深部煤层处置CO2中的二元气固耦合作用与双重孔隙效应研究

应用深部不可采煤层处置二氧化碳是减少温室气体排放的有效措施，同时可以增强深部煤层气的回收，具有显著的环境和经济效益。二氧化碳注入煤层处置后会引起气体竞争吸附，并引起煤体的竞争吸附膨胀变形，随着煤层气体的压力增加，煤体受到的有效应力变形逐渐明显，煤层变形影响煤层基块和裂隙的孔隙率和渗透率，并最终影响煤层气体的流动和二氧化碳的注入率，其为化学场、流动场、应力场等多场耦合控制的结果。本次研究将煤层概化为孔隙和裂隙相互交织的双重孔隙介质，通过模拟实验研究二氧化碳注入煤层后煤对CO2和CH4二元气体竞争吸附特性，重点研究二元气体吸附引起的煤双重孔隙变形特性及对气体运移的反作用，建立煤层双重孔隙率和渗透率数值模型，利用COMSOL Multiphysics模拟煤层中二元气体渗流与竞争扩散以及煤体双重孔隙结构响应机制，并开发用于分析和预测煤层封存CO2中储气效率的全耦合数值工具。

针对深部煤层封存CO2中的气固耦合过程与双重孔隙效应，本课题开展了实验与模拟研究，主要取得如下成果：(1)利用沁水盆地晋城无烟煤煤样进行了跨CO2临界温度条件下煤对CO2吸附特性的实验及二元气体吸附/解吸实验，获取了跨临界温度吸附时CO2在煤中的吸附量与温度变化规律。二元气体吸附和解吸时，解吸曲线表现出“滞留”现象，说明了CO2在吸附造成煤微孔闭合扣留残余气体的机制。分割二元气体的游离相和吸附相组分比例关系，揭示了CO2-CH4二元气体解吸时CH4优先解吸，解吸速度由快转慢；而吸附时，CO2会优先吸附，吸附速度由快转慢，上述结论是煤层中二元气体竞争吸附和CO2封存的重要依据。(2)从煤的吸附热力学角度，利用煤表面自由能和等量吸附热评价了不同温压条件下CO2在煤层中优先吸附性以及CO2与CH4竞争吸附机制。计算了25~40℃温度下煤对CO2和CH4的吸附势，建立了煤吸附CO2和CH4的特征曲线，得到了CO2吸附量、温度、压力三者之间的关系式。(3)建立了一套包含气体竞争吸附、竞争扩散、气体渗流以及煤基块变形的多物理耦合过程的高度非线性数学模型，包含煤层耦合变形方程、适用于变应力边界的新的孔隙率和渗透率方程、二氧化碳和甲烷气体的对流扩散耦合方程以及上述三者的耦合方程。(4)根据注气模拟实验结果，应用COMSOL Multiphysics有限元数值分析系统求解了多物理耦合非线性数学模型，开展了不同储层物性和注气条件下，CO2驱替煤层气与封存过程中的二元气固耦合作用数值模拟研究。(5)基于COMSOL数值平台，对我国沁水盆地CO2驱采煤层气及地质处置中的煤层孔隙压力、二元气体组分以及煤层渗透率的演化特征进行了模拟研究，计算出在沁水盆地300×300m2场地中注气10年后CO2封存量为1.75×104t，注入CO2后可提高CH4产量达1.44倍。