煤層中注二氧化碳驅替甲烷的熱流固耦合作用機理研究

《煤層中注二氧化碳驅替甲烷的熱流固耦合作用機理研究》是依託中國礦業大學，由吳宇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：煤層中注二氧化碳驅替甲烷的熱流固耦合作用機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳宇
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

在含氣煤層注入二氧化碳驅替甲烷既能有效減少溫室氣體排放，又能極大地提高煤層氣產出。但是將二氧化碳注入含氣煤層的過程中涉及到煤體變形、氣體流動、氣體吸附、溫度作用等多個物理場的耦合作用。目前國內對該問題的研究處於起步階段，尚有大量基礎理論問題亟待解決。本項目採用實驗研究與理論研究相結合的手段對煤層中注二氧化碳驅替甲烷過程中的關鍵科學問題：①不同煤階煤對二氧化碳和甲烷的非等溫吸附規律；②含氣煤層注入二氧化碳後的裂隙損傷演化規律；③二氧化碳的注入效率和對甲烷的驅替效率等進行深入研究。通過研究建立煤層中注二氧化碳驅替甲烷的熱流固耦合數學模型，並開發可進行定量預測分析的數值工具。項目的研究成果將為在煤層中注二氧化碳驅替甲烷的工程實踐提供重要的理論依據。

結題摘要

在含氣煤層注入二氧化碳驅替甲烷既能有效減少溫室氣體排放，又能極大地提高煤層氣產出。但是將二氧化碳注入含氣煤層的過程中涉及到煤體變形、氣體流動、氣體吸附、溫度作用等多個物理場的耦合作用。目前國內對該問題的研究處於起步階段，尚有大量基礎理論問題亟待解決。本項目採用實驗研究與理論研究相結合的手段對煤層中注二氧化碳驅替甲烷過程中的關鍵科學問題進行深入研究，主要取得以下研究成果。①開展了不同煤階煤對CO2和CH4的吸附特性研究和溫度對煤的吸附特性影響實驗研究，給出吸附參數隨溫度變化規律。將含氣煤體分成包含裂隙系統和孔隙系統的雙重孔隙結構，並根據裂隙和孔隙系統之間的相互作用，建立了等溫條件下CO2注入時在煤層滲透率變化模型。②考慮煤體的變形特徵、氣體滲流特徵和能量運移特徵，建立了含氣煤體熱-流-固耦合變形控制方程、氣體運移控制方程和溫度場擴散方程，聯立得到了CO2注入煤層過程中包含煤的變形特徵、氣體滲流擴散特徵以及煤層溫度變化特徵的流、固、熱耦合數學模型。利用數值軟體對該模型進行了求解，研究了CO2注入煤層過程煤層裂隙發育程度、水平地應力及煤層含水率對CO2注入的影響。③研究了CO2-ECBM過程中的三場耦合效應，建立雙重孔隙介質二元氣體動態滲透率方程；根據CO2-ECBM二元氣體特點以及溫度場效應建立針對CO2-ECBM過程的煤體本構方程與幾何方程和平衡方程聯立得到CO2-ECBM過程煤層變形控制方程；根據流體的質量守恆方程、二元氣體動力彌散方程建立二元氣體運移控制方程；根據能量守恆定律建立二元氣體的溫度場控制方程。聯立得到了CO2驅替CH4的流、固、熱耦合數學模型。④考慮煤的非均質性、滲流與變形的耦合效應、損傷對多物理場參數的影響，建立了煤層中注氣過程中滲流-應力-損傷耦合模型，研究了不同圍壓條件下的氣體注入過程中煤岩破裂機理和裂紋擴展規律，並與同等條件下水力壓裂的效果進行了對比。結果表明：與岩石水力壓裂相比，氣體壓裂產生的裂紋更複雜，分布範圍更廣，岩體的破碎程度更高。⑤針對氣液兩相在裂隙中的滲透特性，自主設計製造了裂隙氣液兩相滲流試驗系統，並進行了氣液兩相穩態和瞬態滲流測試,得到了氣、液兩相相對滲透率與氣體體積分數的關係。項目的研究成果將為在煤層中注二氧化碳驅替甲烷的工程實踐提供重要的理論依據，也可為類似的非常規天然氣開採提供借鑑。