發(fā)布時間：2018-02-26 05:03

  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》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【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巖構(gòu)成,包括煤層、泥巖以及頁巖等。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、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單之舉,受儲層物性參數(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象主要以煤層為主,鮮有將煤系地層視為一個整體系統(tǒng)綜合考慮并進行研究。本文將針對煤系地層中提高煤層氣抽采率的技術(shù)基礎(chǔ)進行研究。首先,闡述了煤系地層中主要孔隙裂隙氣源巖的儲氣特征及氣體運移規(guī)律,提出了煤系地層未卸壓區(qū)采用注氣,而采動卸壓裂隙帶區(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,實驗研究了煤系地層主要氣源巖—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)量源擴散解吸和對流傳質(zhì)阻力大小的綜合傳質(zhì)系數(shù)α。最后,根據(jù)實驗結(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的氣體運移微分方程,求解了簡化微分方程的分析解。應(yīng)用Comsol multiphysics軟件對不同條件下的微分方程進行了數(shù)值模擬,并對各種求解結(jié)果進行了對比分析。上述研究為煤系地層煤層氣增產(chǎn)抽采工藝設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1、結(jié)合煤系地層中主要氣源巖物性參數(shù)特征,以煤層氣在儲層中吸附/解吸、擴散滲流運移理論為基礎(chǔ),將煤系地層作為一個整體系統(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優(yōu)化裂隙帶抽采工藝。2、根據(jù)采場圍層移動基本理論,推導出確定環(huán)形裂隙圈的空間位置參數(shù)計算方法,并據(jù)此優(yōu)化裂隙帶煤層氣抽采工藝。采用鉆孔返水計量法對傾斜鉆孔抽放效果影響最大的冒落帶高度進行實測,結(jié)果表明冒落線預計高度與實測計算高度基本一致。3、應(yīng)用煤系地層中的主要氣源巖—煤及泥巖在不同溫度、含不同氣體條件下的吸附實驗數(shù)據(jù)對常見的三種吸附模型(Langmuir模型、DR模型以及BET模型)進行檢驗得知:煤、泥巖對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CH_4或N_2的吸附。實驗表明不同氣源巖介質(zhì)中吸附的CH_4量與溫度之間成負相關(guān),因此,可采用煤層注熱、外加電場的焦耳熱效應(yīng)、交變電磁場產(chǎn)生的熱量或超聲波摩擦生熱等方法提高儲層的溫度,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間之間的關(guān)系。實驗結(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隨時間的變化速度都較αCO_2隨時間的變化速度慢,且濃度相同時,αCH_4大于αCO_2。這表明,不同氣源巖介質(zhì)對CH_4和CO_2的吸附能力強弱趨勢一致,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程中,會造成各氣源巖層之間氣體壓力的差異,從而導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)學模型和煤系地層注氣抽采煤層氣的物理數(shù)學模型。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軟件對其進行了數(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,即層間竄流補給使地層能量衰減變慢,有利于延長抽采井的穩(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,比對抽采相同時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)動而言,一定時間內(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 .

【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD712.6

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