本文關(guān)鍵詞： 煤系地層 氣源巖 吸附模型 綜合傳質(zhì)系數(shù) 煤層氣抽采 注氣　出處：《太原理工大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：煤系地層中的氣源巖主要是由富集型和分散型的有機(jī)巖構(gòu)成,包括煤層、泥巖以及頁(yè)巖等。結(jié)合煤層氣賦存特征將其高效抽采并加以利用是環(huán)境保護(hù)、瓦斯事故防治和清潔高效能源三方面相結(jié)合的不二之選。然煤層氣抽采并非簡(jiǎn)單之舉,受儲(chǔ)層物性參數(shù)及抽采技術(shù)條件的制約,目前抽采率較低�，F(xiàn)有的煤層氣抽采研究對(duì)象主要以煤層為主,鮮有將煤系地層視為一個(gè)整體系統(tǒng)綜合考慮并進(jìn)行研究。本文將針對(duì)煤系地層中提高煤層氣抽采率的技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行研究。首先,闡述了煤系地層中主要孔隙裂隙氣源巖的儲(chǔ)氣特征及氣體運(yùn)移規(guī)律,提出了煤系地層未卸壓區(qū)采用注氣,而采動(dòng)卸壓裂隙帶區(qū)優(yōu)化布置鉆孔提高煤層氣抽采率的技術(shù)方案。其次,在不同溫度、不同壓力及含不同氣體條件下,實(shí)驗(yàn)研究了煤系地層主要?dú)庠磶r—煤及泥巖的吸附性能、吸附模型適應(yīng)性以及表征內(nèi)質(zhì)量源擴(kuò)散解吸和對(duì)流傳質(zhì)阻力大小的綜合傳質(zhì)系數(shù)α。最后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和基本物理定律,建立了考慮層間竄流和內(nèi)質(zhì)量源作用下的煤系地層自然降壓和注氣抽采煤層氣時(shí)的氣體運(yùn)移微分方程,求解了簡(jiǎn)化微分方程的分析解。應(yīng)用Comsol multiphysics軟件對(duì)不同條件下的微分方程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)各種求解結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。上述研究為煤系地層煤層氣增產(chǎn)抽采工藝設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:1、結(jié)合煤系地層中主要?dú)庠磶r物性參數(shù)特征,以煤層氣在儲(chǔ)層中吸附/解吸、擴(kuò)散滲流運(yùn)移理論為基礎(chǔ),將煤系地層作為一個(gè)整體系統(tǒng)綜合考慮,提出了在未卸壓區(qū)可采用注氣方法提高抽采率,卸壓區(qū)則可根據(jù)環(huán)形裂隙圈的空間位置來(lái)優(yōu)化裂隙帶抽采工藝。2、根據(jù)采場(chǎng)圍層移動(dòng)基本理論,推導(dǎo)出確定環(huán)形裂隙圈的空間位置參數(shù)計(jì)算方法,并據(jù)此優(yōu)化裂隙帶煤層氣抽采工藝。采用鉆孔返水計(jì)量法對(duì)傾斜鉆孔抽放效果影響最大的冒落帶高度進(jìn)行實(shí)測(cè),結(jié)果表明冒落線預(yù)計(jì)高度與實(shí)測(cè)計(jì)算高度基本一致。3、應(yīng)用煤系地層中的主要?dú)庠磶r—煤及泥巖在不同溫度、含不同氣體條件下的吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)常見(jiàn)的三種吸附模型(Langmuir模型、DR模型以及BET模型)進(jìn)行檢驗(yàn)得知:煤、泥巖對(duì)CO_2吸附特征符合BET模型,而Langmuir模型和DR模型則適用于煤、泥巖對(duì)CH_4或N_2的吸附。實(shí)驗(yàn)表明不同氣源巖介質(zhì)中吸附的CH_4量與溫度之間成負(fù)相關(guān),因此,可采用煤層注熱、外加電場(chǎng)的焦耳熱效應(yīng)、交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生的熱量或超聲波摩擦生熱等方法提高儲(chǔ)層的溫度,促使吸附煤層氣解吸速率增大,從而提高煤層氣抽采率。4、采用容量法,測(cè)定了綜合傳質(zhì)系數(shù)α與煤層氣賦存地質(zhì)條件及煤層氣解吸時(shí)間之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:α與基質(zhì)吸附濃度成正比關(guān)系;不同氣源巖介質(zhì),αCH_4隨時(shí)間的變化速度都較αCO_2隨時(shí)間的變化速度慢,且濃度相同時(shí),αCH_4大于αCO_2。這表明,不同氣源巖介質(zhì)對(duì)CH_4和CO_2的吸附能力強(qiáng)弱趨勢(shì)一致,CH_4的解吸量均大于CO_2的解吸量胃因此,注CO_2可以吸附置換CH_4,提高煤層氣的產(chǎn)出率。5、在煤系地層煤層氣抽采過(guò)程中,會(huì)造成各氣源巖層之間氣體壓力的差異,從而導(dǎo)致了相鄰氣源巖層之間產(chǎn)生層間竄流的現(xiàn)象。穿層與順層鉆孔兩種抽采模式下,相鄰氣源巖層壓力差值不同,并最終導(dǎo)致層間竄流量的不同。6、在上述研究基礎(chǔ)上,基于孔隙裂隙介質(zhì)吸附、擴(kuò)散、滲流基本理論,建立了煤系地層自然降壓抽采煤層氣物理數(shù)學(xué)模型和煤系地層注氣抽采煤層氣的物理數(shù)學(xué)模型。7、在所建立的模型基礎(chǔ)上,結(jié)合晉城3#煤層、馬蘭8#煤層賦存特征,借助Comsol multiphysics軟件對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明:(1)、在煤系地層自然降壓抽采煤層氣過(guò)程中,考慮與未考慮層間竄流條件下的微分方程數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比可知,考慮層間竄流條件下的抽采鉆孔附近CH_4壓力比未考慮條件下的CH_4壓力有所提高,即層間竄流補(bǔ)給使地層能量衰減變慢,有利于延長(zhǎng)抽采井的穩(wěn)定期。(2)、在井下未卸壓區(qū)順煤層鉆孔考慮層間竄流條件下,比對(duì)抽采相同時(shí)間和距抽采鉆孔相同距離處的CH_4壓力值發(fā)現(xiàn):注氣條件下的均高于未注氣條件下的,且在一定時(shí)間內(nèi)注入不同的氣體,壓力增加值差異較小。此結(jié)果表明,僅就增能驅(qū)動(dòng)而言,一定時(shí)間內(nèi)CH_4壓力增加值與注氣種類差別不明顯。
[Abstract]:In this paper , the gas migration differential equation of coal bed in coal bed is studied . The main research contents and conclusions are as follows : 1 . Based on experimental results and basic physical laws , the paper presents a comprehensive consideration of coal bed gas extraction rate in coal bed formation . The results show that : ( 1 ) In the process of coal bed gas extraction , the pressure difference between adjacent gas source rocks is higher than that of CO _ 2 .

【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD712.6

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