煤层中注二氧化碳驱替甲烷的热流固耦合作用机理研究

在含气煤层注入二氧化碳驱替甲烷既能有效减少温室气体排放，又能极大地提高煤层气产出。但是将二氧化碳注入含气煤层的过程中涉及到煤体变形、气体流动、气体吸附、温度作用等多个物理场的耦合作用。目前国内对该问题的研究处于起步阶段，尚有大量基础理论问题亟待解决。本项目采用实验研究与理论研究相结合的手段对煤层中注二氧化碳驱替甲烷过程中的关键科学问题：①不同煤阶煤对二氧化碳和甲烷的非等温吸附规律；②含气煤层注入二氧化碳后的裂隙损伤演化规律；③二氧化碳的注入效率和对甲烷的驱替效率等进行深入研究。通过研究建立煤层中注二氧化碳驱替甲烷的热流固耦合数学模型，并开发可进行定量预测分析的数值工具。项目的研究成果将为在煤层中注二氧化碳驱替甲烷的工程实践提供重要的理论依据。

在含气煤层注入二氧化碳驱替甲烷既能有效减少温室气体排放，又能极大地提高煤层气产出。但是将二氧化碳注入含气煤层的过程中涉及到煤体变形、气体流动、气体吸附、温度作用等多个物理场的耦合作用。目前国内对该问题的研究处于起步阶段，尚有大量基础理论问题亟待解决。本项目采用实验研究与理论研究相结合的手段对煤层中注二氧化碳驱替甲烷过程中的关键科学问题进行深入研究，主要取得以下研究成果。①开展了不同煤阶煤对CO2和CH4的吸附特性研究和温度对煤的吸附特性影响实验研究，给出吸附参数随温度变化规律。将含气煤体分成包含裂隙系统和孔隙系统的双重孔隙结构，并根据裂隙和孔隙系统之间的相互作用，建立了等温条件下CO2注入时在煤层渗透率变化模型。②考虑煤体的变形特征、气体渗流特征和能量运移特征，建立了含气煤体热-流-固耦合变形控制方程、气体运移控制方程和温度场扩散方程，联立得到了CO2注入煤层过程中包含煤的变形特征、气体渗流扩散特征以及煤层温度变化特征的流、固、热耦合数学模型。利用数值软件对该模型进行了求解，研究了CO2注入煤层过程煤层裂隙发育程度、水平地应力及煤层含水率对CO2注入的影响。③研究了CO2-ECBM过程中的三场耦合效应，建立双重孔隙介质二元气体动态渗透率方程；根据CO2-ECBM二元气体特点以及温度场效应建立针对CO2-ECBM过程的煤体本构方程与几何方程和平衡方程联立得到CO2-ECBM过程煤层变形控制方程；根据流体的质量守恒方程、二元气体动力弥散方程建立二元气体运移控制方程；根据能量守恒定律建立二元气体的温度场控制方程。联立得到了CO2驱替CH4的流、固、热耦合数学模型。④考虑煤的非均质性、渗流与变形的耦合效应、损伤对多物理场参数的影响，建立了煤层中注气过程中渗流-应力-损伤耦合模型，研究了不同围压条件下的气体注入过程中煤岩破裂机理和裂纹扩展规律，并与同等条件下水力压裂的效果进行了对比。结果表明：与岩石水力压裂相比，气体压裂产生的裂纹更复杂，分布范围更广，岩体的破碎程度更高。⑤针对气液两相在裂隙中的渗透特性，自主设计制造了裂隙气液两相渗流试验系统，并进行了气液两相稳态和瞬态渗流测试,得到了气、液两相相对渗透率与气体体积分数的关系。项目的研究成果将为在煤层中注二氧化碳驱替甲烷的工程实践提供重要的理论依据，也可为类似的非常规天然气开采提供借鉴。