固—热—水气两相流耦合作用下煤层气解吸运移机理研究

The high efficiency exploitation and utilization methods of coalbed methane, not only the mine gas disasters were decreased but also energy utilized efficiencies were improved. There are plenty of coalbed methane resources in China but have low permeability and hard to exploitation. Therefore, based on desorption capacity improved with temperature rose, the technology of heat injection for coalbed methane exploitation is proposed.For more effects, the mechanism of coalbed methane desorption and migration in solid stress, thermal, and two-phase flow interaction must be carried out studing in order to preferably apply the new technology. Researches with three aspects will be carried out in the project, based on the scientific problem. 1) The desorption law of coalbed methane at constant temperature is acquired, with the conditions of different coal rank, different gas adsorption pressure, different water injection pressure, and different action time of water, through two-phase flow experiments in coal sample. Combining microcosmic porous measuring experiments, critical pore size is accumulated. Based on microscopy CT experiments, two-phase distribution law of porous and fracture is observed. 2) The desorption law of coalbed methane as a function of temperature with conditions as previously mentioned and different desorption ouput gas pressure is acquired, through thermal and two-phase flow in coal sample. And two-phase distribution law of porous and fracture under temperature is observed. 3) The heterogeneity mathematical model of coalbed methane desorption and migration in the interaction of solid stress, thermal, and two-phase flow is established, combining relevant theories. The desorption law of coalbed methane under the coupling conditions of solid stress, thermal and high pressure water is simulated through computer pogramming.

煤层气的高效和安全开采，既可以预防矿井瓦斯灾害，又可以提高能源利用效率。国内煤层气资源极其丰富，但渗透性较差，有效开采难度较大。根据升温促进解吸的原理，提出注热开采煤层气的方案，但如何顺利实施，就需要针对煤层气解吸运移过程中的固-热-水气两相流耦合作用问题进行研究。据此本项目拟从以下方面开展研究：1)通过水-气两相流实验，得到不同煤种、不同气体吸附压力、不同注水压力和不同注水作用时间条件下，煤层气的解吸规律；结合压汞实验，计算水进入煤体的临界孔径尺度；基于显微CT实验，观测孔隙裂隙的水气分布规律。2）通过热-水气两相流实验，得到煤层气在不同条件下的解吸特性随温度变化的规律，以及不同解吸出口压力下的解吸特性；观测温度作用下孔隙裂隙的水气分布规律。3）建立非均质煤体在固-热-水气两相流耦合作用下，煤层气解吸运移的数学模型，编制计算程序模拟煤层气在固体应力、温度和高压水共同作用下的解吸运移规律。

煤层气的高效和安全开采，既可以预防矿井瓦斯灾害，又可以提高能源利用效率。国内煤层气资源极其丰富，但渗透性较差。根据升温促进解吸的原理，提出了煤层气的热采工艺，但是需要针对煤层气解吸运移过程中的固-热-水气两相流耦合作用问题进行研究。在项目资助期内，得到如下研究结果：1）宏观实验研究方面，高压外部注水可以显著降低吸附气体的解吸速率和解吸能力，注水后升温可以有效促进煤层气的解吸；封闭体系中，解吸压力和吸附常数随温度的变化呈现一定的函数关系，基于单分子层吸附理论的极限吸附量随温度升高略有上升；吸附能力随含水率的变化呈现一定规律的降低，取决于煤体结构特征。2）微细观实验研究方面，基于显微CT实验，煤样吸附后，孔隙率明显降低，同时发生体积膨胀，且变形呈现非均匀性，煤骨架的体积膨胀会导致孔隙体积减小与视体积的增大，具体表现为挤压孔隙空间导致的骨架膨胀；基于CT与SEM相结合的实验，煤吸附解吸甲烷在细观上表现出不可逆损伤的现象，循环次数越多，损伤越大，残余变形主要发生在密度非均匀性较强的区域，解吸后细观变形不能完全恢复，间接表明吸附与解吸的不完全可逆性；基于SEM-EDS与红外热成像技术，吸附过程中，煤表面温度明显升高，初期升温迅速，而后趋于稳定，且表面不同位置的吸附速率具有一定的差异性，差异性随时间增加逐渐减弱。3）数值模拟研究方面，基于蒙特卡洛方法和吸附动力学理论，恒温增加吸附压力时，煤表面深度小于甲烷分子能量的浅势阱无法吸附甲烷，降压解吸时，紧缚在深势阱中甲烷分子的吸附状态对吸附压力的敏感度随温度升高渐弱，在吸附过程中，甲烷分子倾向于吸附在势阱较深的吸附位上，引用非均匀势阱的概念，通过实验数据对吸附方程进行验证，可靠性较好。研究结果揭示了多场耦合作用下，煤层气的解吸运移机理，明确煤中吸附气体在不同物理条件下的解吸扩散规律，为注热开采煤层气的工业化应用提供较好的理论指导和技术支撑。