地层约束条件下N2/CO2混合气体驱替煤层气的机理及最佳气体组分比研究

大力开发煤层气并加以规模化利用具有防治瓦斯灾害、环境保护、缓解国家能源供需矛盾等多重意义。煤层渗透率普遍较低，煤层气抽采困难、流量小、采收率低是制约我国煤层气规模化利用的关键问题。N2/CO2混合气体驱替煤层气技术兼顾N2的增渗作用提高采气流量和CO2的置换作用提高采收率，可能是提高低渗透煤层煤层气采收率的有效途径。首先通过室内实验和分子动力学模拟从宏观和微观两方面研究地层约束条件下N2/CO2混合气体驱替煤层气的机理和气体组分比对驱替效果的影响，在此基础上建立考虑混合气体组分对煤岩吸附量-变形-渗透率影响的N2/CO2混合气体驱替煤层气多组分气体流-固耦合模型，并编写求解程序，最后对潞安煤层实际工程条件下不同气体组分混合气体驱替过程进行模拟，提出最佳的N2、CO2组分比，为驱替工程设计提供理论指导。本项目成果将把N2/CO2混合气体驱替煤层气技术从理论研究向实际工程设计推进一大步。

N2/CO2混合气体驱替煤层气技术兼顾N2的增渗作用提高采气流量和CO2的置换作用提高采收率，被认为是提高低渗透煤层煤层气采收率的有效途径。本项目通过室内实验、分子动力学模拟和数值模拟等多种手段相结合的研究方法，研究了混合气体驱替煤层气技术的机理和可行性。重点研究了地层约束条件下煤岩对不同气体的吸附量、吸附引起的变形、煤岩渗透率变化规律；建立了考虑混合气体组分影响的煤岩吸附量-变形-渗透率演化模型；基于该模型，建立N2/CO2混合气体驱替煤层气多组分气体流-固耦合模型；针对潞安煤层的实际工程条件，进行了模拟，分析了实施地面混合气体驱替煤层气的理论效果、方案及其可行性。研究结果显示了采用混合气体驱替煤层气技术可以大幅提高煤层气采收率、缩短煤层瓦斯预抽时间、提高采煤效率。本项目组成员按照进度安排完成了预定目标，研究成果把N2/CO2混合气体驱替煤层气技术从理论研究向实际工程设计推进一大步。项目研究过程发表论文7篇（SCI收录论文4篇，EI收录论文1篇），申请发明专利2项，其中1项已经授权。