超临界CO2驱替开采煤层气的实验研究

摘要

工业革命后，由于化石燃料的大量燃烧，大气中CO2浓度迅速上升，CO2封存技术作为一种有效的技术手段已受到世界各国的高度重视。在我国深部存在大量不可采的煤层，这些煤层为CO2地质封存提供了广阔的空间，同时煤层中还蕴含着丰富的煤层气，因此，利用CO2驱替煤层中的瓦斯既能够达到储存CO2目的又能开采出洁净的煤层气资源，一举双效。深部煤层的高温高压条件，使得注入的CO2极易达到超临界态，本文利用两种大尺寸(100×100×200mm)原煤试件，对超临界CO2在煤体中的渗透特性和驱替CH4情况进行研究，并通过两种煤样孔裂隙结构差异进行分析。
　　本研究主要内容包括：⑴在50℃、不同体积应力(48MPa、54MPa、60MPa)条件下，进行不同渗透压下超临界CO2渗透试验，超临界CO2渗透率随渗透压力升高而增大，随体积应力增大而减小，渗透率值介于0.0066×10-3μm2～0.0312×10-3μm2之间。⑵在超临界CO2渗透过程中，煤体中储存的CO2量与注入压力呈正相关线性关系，考虑超临界CO2密度随注入压力升高而增大，煤体中储存的超临界CO2实际体积随注入压力升高而减小。⑶在超临界CO2渗透过程中，煤体发生膨胀现象，在50℃，48MPa的体积应力条件下，煤体的体积膨胀百分比与注入压力和CO2吸附的摩尔量均呈较好的线性关系;由于注气方式、煤体内部孔裂隙分布差异、平行层理方向和垂直层理方向弹性模量不同、吸附饱和程度等原因，煤体在膨胀过程中会发生明显的各向异性。⑷在驱替试验中，1＃弱粘煤试件中CH4吸附量和CO2储存量均高于2＃焦煤试件，分别为2＃试件的2倍和1.5倍;1体积煤体中可储存10.06～15.50体积的超临界CO2（换算为标况条件），但由于弱粘煤更强的渗透特性，1＃弱粘煤和2＃焦煤试件CO2储存率相当，分别为20.05％和20.09％。⑸在超临界CO2驱替前两小时内，随着CO2储存速率的迅速降低，CH4解吸速率也随之降低，在试验时间内1＃弱粘煤平均的CO2储存速率为1.83ml/s是焦煤储存速率（0.79ml/s）的2.32倍，弱粘煤平均的CH4解吸速率(0.44ml/s)也是焦煤的（0.19ml/s）的2.32倍;两块煤的CO2/CH4驱替置换比也相当，介于4.01～4.13之间。⑹在CH4吸附过程中，煤体体积膨胀百分比与CH4吸附量呈较好的线性关系，24h吸附过程中，煤体体积膨胀百分比为0.91％，之后注入超临界CO2，煤体膨胀加剧，煤体径向应变增加更快，煤体径向应变增加0.29％大于轴向应变的0.22％，最终驱替结束时，煤体体积膨胀百分比为1.72％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 CO2置换驱替煤层CH4研究现状

1．2．1 气态CO2驱替煤层CH4研究现状

1．2．2 超临界CO2驱替置换煤层CH4研究现状

1．3 研究内容和方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

第二章 超临界CO2的渗透机理

2．1 超临界CO2特性

2．1．1 超临界CO2性质

2．1．2 超临界CO2密度计算

2．1．3 超临界CO2粘度计算

2．2 超临界CO2渗透机理

2．2．1 气体渗透率

2．2．2 超临界CO2渗透率

2．3 本章小结

第三章 深部煤层储存CO2的固气作用机理

3．1 煤岩体特性

3．1．1 煤岩体孔裂隙特征

3．1．2 煤阶与煤岩组分

3．2 煤层储气机理

3．2．1 吸附理论

3．2．2 煤对不同气体的吸附

3．2．3 驱替机理

3．2．4 储气过程中煤的力学特性

3．3 本章小结

第四章 超临界CO2渗透特性试验研究

4．1 试验方法

4．1．1 试样

4．1．2 试验装置

4．1．3 试验方法

4．2 渗透性试验结果及分析

4．2．1 超临界CO2渗透率计算

4．2．2 渗透试验结果分析

4．3 吸附试验结果及分析

4．4 煤体膨胀特性试验结果及分析

4．4．1 煤体膨胀特性

4．4．2 膨胀的各向异性

4．4．3 煤体膨胀对渗透率的影响

4．5 本章小结

第五章 超临界CO2驱替煤层CH4试验研究

5．1 试验简介

5．1．1 试件

5．1．2 试验设备

5．1．3 试验步骤

5．2 煤样孔裂隙结构分析

5．2．1 煤样微观孔裂隙结构分析

5．2．2 煤样宏观孔裂隙结构分析

5．3 驱替试验结果及分析

5．3．1 两种煤对CH4吸附特性

5．3．2 超临界CO2储存结果及分析

5．3．3 CH4产出结果及分析

5．3．4 置换比

5．3．5 驱替试验综合评价

5．4 驱替过程中煤体力学性能变化

5．5 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 主要结论

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果