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注气驱替深部煤层CH₄实验及驱替后特征痕迹研究

作　者: 王立国
导　师: 程远平
学　校: 中国矿业大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 二氧化碳氮气甲烷驱替实验竞争吸附窑街煤田
分类号: TE377
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

CO₂是温室效应最主要的贡献者，利用深部不可开采煤层封存CO₂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。然而我国煤层的渗透率普遍较低，传统的煤气层开采方法，排放煤层气藏中的水分，降低气藏的压力，促使煤层气解吸出来，这种方法只能回收20～60%的CH₄，还有相当多的煤层气滞留在煤层中。为了实现这部分资源的开采，在增加煤层透气性基础上，开发了气体驱采煤层CH₄技术，但是这种技术还处于探索阶段。本文基于表面化学、渗流力学、有限元数值分析等理论和方法对CO₂驱替深部煤层CH₄动态过程开展了较系统的实验与模拟研究；以及现场连续采取煤样和气样开展在距离注入点不同尺度中的原始煤层中气体组分浓度及碳同位素的变化，煤体的物理化学结构特性演变研究，获得地质时间内煤层条件CO₂封存的煤体-气体结构的演化规律。对窑街煤田海石湾煤样进行了煤对CO₂、CH₄及二元气体吸附解吸实验。煤对CO₂的吸附量明显大于煤对CH₄的吸附量，约1.36～2.1倍，煤样对CO₂/CH₄混合气体的总吸附量介于煤对CO₂和CH₄吸附量之间。随着CO₂比例逐渐越高，煤对混合气体的总的吸附量逐渐增大。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驱替煤层CH₄的重要依据。自主研发了一套考虑地应力条件注气驱替煤层CH₄实验系统，并利用此实验系统开展了不同注气压力（1.5、1.8、2.2MPa），不同应力条件下（14、19MPa）CO₂、N₂驱替煤层CH₄实验研究。结果表明注入0.5个置换体积比后，N₂突破出气口，随着注气压力的升高，突破时间逐渐提前，而且N₂突破出气口后，其浓度缓慢增加。CO₂驱替CH₄实验，驱替效率较高，煤层里的CH₄基本被驱替出来。注入1.4～2.4个置换体积比，CO₂突破出气口，气体突破以后CO₂浓度迅速在90%以上。随着注气压力的增加，CO₂突破时间减小。地应力增加，导致渗透率减小。CO₂在煤体中的渗流速度变缓，CO₂就能充分的跟煤体发生吸附作用，致使CO₂的突破时间明显变缓了，由地应力为14MPa时的1.4个置换体积比到地应力为19MPa时的2.4个置换体积比了。地应力显著影响气体的驱替效果。在物理模拟实验基础上建立了反映二元气体竞争吸附、竞争扩散、气体渗流数学模型。应用COMSOL Multiphysics求解并建立了数值模拟平台，在此数值模拟平台上分别对CO₂、N₂注入煤层后驱替煤层CH₄进行了数值模拟研究。相同的条件下N₂先突破出气口，而CO₂先驱替完煤层中的CH₄。随着注气压力的提高，渗流速度加快，缩短了注气时间。窑街煤田煤层中深部CO₂注入煤层驱替CH₄的这一良好的地质背景为研究提供了独特的视角，采用CO₂吸附和压汞法，进行煤的物理结构分析；同时采用质谱仪与色谱仪进行气体的CO₂的δ13C和气体组分、浓度分析，采用傅里叶红外光谱仪进行煤的化学结构分析。实验室试验及现场试验表明，随着远离CO₂注入点，系列煤样的微孔、介孔及大孔有逐渐减小的趋势。井田东部到西部CO₂浓度逐渐减小，CH₄浓度逐渐增大。系列煤样的红外光谱谱图显示：吸收峰在2800～3000cm-1，2270～2413cm-1，1000～1200cm-1波段吸收峰强度变化较大。高压CO₂甚至超临界CO₂在运移的过程中从煤基质中萃取了部分脂肪烃及矿物质，改变了对应官能团的数量，导致吸收峰强度有所减弱，即化学结构发生改变。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
Extended Abstract  9-22
变量注释表  22-24
1 绪论  24-38
  1.1 选题背景与研究目的  24-26
  1.2 国内外研究现状  26-34
  1.3 存在的问题  34-35
  1.4 主要研究内容及技术路线  35-38
2 煤对 CO_2、CH_4及其二元气体的吸附实验研究  38-54
  2.1 物理吸附基本理论  38-40
  2.2 海石湾煤样的基本物理特性  40-41
  2.3 实验装置及实验方法  41-43
  2.4 吸附等温线特征  43-45
  2.5 游离相组分变化特征  45-47
  2.6 吸附相组分变化特征  47-53
  2.7 本章小结  53-54
3 CO_2、N_2驱替煤层 CH_4实验研究  54-78
  3.1 驱替实验平台的构建  54-59
  3.2 CO_2/N_2驱替 CH_4物理模拟实验  59-72
  3.3 注气驱替煤层甲烷机理探讨  72-77
  3.4 本章小结  77-78
4 注 CO_2（N_2）驱替煤层 CH_4的数值模拟研究  78-99
  4.1 数学模型  78-83
  4.2 有限元及 COMSOL Multiphysics 系统  83-85
  4.3 注气驱替煤层瓦斯的数值模拟  85-97
  4.4 本章小结  97-99
5 壳源 CO_2进入煤层驱替 CH_4煤体-气体特征痕迹研究  99-122
  5.1 地质背景  99-102
  5.2 煤层瓦斯赋存  102-105
  5.3 样品及方法  105-110
  5.4 实验结果及讨论  110-121
  5.5 本章小结  121-122
6 结论、创新点及展望  122-125
  6.1 主要结论  122-124
  6.2 创新点  124
  6.3 工作展望  124-125
参考文献  125-135
作者简历  135-137
学位论文数据集  137

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