二氧化碳驱替煤层气的原子-连续介质多尺度研究

二氧化碳驱替煤层气具有煤层气增产和二氧化碳减排的双重作用，是实现节能减排的重要途径之一，揭示其的微观机理并建立准确的数学模型和数值模拟方法对于驱替工程的高效实施有重要的指导意义。本研究拟采用分子动力学方法在分子水平上对相关的关键问题，如吸附等温线，煤岩形变，含水、气煤岩的本构关系等进行微观研究，揭示其微观机理和规律，基于渗流力学，岩石力学和质量守恒原理建立气-液-固三相耦合的连续介质模型，在此二者的基础上进行恰当的跨尺度关联，实现对二氧化碳驱替煤层气复杂过程的原子-连续介质多尺度模拟。根据模拟结果预测煤层气产量和二氧化碳量，为优化施工方案，实现煤层气的高效获取提供科学依据。

二氧化碳驱替煤层气在获得清洁能源甲烷的同时，可实现温室气体二氧化碳的地下封存，有效减小二氧化碳向大气中的排放量。驱替煤层气涉及到二氧化碳、甲烷等气体与煤的相互作用，如气体在煤中的吸附、解吸以及扩散、吸附对煤体力学性质与渗透性的影响等。对于这些过程的深入理解是建立宏观理论模型和开发调控技术的科学基础，但又难于直接测量和观察。任何宏观现象都有其微观根源，本项目结合了研究微观过程的有力工具-分子动力学和描述宏观过程的连续介质力学方法，即原子-连续介质多尺度方法对二氧化碳驱替煤层气进行了研究。首先实验研究了煤对不同气体的吸附特性，开发了气体在煤中扩散系数的测量装置，测量了CO2和CH4的扩散系数。以年轻烟煤的平均模型——Wiser模型作为煤分子模型，利用分子动力学方法首次在分子水平上对固-气作用的关键问题进行了研究。用分子探针方法计算出煤的孔隙度约为0.7%；计算了煤吸附气体的弹性力学性质；基于巨正则蒙特卡洛方法，计算了高压下煤对二氧化碳、甲烷及其混合气体的吸附等温线，揭示了煤对二氧化碳的吸附量大于甲烷的分子基础。详细研究了气体在煤中的反常扩散和爱因斯坦扩散，计算了二氧化碳和甲烷的扩散系数。这些都与实验结果吻合较好。计算了不同压力下煤吸附气体后体积的膨胀率，随着气体吸附量的增加，煤的膨胀率也增加，最后趋于一定值。依据固体力学和流体力学理论建立了考虑煤层形变的煤层气产出模型，结合前述的分子动力学计算结果，建立了基于连续介质力学理论的有限元模拟为主体，分子动力学提供必要信息（包括吸附等温线，力学常数，吸附形变）的多尺度模拟方法。完成了程序编写和改写，用多尺度方法模拟了地层条件下二氧化碳驱替煤层气过程。本研究初步表明原子-连续介质多尺度方法研究二氧化碳驱替煤层气是可行的，它可以作为实验的有力补充，为优化驱替工程施工条件，提高煤层气产量提供理论指导。本项目组成员按进度完成了预定目标，目前共发表了6篇论文（SCI 4篇，EI 2篇），获得两项软件授权登记。