發(fā)布時間：2018-05-03 07:48

  本文選題：煤層氣開采 + 多場耦合�。� 參考：《中國礦業(yè)大學》2017年博士論文

【摘要】：煤層氣是清潔能源的重要組成部分,是推動能源生產(chǎn)和消費革命的重要載體。在我國,煤層氣資源儲量豐富,但儲層環(huán)境復雜,導致煤層氣開采效率低下。煤層氣開采是多物理場耦合作用的過程,隨著開采工作的深入和特殊工藝的發(fā)掘,溫度場、濕度場、滲流場和變形場等之間的交叉耦合作用越來越明顯,成為嚴重制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。因此,開展煤層氣開采中的多場耦合問題研究具有重要的科學背景與工程意義。本文針對煤層氣儲層的結(jié)構(gòu)特征和氣體的儲存與運移特點,綜合運用試驗測試、理論分析和數(shù)值模擬等科學方法,深入探討了煤層氣在運移和開采過程中的熱-濕-流-固多場耦合機理。取得了以下主要進展和結(jié)論:(1)原煤的滲透率隨氣壓指數(shù)增大,隨圍壓指數(shù)減小,但隨溫度的演化呈現(xiàn)不同趨勢。針對平頂山礦、長治礦和金佳礦的原煤試樣,開展了圍壓、氣壓和溫度耦合下的氣體滲透行為試驗研究。結(jié)果顯示,滲透率隨氣壓的增大呈指數(shù)增大趨勢。低圍壓下,指數(shù)增長形式明顯;高圍壓下,增長形式趨于線性。滲透率隨圍壓的增大呈指數(shù)減小趨勢。當圍壓較低時,煤樣滲透率對圍壓變化非常敏感,滲透率隨著圍壓的增大迅速減小,隨后趨于穩(wěn)定。原煤的滲透率隨溫度的升高大多呈減小趨勢,但也有出現(xiàn)先減小后增大的趨勢。(2)分別建立熱開裂、熱揮發(fā)、熱吸附和熱膨脹等物理過程的理論模型并進行實驗驗證,從本質(zhì)上揭示了熱-濕耦合下滲透率演化的微觀機理�；|(zhì)熱開裂促進基質(zhì)中微孔的增生,增大基質(zhì)滲透率,同時導致基質(zhì)整體膨脹,降低裂隙滲透率。建立裂隙水膜的揮發(fā)模型,闡明水分揮發(fā)直接作用于裂隙網(wǎng)絡,從而增大裂隙滲透率的物理機制。氣體熱解吸導致基質(zhì)收縮,增大雙滲透率。煤的熱膨脹抑制基質(zhì)-裂隙雙滲透率。(3)提出一種新型雙孔滲透率模型,理論上將滲透率隨溫度的演化形式分為三大類;定義熱刺激指標KT,可有效評價溫度對滲透率的刺激效果。理論推導了包含熱-濕-流-固耦合效應的基質(zhì)-裂隙雙孔滲透率模型,統(tǒng)一描述了大量滲透率試驗結(jié)果,并對滲透率演化的類型進行歸納和評價。發(fā)現(xiàn)煤體滲透率隨溫度的演化可分為熱膨脹主導的下降型、熱揮發(fā)主導的上升型和兩者依次主導的'U'字過渡型。對于下降型和上升型,又可根據(jù)次要影響因素進一步細化為線性型、上凸型和下凹型。提出了評價溫度對煤體滲透率刺激效果的熱刺激指標KT。當K盡0時,滲透率隨溫度的升高而增大;當KT0時,滲透率隨溫度的升高而減小。(4)發(fā)現(xiàn)水分流失對煤層氣運移的促進和抑制雙重作用規(guī)律,揭示了水鎖導致氣體非達西運移的基本原理�；诹严端B透率模型和含啟動壓力梯度的非達西滲流規(guī)律,建立了潮濕儲層中氣體開采的濕-流-固全耦合模型,重點分析了氣體開采中的水鎖現(xiàn)象和各種耦合機制。潮濕煤層中的氣體生產(chǎn)隨抽采距離依次進行,只有當某一抽采距離處的實際氣體壓力梯度大于啟動壓力梯度時,才能形成氣流。水分流失會引發(fā)諸多耦合效應,一方面改善煤體裂隙結(jié)構(gòu),增大滲透率,促進生產(chǎn);另一方面增強煤體吸附能力,抑制煤層氣解吸,阻礙生產(chǎn)。綜合結(jié)果顯示水分流失對滲透率的改善起主導作用。(5)發(fā)現(xiàn)熱開裂、熱解吸和熱揮發(fā)對雙孔滲透率的協(xié)調(diào)和促進作用是煤層氣注熱增產(chǎn)的本質(zhì)驅(qū)動力。建立了適用于煤層氣注熱開采的熱-濕-流-固全耦合數(shù)值模型,研究多場之間的耦合機制,結(jié)果表明煤層氣注熱開采能夠有效促進氣體生產(chǎn)。對于基質(zhì)孔隙度和滲透率,溫度升高造成的氣體解吸加快和基質(zhì)熱開裂引發(fā)的孔隙增生起促進作用,熱膨脹則起抑制作用。對于裂隙孔隙度和滲透率,殘余水分的熱揮發(fā)和基質(zhì)中氣體解吸的反作用起促進作用。熱開裂對煤層氣生產(chǎn)的促進作用主要表現(xiàn)在對雙滲透率的協(xié)調(diào)上。
[Abstract]:Coal bed gas is an important component of clean energy . It is an important carrier to promote energy production and consumption revolution . In China , the coal bed gas reserves are abundant , but the reservoir environment is complicated , which leads to the low efficiency of coal bed gas exploitation . ( 3 ) A new model of permeability of coal bed is presented , which is based on the permeability model and the non - Darcy flow rule .

【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE37

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7 李明宅;王U，

本文編號：1837635