吸附影响出现波动,弱吸附性气体摩尔体积分数越低,波动性越大。该论文有图63幅,表37个,参考文献114篇。

关键词：煤矿瓦斯防治煤大分子模型分子模拟竞争吸附 CO2-ECBM

CO2-ECBM煤层气井气体产出特征的实验研究

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CO2-ECBM煤层气井气体产出特征的实验研究

作者：梁晶晶中国矿业大学

学位级别：硕士

论文以沁水盆地南部寺河、李村、余吾矿区3#煤储层为研究对象,以沁水盆地地质条件与煤储层特征为研究背景与实验条件设计依据,以煤层气井抽采理论与技术为指导,以“co注入与煤层气强化开发实验模拟系统”为实验平台,实验模拟了不同注入... 详细信息

论文以沁水盆地南部寺河、李村、余吾矿区3#煤储层为研究对象,以沁水盆地地质条件与煤储层特征为研究背景与实验条件设计依据,以煤层气井抽采理论与技术为指导,以“co注入与煤层气强化开发实验模拟系统”为实验平台,实验模拟了不同注入压力、围压、温度条件下煤岩渗透率的变化、co-ecbm驱替过程中气体产出特征,并利用coMET3数值模拟软件对实验结果进行反演与论证。实验阐释了不同约束条件下煤岩气测渗透率的变化规律,分析了深部煤储层co-ecbm煤层气产出的关键影响因素与机理,基于coMET3软件平台建立煤层气抽采数学模型,探讨了co-ecbm煤层气井气体产出过程及其关键影响因素,总结了co-ecbm煤层气井气体产出规律。研究取得如下主要认识:(1)研究区煤储层为山西组3#煤层,基于低温液氮、压汞测试实验发现,煤储层孔隙结构以微孔、中孔为主,大孔发育较少。借助三维可视化技术对寺河与余吾煤样孔隙结构进行重构,寺河煤样的煤基质孔隙密度、孔隙网络截面、孔喉连通性特征均优于余吾煤样。在同等吸附与解吸实验条件下,寺河煤样的吸附量与解吸量均大于余吾煤样,孔隙结构差异对后期实验模拟与数值模拟结果影响显著。(2)根据研究区地质概况与煤储层特征,设计以注入压力、围压、温度为变量的煤岩渗透率实验与co驱替N实验。实验结果表明:He气测渗透率大于N与co测试值,注入压力与渗透率、驱替效率呈正相关关系,围压与渗透率、驱替效率呈负相关关系。注入压力增大会导致煤基质内部渗流压力增强,围压增大会导致煤基质内部孔隙结构变形收缩,注入压力、围压变化对渗透率与co驱替效率影响显著。温度上升会造成煤基质受热膨胀,渗透率降低,及气体活性增强,吸附能力下降,解吸能力增强,温度对渗透率与co驱替效率影响微弱。(3)基于实验模拟的规律性认识,利用coMET3模拟软件设计以渗透率0.1-1mD、孔隙度1-5%、储层压力10-12MPa为敏感参数的数值模拟实验,模拟结果显示:在单因素敏感参数的影响下,煤储层在渗透率0.1mD、孔隙度1%、储层压力10MPa条件下达到了co的最佳封存效果与CH的最高采收效率。(4)co-ecbm煤层气井气体产出过程受多因素条件耦合影响,在co-ecbm煤层气井现场工程实践中,应综合考虑选址优化、煤储层自身物性、煤储层赋存条件、气体产出动力学特征、co-ecbm煤层气注采工艺等多方面因素的耦合影响。

关键词：沁南盆地 CO2-ECBM 渗透性驱替效率数值模拟产出特征

铁法矿区DT26井CO2-ECBM数值模拟及经济评价

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煤炭技术 2016年第3期35卷 94-97页

作者：张琨桑树勋刘世奇黄华州贾金龙中国矿业大学资源与地球科学学院煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学低碳能源研究院江苏徐州221008

基于铁法矿区DT26井地质条件及生产实际,采用coMET3数值模拟软件,模拟预测采用注入co2强化CH4开采方法(CO2-ECBM)进行原位煤层气开采的产能,并采用净现值(NPV)评价不同排采制度的经济效益。

关键词： CO2-ECBM 产能预测经济评价

沁水盆地南部高阶煤储层CO2-ECBM流体连续性过程模拟研究

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沁水盆地南部高阶煤储层CO2-ECBM流体连续性过程模拟研究

作者：刘书培中国矿业大学

学位级别：硕士

煤储层微观孔、裂隙结构控制下的煤层气吸附/解吸、扩散、渗流特征,是煤层气高效开发和co-ecbm有效实施的基础。本文以沁水盆地南部3#无烟煤为研究对象,基于高阶煤微观孔裂隙结构发育特征及其连通性,利用自主研发的“co注入与煤层气强... 详细信息

煤储层微观孔、裂隙结构控制下的煤层气吸附/解吸、扩散、渗流特征,是煤层气高效开发和co-ecbm有效实施的基础。本文以沁水盆地南部3#无烟煤为研究对象,基于高阶煤微观孔裂隙结构发育特征及其连通性,利用自主研发的“co注入与煤层气强化开发实验模拟系统”,开展地层条件下,高阶煤储层co注入与CH产出连续性过程的实验模拟研究。基于实验模拟结果,系统分析超临界co注入后气体吸附/解吸—体积应变共同影响的煤储层渗透率变化特征及影响因素,揭示超临界co驱替N过程的流体运移产出特征。综合煤储层孔裂隙连通性和实验模拟结果,探讨煤储层co注入与CH产出流体连续性过程的控制因素及其作用机理。研究取得如下主要认识:(1)研究区煤储层孔裂隙连通性中等,孔隙以中孔为主,大孔发育较少,但发育有相当数量的半封闭孔。煤储层裂隙总体较发育,显微裂隙多发育于镜煤和亮煤中,发育有多种成因类型的显微裂隙。通过煤储层孔裂隙结构的三维可视化重构,在煤储层的纳米孔隙结构尺度进行了孔裂隙连通性分析。提取了测试样品中的孔裂隙结构网络参数,发现孔径小于30nm的中孔对连通性起主要作用、配位数较低、孔喉弯曲程度较大、吼道较短,限制了煤岩总体连通性发育。(2)煤体对不同气体有不同的吸附/解吸、扩散、渗流特性。实验发现:煤样对co的吸附量约是对N的3.15.42倍,对co的吸附膨胀量约是N的3.09.22倍,煤体膨胀/收缩存在各向异性,径向应变约是轴向应变的2倍;渗透率测试值He>N>co;超临界co驱替N时,co的突破时间与驱替效率受到煤储层孔裂隙网络结构连通性制约。实验中注气压力、围压以及温度条件对煤体渗透率、吸附/解吸—体积应变、超临界co驱替N过程均有一定的影响。(3)煤储层结构是控制流体连续性过程的内在因素,多相流体特征以及地层条件等也会对连续性过程产生影响。吸附位理论、吸附势理论、多元气体吸附理论以及分子运动论是分析注入气体吸附/解吸作用的基础;气体的浓度差和压力差是扩散、渗流的基本动力,可以使用Fick扩散、Knudsen扩散、Darcy定律来进行定量分析。

关键词： CO2-ECBM 流体连续性孔裂隙结构网络沁水盆地南部高阶煤

沁水盆地柿庄北区块深部煤层CO2-ECBM数值模拟研究

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沁水盆地柿庄北区块深部煤层CO2-ECBM数值模拟研究

作者：信迪中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

本论文以沁水盆地柿庄北地区3#煤层为研究对象,通过资料调研、样品采集、实验测试明确了煤样的煤岩煤质特征、储层物性特征、气体吸附特征等;使用数值模拟软件,针对目的煤层进行不同条件下的co-ecbm数值模拟,分析了不同条件下进行co-ECB... 详细信息

本论文以沁水盆地柿庄北地区3#煤层为研究对象,通过资料调研、样品采集、实验测试明确了煤样的煤岩煤质特征、储层物性特征、气体吸附特征等;使用数值模拟软件,针对目的煤层进行不同条件下的co-ecbm数值模拟,分析了不同条件下进行co-ecbm的气体产能及co封存效果,对研究区内深部煤层气的开发具有指导意义。自区内及周边三大煤矿(长平煤矿CP、赵庄煤矿ZZ、师庄煤矿SZ)采集相关目的层煤岩样品。煤样均为原生结构煤,工业分析结果显示三块煤样水分含量均极低,样品CP和ZZ为低灰-高固定碳煤,样品SZ则为高灰-低固定碳煤;煤样镜质组含量均在60%以上,不含壳质组,镜质体反射率均达至无烟煤阶段(Ro>2.0%)。低温液氮实验结果表明,三块煤样BJH总孔体积平均0.0061ml/g,BET比表面积平均1.52m/g,以SZ样品最大;低温co吸附实验结果显示,样品CP和ZZ的微孔发育优于样品SZ,同时也证明了微孔对煤储层吸附气容量起着绝对的控制作用;压汞实验表明,三块煤样孔隙度平均5.5%,渗透率均不超过1×10-3μm,属低孔渗储层。利用修正后的Langmuir方程对纯气体吸附实验数据进行处理发现,同一块煤样对CH、co、N吸附能力依次为co>CH>N,而就同一气体而言,样品CP和ZZ因其更多的微孔使得吸附能力高于样品SZ;多元气体吸附-解吸实验结果显示:同一种气体比例条件下,样品CP和ZZ的吸附能力同样高于样品SZ;不同气体比例条件下,混合气体中co含量越高,样品吸附量也相应增大,但解吸等温线相对吸附等温线的滞后现象也愈发明显;同时吸附过程中,游离气中CH的组分浓度相较供应气均表现为先急速的升高其后平稳下降,co组分浓度变化规律与CH相反,而整个解吸过程中CH组分浓度先升高后降低、co浓度先降低后升高;利用原始公式计算得到的co-CH分离因子要高于利用Langmuir参数计算得到的co-CH分离因子,同时原始混合气体中co组分浓度低的对应各自样品的co-CH分离因子更高,相分离图表明混合气体吸附过程中co组分的吸附速度是由快到慢,CH组分的吸附速度先慢后快。利用SIMEDWin软件进行了不同产注井距、不同气体组分条件下的co-ecbm数值模拟,结果表明210m是较经济有效的产注井距;利用N-co混合气体进行N&co-ecbm时,发现N仅会影响气体的采出速率,无法增加CH产能,因而可根据具体的生产要求适当调整注入气中N的比例。

关键词：柿庄北深部煤层 CO2-ECBM 气体吸附解吸数值模拟

co2注入条件对高阶煤储层煤层气驱替效果影响研究

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CO2注入条件对高阶煤储层煤层气驱替效果影响研究

作者：谢红中国矿业大学

学位级别：硕士

我国以沁水盆地为代表的高阶煤煤层气资源丰富,但高阶煤储层低渗透率特点导致传统排水降压方式原位开采煤层气的难度巨大,因此通过向煤储层中注入co提高煤层气采收率是推动盆地内煤层气勘探开发的关键,同时也可实现co煤层地质封存。本... 详细信息

我国以沁水盆地为代表的高阶煤煤层气资源丰富,但高阶煤储层低渗透率特点导致传统排水降压方式原位开采煤层气的难度巨大,因此通过向煤储层中注入co提高煤层气采收率是推动盆地内煤层气勘探开发的关键,同时也可实现co煤层地质封存。本文以沁水盆地南部柿庄南区块及周缘地区为研究区,以区内煤层气勘探开发的主要目的煤层3#煤为研究对象,基于煤层气地质学、煤层气勘探开发、注co提高煤层气采收率(co-ecbm)等理论,采用相关基础理论分析、大通与沁城煤矿井下采样与基础性实验测试、柱状试样co驱煤层气实验模拟、储层地质建模与co-ecbm过程数值模拟等方法,研究了co注入方式、注入压力及其与储层压力关系、注入速率对高阶煤储层中co置换、驱替CH过程的影响。论文研究主要取得了以下认识与成果:(1)大通矿3#煤样R为2.78%,挥发分为10.72%,属光亮型～半亮型贫煤。沁城矿3#煤样R为3.12%,挥发分为7.32%,属光亮型～半亮型无烟煤三号。大通、沁城矿3#煤样孔隙度均较低,分别为4.75%、3.53%,且以有利于气体渗流的中孔、大孔为主,2nm的微孔不发育。大通矿煤样渗透率介于0.0052m D～0.2488m D,平均为0.0075m D,略高于沁城矿的平均渗透率0.0073m D,两者均属于低渗透率煤储层。受煤变质程度影响,沁城煤样co吸附兰氏体积、兰氏压力分别为64.10m/t、1.75MPa,均高于大通煤样的52.63m/t、1.70MPa。(2)当co注入压力随试样N吸附平衡压力升高,且两者压差恒定在1.5MPa～1.6MPa时,大通DT-1、沁城QC-1与QC-2试样模拟实验过程中co总注入量、co存储量、co吸附率、N产出量与驱出率均呈现升高趋势,表明具备以较高压力向深部煤储层中注入co来提高煤层气采收率的理论基础。从不同煤样的对比来看,低孔、低渗的沁城QC-1、QC-2试样实验过程中co总注入量、co存储量、co吸附率、N产出量与驱出率均低于大通DT-1试样,表明高变质程度、低孔隙度、低渗透率高阶煤储层中不利于co对煤层气的置换、驱替。(3)当N吸附平衡压力稳定在3.5MPa,co注入压力由4MPa逐步升高至7MPa时,大通DT-1、沁城QC-1与QC-2试样模拟实验过程中co总注入量、co存储量、co吸附率、N产出量与驱出率均呈现升高趋势,表明注入压升高可显著提升co驱替、置换煤层气效果。从不同煤样的对比来看,低孔、低渗的沁城QC-1、QC-2试样实验过程中尽管co总注入量高,但co存储量、co吸附率、N产出量与驱出率均低于大通DT-1,表明高阶煤储层特征同时影响到co对煤层气的置换、驱替效果。(4)coMET3数值模拟结果表明:co连续式注入条件下煤层气生产井增产效果优于间歇式注入,4.5MPa、6.5MPa注入压力下煤层气生产井5年内的增产效率分别为92%、368%。co注入压力升高、注入速率增大可显著提升煤层气生产井的产气效果,当注入压力由4.5MPa升高至6.5MPa时,煤层气生产井稳定日产气量由600m/d提升至1879m/d。与co连续式高压、高速注入相比,间歇式低压、低速注入更有利于煤储层中co对CH的充分置换,且煤储层具有更大的co封存能力。本论文有图57幅,表23个,参考文献157篇。

关键词：高阶煤 CO2-ECBM 注入条件实验模拟数值模拟