注氣驅(qū)替深部煤層CH4實(shí)驗(yàn)及驅(qū)替后特征痕跡研究.pdf

1、CO2是溫室效應(yīng)最主要的貢獻(xiàn)者,利用深部不可開采煤層封存CO2可同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2大規(guī)模減排和增加煤層氣資源產(chǎn)量(CO2-ECBM),具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。然而我?guó)煤層的滲透率普遍較低,傳統(tǒng)的煤氣層開采方法,排放煤層氣藏中的水分,降低氣藏的壓力,促使煤層氣解吸出來(lái),這種方法只能回收20~60％的CH4,還有相當(dāng)多的煤層氣滯留在煤層中。為了實(shí)現(xiàn)這部分資源的開采,在增加煤層透氣性基礎(chǔ)上,開發(fā)了氣體驅(qū)采煤層CH4技術(shù),但是這種技術(shù)還處于探索階段。本

2、文基于表面化學(xué)、滲流力學(xué)、有限元數(shù)值分析等理論和方法對(duì)CO2驅(qū)替深部煤層CH4動(dòng)態(tài)過(guò)程開展了較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與模擬研究;以及現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)采取煤樣和氣樣開展在距離注入點(diǎn)不同尺度中的原始煤層中氣體組分濃度及碳同位素的變化,煤體的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)特性演變研究,獲得地質(zhì)時(shí)間內(nèi)煤層條件CO2封存的煤體-氣體結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。
　　對(duì)窯街煤田海石灣煤樣進(jìn)行了煤對(duì)CO2、CH4及二元?dú)怏w吸附解吸實(shí)驗(yàn)。煤對(duì)CO2的吸附量明顯大于煤對(duì)CH4的吸附量,約1.36~

3、2.1倍,煤樣對(duì)CO2/CH4混合氣體的總吸附量介于煤對(duì)CO2和CH4吸附量之間。隨著CO2比例逐漸越高,煤對(duì)混合氣體的總的吸附量逐漸增大。二元?dú)怏w的游離相和吸附相組分比例關(guān)系,揭示了CO2-CH4二元?dú)怏w解吸時(shí)CH4優(yōu)先解吸,解吸速度由快轉(zhuǎn)慢;而吸附時(shí),CO2會(huì)優(yōu)先吸附,吸附速度由快轉(zhuǎn)慢,上述結(jié)論是煤層中二元?dú)怏w競(jìng)爭(zhēng)吸附和CO2驅(qū)替煤層CH4的重要依據(jù)。
　　自主研發(fā)了一套考慮地應(yīng)力條件注氣驅(qū)替煤層CH4實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并利用此實(shí)驗(yàn)系

4、統(tǒng)開展了不同注氣壓力(1.5、1.8、2.2MPa),不同應(yīng)力條件下(14、19MPa)CO2、N2驅(qū)替煤層CH4實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明注入0.5個(gè)置換體積比后,N2突破出氣口,隨著注氣壓力的升高,突破時(shí)間逐漸提前,而且N2突破出氣口后,其濃度緩慢增加。CO2驅(qū)替CH4實(shí)驗(yàn),驅(qū)替效率較高,煤層里的CH4基本被驅(qū)替出來(lái)。注入1.4~2.4個(gè)置換體積比,CO2突破出氣口,氣體突破以后CO2濃度迅速在90%以上。隨著注氣壓力的增加,CO2突破時(shí)間

5、減小。地應(yīng)力增加,導(dǎo)致滲透率減小。CO2在煤體中的滲流速度變緩,CO2就能充分的跟煤體發(fā)生吸附作用,致使CO2的突破時(shí)間明顯變緩了,由地應(yīng)力為14MPa時(shí)的1.4個(gè)置換體積比到地應(yīng)力為19MPa時(shí)的2.4個(gè)置換體積比了。地應(yīng)力顯著影響氣體的驅(qū)替效果。
　　在物理模擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了反映二元?dú)怏w競(jìng)爭(zhēng)吸附、競(jìng)爭(zhēng)擴(kuò)散、氣體滲流數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用COMSOLMultiphysics求解并建立了數(shù)值模擬平臺(tái),在此數(shù)值模擬平臺(tái)上分別對(duì)CO2、N2

6、注入煤層后驅(qū)替煤層CH4進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。相同的條件下N2先突破出氣口,而CO2先驅(qū)替完煤層中的CH4。隨著注氣壓力的提高,滲流速度加快,縮短了注氣時(shí)間。
　　窯街煤田煤層中深部CO2注入煤層驅(qū)替CH4的這一良好的地質(zhì)背景為研究提供了獨(dú)特的視角,采用CO2吸附和壓汞法,進(jìn)行煤的物理結(jié)構(gòu)分析;同時(shí)采用質(zhì)譜儀與色譜儀進(jìn)行氣體的CO2的δ13C和氣體組分、濃度分析,采用傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,隨