水—熱耦合作用下煤體瓦斯的吸附解吸機理研究
發(fā)布時間：2021-09-19 00:01
煤層氣的高效和安全開采,既可以防治礦井瓦斯災害的發(fā)生,又可以提高能源的利用效率。針對采用過熱水或過熱水蒸氣,加熱煤層開采煤層氣的施工方案和工藝,本文進行了較小煤試樣的細觀滲流試驗研究、不同溫度和水壓作用下大尺寸煤試樣對瓦斯的吸附解吸試驗研究、毛細管中水和甲烷的運移機理研究以及相應的數(shù)值模擬研究。對既定方案所涉及到的水-熱耦合作用下煤體瓦斯的吸附解吸機理,進行了較系統(tǒng)的研究,主要得到以下結論：1)成功研制用于固體—氣、液二相流體滲流的細觀試驗裝置,可以進行煤在顯微CT觀測下的吸附甲烷和高壓注水試驗,及其相應的觀測和分析。通過對2mmx2.5mmx10mm的煤試樣進行CT觀測后得出,煤試樣吸附甲烷后,相同區(qū)域、相同閡值的孔隙率下降約3%,但是隨著吸附壓力的進一步增加,孔隙率下降的趨勢不明顯。煤試樣在高壓注水后,相同區(qū)域、相同閾值的孔隙率下降約4%,但是隨著注水壓力的進一步增加,孔隙率下降的趨勢不明顯,并且卸載水壓后,孔隙率仍會呈現(xiàn)微量的降低。2)采用自主研制的吸附—注水—解吸成套試驗系統(tǒng),進行了原位取芯得到的含瓦斯煤樣在高壓注水后的恒溫（20℃）解吸特性試驗,結果表明：含瓦斯煤樣未注水時的...
【文章來源】：太原理工大學山西省 211工程院校
【文章頁數(shù)】：171 頁
【學位級別】：博士
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
目錄
第一章 緒論
1.1. 引言
1.2. 國內外研究現(xiàn)狀
1.2.1. 煤層氣的資源分布及開采現(xiàn)狀
1.2.2. 煤中水與甲烷相互作用的研究現(xiàn)狀
1.2.3. 水對煤層氣開采影響的研究現(xiàn)狀
1.2.4. 高溫吸附解吸規(guī)律的研究現(xiàn)狀
1.3. 目前研究主要存在的不足
1.4. 本文的研究內容
第二章 煤中氣、液滲流現(xiàn)象的初步細觀試驗研究
2.1. 試驗系統(tǒng)和過程
2.2. 顯微CT觀測的煤吸附甲烷的特性
2.2.1. 不同吸附壓力下的平面CT圖像分析
2.2.2. 不同吸附壓力下的三維CT圖像分析
2.3. 顯微CT觀測的含甲烷煤在高壓注水后的特性
2.3.1. 不同注水壓力下的平面CT圖像分析
2.3.2. 不同注水壓力下的三維CT圖像分析
2.4. 本章小結
第三章 含瓦斯煤樣在高壓注水后的恒溫解吸特性試驗研究
3.1. 試驗系統(tǒng)
3.1.1. 試驗系統(tǒng)的研制
3.1.2. 試樣介紹
3.2. 試驗過程
3.2.1. 吸附—注水—解吸試驗過程
3.2.2. 測定孔隙結構的壓汞實驗過程
3.3. 試驗結果與分析
3.3.1. 壓汞法測定的孔隙分布結果
3.3.2. 吸附—注水—解吸試驗結果
3.3.3. 試驗結果分析
3.4. 結合孔隙結構對解吸的分析和討論
3.4.1. 水對煤體瓦斯解吸影響的討論
3.4.2. 臨界孔隙尺度的確定
3.4.3. 解吸能力與水進入煤樣的最小孔徑的關系
3.5. 本章小結
第四章 含瓦斯煤樣在高壓注水后的升溫解吸和恒溫吸附特性試驗研究
4.1. 升溫解吸試驗系統(tǒng)和試驗過程
4.1.1. 試驗系統(tǒng)
4.1.2. 吸附試驗過程
4.1.3. 注水和解吸試驗過程
4.2. 升溫解吸試驗結果與分析
4.2.1. 試驗數(shù)據(jù)
4.2.2. 全試驗過程各溫度段的解吸隨時間的變化
4.2.3. 試樣累計解吸率隨溫度的變化
4.2.4. 溫度對煤自然解吸規(guī)律的影響
4.2.5. 含瓦斯煤樣注水解吸受溫度的影響規(guī)律
4.3. 恒溫吸附試驗系統(tǒng)和試驗過程
4.3.1. 試驗系統(tǒng)
4.3.2. 試驗過程
4.4. 恒溫吸附試驗結果與分析
4.4.1. 試驗結果
4.4.2. 煤樣吸附速率分析
4.4.3. 等初始吸附壓力下的吸附量分析
4.4.4. 預先水作用的煤體吸附性討論
4.4.5. 煤體預先含水吸附的微觀機理研究
4.5. 本章小結
第五章 原煤對瓦斯的高溫吸附—解吸特性試驗研究
5.1. 試驗系統(tǒng)的研制
5.2. 試驗過程與試樣
5.2.1. 試樣的選取和加工
5.2.2. 試驗過程
5.3. 試驗結果與分析
5.3.1. 解吸試驗結果
5.3.2. 定壓、定容解吸結果分析
5.3.3. 定容、定壓吸附結果分析
5.3.4. 等溫吸附特性分析
5.4. 結合吸附理論對結果的分析討論
5.4.1. 吸附模型的確定
5.4.2. 吸附參數(shù)a、b的分析和討論
5.4.3. 溫度單一因素對吸附參數(shù)a、b的影響
5.5. 本章小結
第六章 煤中氣、液耦合流動的機理和細觀數(shù)值模擬研究
6.1. 煤中氣、液耦合流動機理研究
6.1.1. 水進入到煤中孔隙的孔徑臨界值
6.1.2. 溫度作用下的水—氣流動的相變規(guī)律
6.2. 溫度作用下煤中甲烷—水的耦合流動數(shù)學模型
6.2.1. 煤孔隙裂隙中甲烷賦存和流動的基本方程
6.2.2. 煤中水滲流的微分方程
6.2.3. 耦合數(shù)學模型的建立
6.3. 模型的簡化和數(shù)值模擬方案
6.3.1. 模型的簡化
6.3.2. 數(shù)值模擬方案
6.4. 恒溫(30℃)下氣、液流動規(guī)律的數(shù)值試驗結果
6.4.1. 薄板模型試驗結果
6.4.2. 立方模型試驗結果
6.5. 升溫(30～270℃)作用下氣、液流動規(guī)律的數(shù)值試驗結果
6.5.1. 薄板模型試驗結果
6.5.2. 立方模型試驗結果
6.6. 本章小結
第七章 結論與展望
7.1. 主要結論
7.2. 研究展望
參考文獻
致謝
攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文
攻讀博士學位期間主持和參加的科研項目
博士學位論文獨創(chuàng)性說明
【參考文獻】：
期刊論文
[1]The solution and exsolution characteristics of natural gas components in water at high temperature and pressure and their geological meaning[J]. Gao Gang 1 , Huang Zhilong 1 , Huang Baojia 2 , Yuan Jian 3 and Tong Chuanxin 2 1 State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China 2 Exploration and Development Research Institute, CNOOC, Zhanjiang, Guangdong 524057, China 3 Chuanxi Production Factory, Southwest Oil and Gas Field Branch, SINOPEC, Deyang, Sichuan 618000, China. Petroleum Science. 2012(01)
[2]結合孔隙結構分析注水對煤體瓦斯解吸的影響[J]. 趙東,趙陽升,馮增朝. 巖石力學與工程學報. 2011(04)
[3]高壓注水對煤體瓦斯解吸特性影響的試驗研究[J]. 趙東,馮增朝,趙陽升. 巖石力學與工程學報. 2011(03)
[4]水分對陽泉3號煤層瓦斯解吸速度影響的實驗研究[J]. 王兆豐,李曉華,戚靈靈,孫銳,劉喜慶. 煤礦安全. 2010(07)
[5]煤層注水抑制瓦斯涌出機理研究[J]. 郭紅玉,蘇現(xiàn)波. 煤炭學報. 2010(06)
[6]煤層瓦斯解吸影響因素的試驗研究[J]. 趙東,馮增朝,趙陽升. 煤炭科學技術. 2010(05)
[7]煤層注水防治煤與瓦斯突出機理的研究現(xiàn)狀與進展[J]. 肖知國,王兆豐. 中國安全科學學報. 2009(10)
[8]塊煤含水率對其吸附性影響的試驗研究[J]. 馮增朝,趙東,趙陽升. 巖石力學與工程學報. 2009(S2)
[9]煤與瓦斯突出模擬試驗研究[J]. 尹光志,趙洪寶,許江,王維忠. 巖石力學與工程學報. 2009(08)
[10]氣肥煤與焦煤的孔隙分布規(guī)律及其吸附–解吸特征[J]. 劉高峰,張子戌,張小東,呂閏生. 巖石力學與工程學報. 2009(08)
博士論文
[1]空化水射流聲震效應促進煤層瓦斯解吸滲流機理研究[D]. 周東平.重慶大學 2010
[2]低滲透煤層煤層氣注熱增產機理的研究[D]. 楊新樂.遼寧工程技術大學 2009
[3]滑脫效應影響的低滲透儲層煤層氣運移規(guī)律研究[D]. 肖曉春.遼寧工程技術大學 2009
[4]油頁巖熱解特性及原位注熱開采油氣的模擬研究[D]. 康志勤.太原理工大學 2008
[5]煤層氣吸附解吸機理研究[D]. 馬東民.西安科技大學 2008
[6]孔隙裂隙雙重介質逾滲理論及應用研究[D]. 呂兆興.太原理工大學 2008
[7]煤層水壓致裂理論及應用研究[D]. 杜春志.中國礦業(yè)大學 2008
[8]聲震法提高煤層氣抽采率的機理及技術原理研究[D]. 易俊.重慶大學 2007
[9]低滲透煤層瓦斯抽放理論與應用研究[D]. 馮增朝.太原理工大學 2005
[10]裂縫中氣液二相流體臨界滲流機理與理論研究[D]. 楊棟.太原理工大學 2005
碩士論文
[1]非均質多孔介質的逾滲—滲流特征[D]. 王江芳.太原理工大學 2011
[2]有效應力規(guī)律的細觀機理的數(shù)值實驗研究[D]. 吳海.太原理工大學 2003
[3]巖體裂縫面數(shù)量三維分形分布規(guī)律研究與仿真理論[D]. 文再明.太原理工大學 2003
[4]高溫巖體地熱開發(fā)的固流熱多場耦合與數(shù)值仿真[D]. 王瑞鳳.太原理工大學 2002
本文編號：3400591
【文章來源】：太原理工大學山西省 211工程院校
【文章頁數(shù)】：171 頁
【學位級別】：博士
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
目錄
第一章 緒論
1.1. 引言
1.2. 國內外研究現(xiàn)狀
1.2.1. 煤層氣的資源分布及開采現(xiàn)狀
1.2.2. 煤中水與甲烷相互作用的研究現(xiàn)狀
1.2.3. 水對煤層氣開采影響的研究現(xiàn)狀
1.2.4. 高溫吸附解吸規(guī)律的研究現(xiàn)狀
1.3. 目前研究主要存在的不足
1.4. 本文的研究內容
第二章 煤中氣、液滲流現(xiàn)象的初步細觀試驗研究
2.1. 試驗系統(tǒng)和過程
2.2. 顯微CT觀測的煤吸附甲烷的特性
2.2.1. 不同吸附壓力下的平面CT圖像分析
2.2.2. 不同吸附壓力下的三維CT圖像分析
2.3. 顯微CT觀測的含甲烷煤在高壓注水后的特性
2.3.1. 不同注水壓力下的平面CT圖像分析
2.3.2. 不同注水壓力下的三維CT圖像分析
2.4. 本章小結
第三章 含瓦斯煤樣在高壓注水后的恒溫解吸特性試驗研究
3.1. 試驗系統(tǒng)
3.1.1. 試驗系統(tǒng)的研制
3.1.2. 試樣介紹
3.2. 試驗過程
3.2.1. 吸附—注水—解吸試驗過程
3.2.2. 測定孔隙結構的壓汞實驗過程
3.3. 試驗結果與分析
3.3.1. 壓汞法測定的孔隙分布結果
3.3.2. 吸附—注水—解吸試驗結果
3.3.3. 試驗結果分析
3.4. 結合孔隙結構對解吸的分析和討論
3.4.1. 水對煤體瓦斯解吸影響的討論
3.4.2. 臨界孔隙尺度的確定
3.4.3. 解吸能力與水進入煤樣的最小孔徑的關系
3.5. 本章小結
第四章 含瓦斯煤樣在高壓注水后的升溫解吸和恒溫吸附特性試驗研究
4.1. 升溫解吸試驗系統(tǒng)和試驗過程
4.1.1. 試驗系統(tǒng)
4.1.2. 吸附試驗過程
4.1.3. 注水和解吸試驗過程
4.2. 升溫解吸試驗結果與分析
4.2.1. 試驗數(shù)據(jù)
4.2.2. 全試驗過程各溫度段的解吸隨時間的變化
4.2.3. 試樣累計解吸率隨溫度的變化
4.2.4. 溫度對煤自然解吸規(guī)律的影響
4.2.5. 含瓦斯煤樣注水解吸受溫度的影響規(guī)律
4.3. 恒溫吸附試驗系統(tǒng)和試驗過程
4.3.1. 試驗系統(tǒng)
4.3.2. 試驗過程
4.4. 恒溫吸附試驗結果與分析
4.4.1. 試驗結果
4.4.2. 煤樣吸附速率分析
4.4.3. 等初始吸附壓力下的吸附量分析
4.4.4. 預先水作用的煤體吸附性討論
4.4.5. 煤體預先含水吸附的微觀機理研究
4.5. 本章小結
第五章 原煤對瓦斯的高溫吸附—解吸特性試驗研究
5.1. 試驗系統(tǒng)的研制
5.2. 試驗過程與試樣
5.2.1. 試樣的選取和加工
5.2.2. 試驗過程
5.3. 試驗結果與分析
5.3.1. 解吸試驗結果
5.3.2. 定壓、定容解吸結果分析
5.3.3. 定容、定壓吸附結果分析
5.3.4. 等溫吸附特性分析
5.4. 結合吸附理論對結果的分析討論
5.4.1. 吸附模型的確定
5.4.2. 吸附參數(shù)a、b的分析和討論
5.4.3. 溫度單一因素對吸附參數(shù)a、b的影響
5.5. 本章小結
第六章 煤中氣、液耦合流動的機理和細觀數(shù)值模擬研究
6.1. 煤中氣、液耦合流動機理研究
6.1.1. 水進入到煤中孔隙的孔徑臨界值
6.1.2. 溫度作用下的水—氣流動的相變規(guī)律
6.2. 溫度作用下煤中甲烷—水的耦合流動數(shù)學模型
6.2.1. 煤孔隙裂隙中甲烷賦存和流動的基本方程
6.2.2. 煤中水滲流的微分方程
6.2.3. 耦合數(shù)學模型的建立
6.3. 模型的簡化和數(shù)值模擬方案
6.3.1. 模型的簡化
6.3.2. 數(shù)值模擬方案
6.4. 恒溫(30℃)下氣、液流動規(guī)律的數(shù)值試驗結果
6.4.1. 薄板模型試驗結果
6.4.2. 立方模型試驗結果
6.5. 升溫(30～270℃)作用下氣、液流動規(guī)律的數(shù)值試驗結果
6.5.1. 薄板模型試驗結果
6.5.2. 立方模型試驗結果
6.6. 本章小結
第七章 結論與展望
7.1. 主要結論
7.2. 研究展望
參考文獻
致謝
攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文
攻讀博士學位期間主持和參加的科研項目
博士學位論文獨創(chuàng)性說明
【參考文獻】：
期刊論文
[1]The solution and exsolution characteristics of natural gas components in water at high temperature and pressure and their geological meaning[J]. Gao Gang 1 , Huang Zhilong 1 , Huang Baojia 2 , Yuan Jian 3 and Tong Chuanxin 2 1 State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China 2 Exploration and Development Research Institute, CNOOC, Zhanjiang, Guangdong 524057, China 3 Chuanxi Production Factory, Southwest Oil and Gas Field Branch, SINOPEC, Deyang, Sichuan 618000, China. Petroleum Science. 2012(01)
[2]結合孔隙結構分析注水對煤體瓦斯解吸的影響[J]. 趙東,趙陽升,馮增朝. 巖石力學與工程學報. 2011(04)
[3]高壓注水對煤體瓦斯解吸特性影響的試驗研究[J]. 趙東,馮增朝,趙陽升. 巖石力學與工程學報. 2011(03)
[4]水分對陽泉3號煤層瓦斯解吸速度影響的實驗研究[J]. 王兆豐,李曉華,戚靈靈,孫銳,劉喜慶. 煤礦安全. 2010(07)
[5]煤層注水抑制瓦斯涌出機理研究[J]. 郭紅玉,蘇現(xiàn)波. 煤炭學報. 2010(06)
[6]煤層瓦斯解吸影響因素的試驗研究[J]. 趙東,馮增朝,趙陽升. 煤炭科學技術. 2010(05)
[7]煤層注水防治煤與瓦斯突出機理的研究現(xiàn)狀與進展[J]. 肖知國,王兆豐. 中國安全科學學報. 2009(10)
[8]塊煤含水率對其吸附性影響的試驗研究[J]. 馮增朝,趙東,趙陽升. 巖石力學與工程學報. 2009(S2)
[9]煤與瓦斯突出模擬試驗研究[J]. 尹光志,趙洪寶,許江,王維忠. 巖石力學與工程學報. 2009(08)
[10]氣肥煤與焦煤的孔隙分布規(guī)律及其吸附–解吸特征[J]. 劉高峰,張子戌,張小東,呂閏生. 巖石力學與工程學報. 2009(08)
博士論文
[1]空化水射流聲震效應促進煤層瓦斯解吸滲流機理研究[D]. 周東平.重慶大學 2010
[2]低滲透煤層煤層氣注熱增產機理的研究[D]. 楊新樂.遼寧工程技術大學 2009
[3]滑脫效應影響的低滲透儲層煤層氣運移規(guī)律研究[D]. 肖曉春.遼寧工程技術大學 2009
[4]油頁巖熱解特性及原位注熱開采油氣的模擬研究[D]. 康志勤.太原理工大學 2008
[5]煤層氣吸附解吸機理研究[D]. 馬東民.西安科技大學 2008
[6]孔隙裂隙雙重介質逾滲理論及應用研究[D]. 呂兆興.太原理工大學 2008
[7]煤層水壓致裂理論及應用研究[D]. 杜春志.中國礦業(yè)大學 2008
[8]聲震法提高煤層氣抽采率的機理及技術原理研究[D]. 易俊.重慶大學 2007
[9]低滲透煤層瓦斯抽放理論與應用研究[D]. 馮增朝.太原理工大學 2005
[10]裂縫中氣液二相流體臨界滲流機理與理論研究[D]. 楊棟.太原理工大學 2005
碩士論文
[1]非均質多孔介質的逾滲—滲流特征[D]. 王江芳.太原理工大學 2011
[2]有效應力規(guī)律的細觀機理的數(shù)值實驗研究[D]. 吳海.太原理工大學 2003
[3]巖體裂縫面數(shù)量三維分形分布規(guī)律研究與仿真理論[D]. 文再明.太原理工大學 2003
[4]高溫巖體地熱開發(fā)的固流熱多場耦合與數(shù)值仿真[D]. 王瑞鳳.太原理工大學 2002
本文編號：3400591
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