【摘要】：煤層氣是一種自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣,主要以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存于煤層。高效開發(fā)煤層氣能提高我國能源供應(yīng)安全等級(jí),調(diào)整我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),解決煤礦開采中的安全隱患,推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的持續(xù)健康發(fā)展等方面具有十分重要的意義。不同于常規(guī)氣藏,煤巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺度多樣,氣體主要以吸附的形式儲(chǔ)存于煤層。煤層氣的開采過程中存在多種運(yùn)移機(jī)制,如解吸、擴(kuò)散、滲流等,采用常規(guī)的達(dá)西滲流定律已經(jīng)不能描述煤層氣的運(yùn)移機(jī)理。雖然國內(nèi)煤層氣開發(fā)經(jīng)過二十多年的發(fā)展,在儲(chǔ)層特征、鉆完井及儲(chǔ)層增產(chǎn)技術(shù)等方面已經(jīng)取得了不少成果,但是煤層氣開采的理論研究卻明顯滯后于現(xiàn)場開發(fā)實(shí)踐,因此需要從基礎(chǔ)理論上深化認(rèn)識(shí)我國煤層氣的吸附、解吸、滲流、擴(kuò)散等規(guī)律。本文通過調(diào)研國內(nèi)外煤層氣的開發(fā)技術(shù),通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)煤巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征、吸附解吸規(guī)律和巖石力學(xué)性質(zhì)等煤巖儲(chǔ)層工程地質(zhì)特征進(jìn)行了研究,結(jié)合不同尺度煤巖吸附壓降實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了煤巖三重介質(zhì)的孔隙特征,建立了相應(yīng)的煤層氣流動(dòng)數(shù)學(xué)方程。在實(shí)際的煤層氣開采過程中,儲(chǔ)層孔隙壓力降低將促使氣體解吸,同時(shí)也會(huì)改變了煤層骨架有效應(yīng)力,使煤體骨架的發(fā)生變形,導(dǎo)致煤體孔隙度、滲透率等物性參數(shù)的變化,影響煤層氣的實(shí)際流動(dòng)過程。因此,利用經(jīng)典的三孔雙滲模型還不足以描述實(shí)際的煤層氣運(yùn)移過程,必須充分考慮滲流場、應(yīng)力場的動(dòng)態(tài)耦合過程。本文根據(jù)理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,考慮了地應(yīng)力的對(duì)煤層氣解吸、煤層滲透率和孔隙度的相互影響,建立了煤層氣運(yùn)移的流固耦合數(shù)值模型。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,煤層中地層水的存在會(huì)對(duì)煤層氣的解吸滲流產(chǎn)生一定的影響。此外,施工過程中入井液與煤巖接觸后會(huì)對(duì)煤層氣的運(yùn)移狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響。因此,通過實(shí)驗(yàn)測試了液體對(duì)煤巖滲透率和解吸的影響,得到了氣水兩相有效滲透率、液體對(duì)滲透率和解吸量的傷害程度等關(guān)鍵參數(shù),明確了液體對(duì)煤巖儲(chǔ)層氣體運(yùn)移過程的影響。在實(shí)驗(yàn)研究和理論模型的基礎(chǔ)上,建立了液體作用下的煤層氣流固耦合模型。通過本文的研究,所取得的主要成果如下:(1)晉城地區(qū)煤巖的孔隙度和滲透率較低,煤巖微孔的峰值孔半徑主要分布在2-6nm之間。在煤巖飽含水的狀態(tài)下,孔隙中的水很難完全排出,影響煤層氣的解吸擴(kuò)散滲流。煤巖的泊松比較高、彈性模量較低,應(yīng)力敏感較強(qiáng)。(2)通過自主研制的煤巖解吸附裝置,測試不同尺度干煤樣以及液體作用下煤樣中甲烷的解吸規(guī)律。通過干煤樣實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤巖粒徑越小,吸附速率越快;不同尺度煤巖吸附12h后,單位質(zhì)量甲烷吸附15.8mL/g~34.2mL/g;吸附的前10min吸附量約占總吸附量的40%~60%。與干煤樣解吸相比,液體作用下煤層氣在壓力從0.6 MPa降落到0.1MPa時(shí)解吸量最大,排液有助于煤層氣的解吸。通過研究得出不同液體對(duì)煤層滲透率的傷害程度,以及液體對(duì)煤層氣解吸量和解吸過程的影響。通過晉城地區(qū)煤樣耦合應(yīng)力和地層水作用下煤層氣運(yùn)移規(guī)律實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),有效應(yīng)力作用將會(huì)降低煤層氣的解吸能力和速率,降低的程度要高于注地層水的影響;應(yīng)力作用下注地層水后,煤樣的解吸量和解吸速率分別為無應(yīng)力作用下干煤樣的25.3%和27.8%,解釋了煤層氣實(shí)際產(chǎn)量較低的原因。(3)在煤層氣吸附解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征,研究了煤層變形、氣體滲流、氣體吸附規(guī)律之間的內(nèi)在關(guān)系,在常規(guī)的滲流方程基礎(chǔ)上,在考慮地應(yīng)力對(duì)煤層氣解吸滲流的影響和煤層氣解吸對(duì)煤基質(zhì)收縮的影響基礎(chǔ)上,建立了解吸-擴(kuò)散-滲流效應(yīng)的煤層氣多場流固耦合數(shù)學(xué)模型。根據(jù)煤巖裂縫開度變化實(shí)驗(yàn),推導(dǎo)了應(yīng)力作用下的動(dòng)態(tài)孔滲模型,對(duì)煤層氣的開采進(jìn)行了模擬研究。借助于有限元數(shù)值模擬分析了煤層氣解吸運(yùn)移過程中的煤層孔隙壓力分布、壓力梯度下降速度、滲透率變化及煤層氣解吸速度等參數(shù)的變化情況。研究表明:在煤層氣的開采過程中,地層壓力降低,地應(yīng)力使煤層中的孔隙和割理產(chǎn)生了一定的閉合,這樣造成孔隙度降低,減小了氣體在孔隙和割理中的滲透率。但隨著開采時(shí)間的增加,由于氣體解吸,煤基質(zhì)收縮和滑脫效應(yīng),近井地帶的滲透率反而有一定程度的上升。隨著開采的進(jìn)行,煤層的壓力梯度不斷的下降,但下降速度逐漸變慢,近井端的氣體能大量解吸,遠(yuǎn)端的氣體無法大量動(dòng)用,模擬結(jié)果與實(shí)際煤層氣生產(chǎn)規(guī)律相吻合。(4)地層水和壓裂液進(jìn)入煤巖的微裂縫和割理后會(huì),會(huì)產(chǎn)生明顯的水相圈閉現(xiàn)象,堵塞氣體解吸和滲流的通道。壓裂液中的表活劑會(huì)改變煤巖的潤濕性,導(dǎo)致壓裂液和地層水的返排困難;同時(shí)也會(huì)吸附在煤巖表面,降低煤層氣的解吸擴(kuò)散滲流能力。在煤層氣運(yùn)移流固耦合數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)液體對(duì)煤層氣解吸擴(kuò)散滲流的實(shí)驗(yàn)研究,建立了液體作用下的煤層氣運(yùn)移流固耦合數(shù)學(xué)模型,通過有限元數(shù)值模擬分析液體對(duì)煤層氣壓力傳播和產(chǎn)量的影響。
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P618.13

【參考文獻(xiàn)】

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1 孟召平;侯泉林;;高煤級(jí)煤儲(chǔ)層滲透性與應(yīng)力耦合模型及控制機(jī)理[J];地球物理學(xué)報(bào);2013年02期

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4 馬東民;張遂安;藺亞兵;;煤的等溫吸附-解吸實(shí)驗(yàn)及其精確擬合[J];煤炭學(xué)報(bào);2011年03期

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6 杜�，�;李相方;徐兵祥;任維娜;邵長金;胡愛梅;翟雨陽;;韓城地區(qū)煤層氣多層合采開發(fā)效果評(píng)價(jià)[J];煤田地質(zhì)與勘探;2014年02期

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8 彭金寧;傅雪海;申建;朱元武;;潘莊煤層氣解吸特征研究[J];天然氣地球科學(xué);2005年06期

9 徐劍良,劉全穩(wěn),李志軍,陳國民,李洪璽,王立志;煤層氣滲流流固耦合數(shù)學(xué)建模及求解[J];天然氣工業(yè);2005年05期

10 李祥春;聶百勝;劉芳彬;周春山;;三軸應(yīng)力作用下煤體滲流規(guī)律實(shí)驗(yàn)[J];天然氣工業(yè);2010年06期

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2 牛雪;煤層氣吸附解吸性能評(píng)價(jià)及滲流實(shí)驗(yàn)研究[D];中國石油大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2801214