侯东升等：CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

作 者

侯东升1,2,梁卫国1,2,张倍宁1,2,李　畅1,2

1. 太原理工大学 矿业工程学院；2. 太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室

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研究背景

将二氧化碳注入不可采煤层,在实现二氧化碳地下封存的同时能够驱替出煤层中难以解吸的CH4(CO2-ECBM)。在CO2-ECBM过程中,CO2与CH4发生竞争吸附,使得混合气体在运移过程中气体组分不断发生改变,同时混合气体的吸附解吸会引起煤体变形,对煤体的渗透特性产生影响。研究CH4/CO2混合气体的渗流特性及相应的煤体变形,对于CO2-ECBM过程具有重要的工程指导意义。

目前为止,关于三轴应力下注CH4/CO2混合气体对煤体膨胀变形以及煤体渗透性的研究较少。笔者采用高温高压相对渗透率测试系统进行恒定温度和体积应力条件下,孔隙压力及气体组分对煤体渗透性影响的试验研究,并对渗流过程中煤体的变形进行分析,探讨注CO2提高煤层气采收率过程中储层渗透率的动态变化规律。

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摘 要

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。

渗流过程中保持温度和体积应力(30℃、33MPa) 恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:

He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力

在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大。

在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化。

随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。

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中图片

试验试件

装置渗透系统

不同气体组分煤体轴向应变和煤体渗透率随入口压力变化

不同气体组分煤体轴向膨胀应变随入口压力变化

He渗透率随入口压力拟合

不同气体组分渗透率随入口压力拟合

侯东升,梁卫国,张倍宁,等.CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究[J]. 煤炭学 ,2019,44(11):3463-3471.

HOU Dongsheng,LIANG Weiguo,ZHANG Beining,et al. Seepage law of mixed gases inCO2displacement of coal seamCH4[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(11):3463-3471.