煤层气原位注热开采的数值模拟研究及工程实践

煤层的低渗透性和甲烷的强吸附特征是制约煤层气开采的关键性问题,如何快速高效开采煤层气是目前煤层气开采研究中的重要课题。首先基于构建的水-气-热-固耦合数学模型,建立了煤层气注热开采的物理模型并验证了模型的正确性,然后从水气运移角度分析了注热方法的产气规律,最后在煤矿井下进行了现场注热试验。数值模拟结果表明:煤层气注热开采过程中水气运移遵循“前期排水,后期采气”的变化规律。煤层中的水对甲烷的解吸和运移产生了重要的影响。注热过程中水占据了甲烷的运移通道,水对甲烷的抑制作用大于温度的促进作用;注热后的抽采过程中,高温促进了甲烷的解吸,解除了水对甲烷的抑制作用,使煤层气的产量大幅度提高。通过现场注热试验,已经形成了2种成熟的井下注热强化煤层气开采方法,即间歇注热方法和交替注热方法。2种注热方法具有相似的产气规律,即注热阶段的日产气量和甲烷体积分数一般比较低,而注热后抽采阶段的日产气量和甲烷体积分数均大幅度提高。现场注热试验结果表明,与传统的负压抽采方法相比,间歇注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和100倍以上,交替注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和50倍以上。现场注热试验结果与数值模拟结果共同表明,注热强化煤层气抽采的效果显著,注热后抽采阶段是煤层气的高产时间段。

原位条件下无烟煤热解产物随温度变化研究

为了研究深埋深无烟煤原位热解采气过程中的气体产物产量特性,采用高温高压三轴试验仪和气相色谱仪,获得100~600℃内无烟煤的热解产气量和产物,分析了产物和渗透性之间的关系。研究表明热解产气量随温度的变化可分为4个阶段:在100~200℃范围内为第1阶段(脱气阶段),无烟煤产生少部气体,析出的气体主要N_(2)和O_(2);在300~400℃范围内为第2阶段(热解起始阶段),无烟煤进一步热解,气体产量进一步上升,气体主要由煤热解产生的CH_(4)、CO_(2)、H_(2)和C_(2)H_(6)等组成,400℃是热解产气量第1个峰值;在400~500℃范围内为第3阶段(热解阶段),由于无烟煤中有机物质的热稳定性所致,导致产气量降低;在500~600℃范围内为第4阶段(裂解阶段),热解气体产量又一次持续增加,该部分气体主要为CH_(4)、C_(2)H_(6)和H_(2);渗透率受热解过程中的产物影响,300℃是低渗透煤层注热开采瓦斯合理的注热温度。

热流固耦合作用下滑脱效应对煤岩低温渗透性的影响

【目的】增加煤储层渗透性是提高煤层气采收率的关键技术,原位注热开采是强化煤层气开采的有效方法。【方法】为了探索热流固耦合作用下煤储层渗透率的变化规律,进行了不同埋深不同温度无烟煤渗流试验,并对结果进行理论分析研究。【结果】1)三维有效应力作用下,无烟煤渗透率随温度和孔隙压力的变化呈“V”形,具有明显的回弹现象,随埋深的增加而减小。当孔隙压力小于临界孔隙压力,温度小于70℃时,煤体渗透性主要取决于滑脱效应。当孔隙压力大于临界孔隙压力,温度大于70℃时渗透性主要取决于热膨胀和孔隙压力对裂隙的张开程度,热刺激对渗透率的影响远大于孔隙压力。2)临界孔隙压力介于1~1.5 MPa之间,滑脱效应随温度的升高对渗透率的影响在逐渐减小,而且影响减小的梯度随埋深的增加而增大。3)裂隙张开度系数随温度升高和埋深增加而增加,但温度越高,不同埋深下渗透性对孔隙压力作用的敏感程度变化越小。【结论】这些研究结果进一步丰富了原位注热开采煤层气理论,并对煤层气的强化增渗开采提供有价值的参考数据。