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深部煤层处置CO_2多物理耦合过程的实验与模拟

作　者: 周来
导　师: 冯启言；刘继山
学　校: 中国矿业大学
专　业: 环境科学
关键词: 二氧化碳深部不开采煤层竞争吸附多物理耦合地质处置
分类号: TD711
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

二氧化碳是温室效应最主要的贡献者,利用深部不可开采煤层封存二氧化碳可同时实现CO2大规模减排和增加煤层气资源产量(CO2-ECBM),具有巨大的发展潜力。CO2注入煤层封存会引起CO2-CH4二元气体与煤体之间的多物理耦合作用,对煤储层的孔隙性和渗透性以及气体的流动产生重要影响,是深部不可采煤层封存CO2的瓶颈问题。本文基于表面化学、吸附热力学、渗流力学、有限元数值分析等理论和方法,对深部煤层封存CO2中的多物理过程耦合机制开展了较系统的实验与模拟研究,核心内容如下:(1)利用沁水盆地晋城一组无烟煤煤样进行了跨CO2临界温度(31.4℃)条件下煤对CO2吸附特性的实验及二元气体吸附/解吸实验。跨临界温度吸附时,CO2在煤中的吸附量与温度变化不呈单调递减关系,反映了煤物理吸附和CO2相变综合作用的结果。二元气体吸附和解吸时,解吸曲线表现出“滞留”现象,说明了CO2在吸附造成煤微孔闭合扣留残余气体的机制。分割二元气体的游离相和吸附相组分比例关系,揭示了CO2-CH4二元气体解吸时CH4优先解吸,解吸速度由快转慢;而吸附时,CO2会优先吸附,吸附速度由快转慢,上述结论是煤层中二元气体竞争吸附和CO2封存的重要依据。(2)分别运用Langmuir模型、BET模型、DA模型和DR模型对煤样吸附CO2和CH4的曲线进行了拟合,分析了CO2等温吸附实验中体积误差对实验结果的影响,运用体积修正项对传统的吸附量计算模型进行了修正,并应用修正的DA和Langmuir模型进行了重新拟合,结果表明修正模型的拟合精度大幅提高,同时,体积修正项也定量描述了二氧化碳吸附同时引起的煤体膨胀变形。(3)从煤的吸附热力学角度,利用煤表面自由能和等量吸附热评价了不同温压条件下CO2在煤层中优先吸附性以及CO2与CH4竞争吸附机制。计算了25~40℃温度下煤对CO2和CH4的吸附势,建立了煤吸附CO2和CH4的特征曲线,得到了CO2吸附量、温度、压力三者之间的关系式。(4)建立了一套包含气体竞争吸附、竞争扩散、气体渗流以及煤基块变形的多物理耦合过程的高度非线性数学模型,包含煤层耦合变形方程、适用于变应力边界的新的孔隙率和渗透率方程、二氧化碳和甲烷气体的对流扩散耦合方程以及上述三者的耦合方程。(5)应用COMSOL Multiphysics有限元数值分析系统求解了多物理耦合非线性数学模型,运用最新实验数据验证了模拟结果的正确性,基于COMSOL有限元数值模拟平台,研究了不同储层物性和注气条件下,CO2驱替煤层气与封存过程中的二元气固耦合作用。得出:将CO2注入煤层后,CO2不断驱替CH4;煤层的孔隙压力和渗透率受煤层吸附膨胀变形与孔隙压力变形耦合作用影响,在低压条件下吸附膨胀变形占主导控制地位,而在高压条件下吸附膨胀变形被气体压力变形抵消,后者控制煤层的渗透率;注气压力越大、煤层初始渗透率越大,以及煤弹性模量越小,二氧化碳的可注性越高。(6)基于COMSOL数值平台,对我国沁水盆地CO2驱采煤层气及地质处置中的煤层孔隙压力、二元气体组分以及煤层渗透率的演化特征进行了模拟研究,计算出在沁水盆地300×300m2场地中注气10年后CO2封存量为1.75×104t,注入CO2后可提高CH4产量达1.44倍。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-21
1 前言  21-38
  1.1 选题背景与研究目的  21-23
  1.2 研究现状  23-35
    1.2.1 CO_2 地质处置  23-28
    1.2.2 煤对 CO_2 吸附作用  28-33
    1.2.3 煤吸附气体的热力学特征  33-34
    1.2.4 煤储层气固耦合作用  34-35
  1.3 主要研究内容与技术路线  35-38
    1.3.1 主要研究内容  35-36
    1.3.2 技术路线  36-38
2 深部煤层处置二氧化碳技术的科学问题述评  38-59
  2.1 煤层对二氧化碳的处置潜力  38-41
  2.2 煤储层的储集特性及对二氧化碳处置的关系  41-46
    2.2.1 煤的孔隙率与表面积  41-42
    2.2.2 煤阶、有机煤岩与矿物组成  42-43
    2.2.3 煤层中气体的运移  43-44
    2.2.4 煤中气体的吸附与解吸  44-45
    2.2.5 CO_2 在煤中的热化学作用  45-46
  2.3 煤层处置二氧化碳及 CO_2-ECBM 现场实施方法  46-53
    2.3.1 煤层气驱采技术以及 CO_2-ECBM 过程  46-48
    2.3.2 CO_2 可注性的评价方法  48
    2.3.3 CO_2 处置煤储层的圈闭标准  48-50
    2.3.4 煤层处置 CO_2 /CO_2-ECBM 实例  50-53
  2.4 煤层处置二氧化碳泄漏监测技术  53-55
    2.4.1 概述  53
    2.4.2 二氧化碳泄漏的压力监测技术  53
    2.4.3 土壤中CO_2以及 CH4监测技术  53-54
    2.4.4 二氧化碳泄漏的示踪剂监测技术  54
    2.4.5 二氧化碳泄漏的示踪剂监测技术地球物理监测技术  54-55
  2.5 煤层处置二氧化碳的环境与健康风险问题  55-56
    2.5.1 逃逸 CO_2 威胁生态环境  55-56
    2.5.2 水资源污染  56
    2.5.3 地表变形和地震  56
  2.6 煤层处置二氧化碳经济性评价  56-57
  2.7 本章小结  57-59
3 煤对 CO_2及 CH_4二元气体竞争吸附机制实验研究  59-106
  3.1 煤表面化学特性与物理吸附基本理论  59-61
    3.1.1 煤吸附性与物理吸附作用  59-60
    3.1.2 等温吸附曲线  60-61
  3.2 气体等温吸附实验方法  61-65
    3.2.1 实验煤样  61-63
    3.2.2 等温吸附实验方法  63-65
  3.3 煤对气体吸附解吸特性实验结果与讨论  65-75
    3.3.1 不同实验条件下煤对气体的 Gibbs 吸附特性  65-72
    3.3.2 二元气体吸附解吸特征  72-75
  3.4 CO吸附预测量的修正计算  75-87
    3.4.1 气体吸附量预测模型  75-79
    3.4.2 气体吸附量预测结果  79-83
    3.4.3 CO_2 吸附量修正计算与结果讨论  83-87
  3.5 CO_2-CH_4等温解吸过程组分变化特性  87-98
    3.5.1 二元气体解吸过程中的气相组分变化特征  87-93
    3.5.2 二元气体解吸过程中的相组分分割变化特征  93-98
  3.6 注气条件下 CO_2-CH_4竞争吸附解吸特性  98-105
    3.6.1 注气条件下吸附/解吸实验方法  98
    3.6.2 注气后二氧化碳与甲烷竞争吸附特征  98-103
    3.6.3 不同实验条件下气体解吸率与CO_2驱气效率比较  103-105
  3.7 本章小结  105-106
4 煤吸附 CO_2和 CH_4的热力学特征  106-120
  4.1 煤的表面自由能变化特征  106-111
    4.1.1 煤的表面自由能  106-107
    4.1.2 表面自由能计算方法  107-108
    4.1.3 煤吸附甲烷和二氧化碳的表面自由能变化特征  108-111
  4.2 煤对二氧化碳及甲烷的等量吸附热  111-115
    4.2.1 等量吸附热概念及其计算方法  111
    4.2.2 煤吸附二氧化碳和甲烷的等量吸附线  111-113
    4.2.3 煤对二氧化碳及甲烷的等量吸附热比较  113-115
  4.3 煤吸附二氧化碳及甲烷的特征曲线  115-118
    4.3.1 特征曲线的概念与绘制方法  115-116
    4.3.2 煤吸附二氧化碳及甲烷的特征曲线及应用价值  116-118
  4.4 本章小结  118-120
5 深部煤层处置 CO_2的二元气体-煤体耦合作用模型  120-140
  5.1 煤层双重孔隙结构  120-121
  5.2 煤层中气体赋存与运移的多物理过程  121-123
  5.3 基本假设  123-124
  5.4 基本理论与控制方程  124-131
    5.4.1 连续介质场  124-127
    5.4.2 理想气体方程变换式  127
    5.4.3 煤岩多孔介质的渗流定律与控制方程  127-128
    5.4.4 煤体内的动力弥散定律与控制方程  128-129
    5.4.5 多孔弹性介质的本构方程  129-131
  5.5 二氧化碳在煤层中处置的多物理耦合模型  131-137
    5.5.1 煤层变形耦合方程  132-133
    5.5.2 煤层孔隙率与渗透率方程  133-135
    5.5.3 二元气体的对流扩散耦合方程  135-137
  5.6 数学模型定解条件  137-138
    5.6.1 边界条件  138
    5.6.2 初始条件  138
  5.7 本章小结  138-140
6 煤层处置 CO_2的气固耦合过程数值模拟及实例研究  140-176
  6.1 有限单元方法与 COMSOL Multiphysics 系统  140-144
    6.1.1 有限单元方法  140-141
    6.1.2 COMSOL Multiphysics 系统  141-144
  6.2 二氧化碳注气驱替模拟实验与数值模拟  144-150
    6.2.1 模拟实验  144-146
    6.2.2 有限元模型构建  146-147
    6.2.3 模拟参数筛选  147-148
    6.2.4 数值模拟结果与解释  148-150
  6.3 煤层处置二氧化碳多物理场耦合模拟应用  150-159
    6.3.1 多物理场模型构建  150
    6.3.2 数值模拟方案设计  150-151
    6.3.3 煤层中二元气-固耦合机制  151-154
    6.3.4 二氧化碳可注性评价  154-159
  6.4 沁水盆地处置二氧化碳模拟研究  159-175
    6.4.1 沁水盆地煤层处置二氧化碳数值模型  159-161
    6.4.2 煤层压力时空变化特征  161-166
    6.4.3 气体组分时空变化特征  166-168
    6.4.4 煤层渗透率演化规律  168-173
    6.4.5 注气条件下 CO_2 封存量以及煤层气产量预测  173-175
  6.5 本章小结  175-176
7 结论与展望  176-180
  7.1 结论  176-178
  7.2 创新点  178-179
  7.3 展望  179-180
参考文献  180-194
作者简历  194-197
学位论文数据集  197

深部煤层处置CO_2多物理耦合过程的实验与模拟

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