基于Maxwell-Stefan双扩散模型的煤层气注气数值模拟

目前煤层气注气数值模拟软件中均以扩展Langmuir模型模拟多组分气体吸附/解吸,以拟稳态单孔扩散模型和Fick定律描述煤层基质中气体扩散,虽然简单,便于应用,但存在较大局限性。以试验数据为依据,评价扩展Langmuir、IAS和2D PR-EOS多组分气体吸附模型可靠性,并建立Maxwell-Stefan双扩散模型模拟气体扩散过程。最后,将双扩散模型与煤储层气水两相多组分渗流模型耦合,利用IMPES方法求解研究煤层气注气过程。研究表明:2D PR-EOS模型预测结果优于扩展Langmuir和IAS模型;注气初期基质中多组分气体吸附和甲烷解吸速率较快,之后逐渐变缓;该模拟方法可以较为准确地模拟煤层气衰竭和注气开发过程,预测煤基质中气体各组分浓度分布,为煤层气注气开发的研究及现场应用提供有效的技术手段。     

注气开采煤层气多组分流体扩散渗流问题研究

依据双重介质扩散渗流和多组分吸附平衡理论,建立了注气开采煤层气多组分流体扩散渗流模型,还利用数值方法研究了注气开采煤层气的增产机理.研究表明,注入二氧化碳气体不但减少煤层甲烷的分压,加速煤层甲烷的解吸,而且二氧化碳气体比甲烷气体更易吸附,更易竞争吸附置换煤层甲烷分子,从而提高了煤层气产量.     

煤层气注气开采多组分流体扩散模型数值模拟

为了解决低渗透煤层气开发遇到挑战，依据双重介质扩散渗流和多组分吸附平衡理论，建立了注气开采煤层气多组分流体扩散渗流模型，利用数值方法研究了注气开采煤层气的增产机理．研究表明，注入二氧化碳气体不但减少了煤层甲烷的分压，加速了煤层甲烷的解吸，而且二氧化碳气体比甲烷气体更易吸附，竞争吸附置换煤层甲烷分子，从而提高了煤层气产量，结果表明注气开采煤层气是提高我国低渗透煤层气产量的有效途径。     

间歇注气抽采煤层气井注气量与采收率分析研究

水力压裂煤层、注气提高煤层气采收率等生产工艺过程中,煤层中流体的运动是多相多组分流体的扩散渗流。假定煤层为孔隙裂隙二重介质,孔隙中只存在吸附状态气相,裂隙是气、水共存空间,孔隙与裂隙之间气体的交换量是渗流场中的质量源。试验研究了质量源与时间和煤层结构的关系,测定了吸附置换速率的衰减系数。应用多孔介质中扩散渗流理论,再运用质量连续方程,导出了多相多组分流体的扩散渗流微分方程。忽略占煤层中气体总量百分比很小的游离状态气体在微分方程中随时间变化,从而求出了单井间歇注气抽采煤层气井在注气过程注气量的近似表达式。分析解表明注入气体流量与注入气体压力和煤层气初始压力之差、竞争吸附置换速率成正比;煤层渗透率越大、煤层气和注入气体的混合粘性越小,吸附竞争置换速率越小和注气抽采煤层气效果越差;注气抽采煤层气工艺适合低透气性煤层。     

双孔双渗煤岩渗透率演化模型及应用

为了探究二氧化碳在煤岩封存过程中的渗流变化趋势,视煤岩为双重介质,综合考虑二氧化碳的Fick扩散、Knudsen扩散、表面扩散以及有效应力变化引起的弹性变形和吸附引起的基质膨胀变形的影响,建立煤岩双孔双渗渗透率演化模型。通过二氧化碳注入煤岩的室内实验,验证该模型的有效性。基于有限元软件COMSOL,将建立的渗透率演化模型应用于煤层二氧化碳封存技术,对原位状态下二氧化碳注入煤岩10 000天过程中的渗透率演化规律进行数值模拟。结果表明:煤岩基质和裂隙的净渗透率随注入时间和气体压力的增加而减小;在二氧化碳封存过程中,基质渗透率由吸附作用控制,有效应力发挥作用很小;裂隙渗透率由吸附作用和有效应力共同控制,其中吸附作用占主导。     

注入CO_2提高煤层气井产能技术的作用机理

向煤层中注入CO2可以提高煤层气采收率(CO2-ECBM)。这一技术目前已在国内外得到验证。中文介绍了该技术的作用机理在于CO2与CH4在煤体内的竞争吸附过程中处于优势,能够将吸附态的CH4置换为游离态。从煤级、煤的有机显微组分、煤储层渗透率、煤基质的吸附膨胀和煤层含水性5各方面介绍了这一技术的影响因素。指出了未来需要关注的方向。     

CO2驱替沥青质原油长岩芯实验及数值模拟

针对CO2驱油过程中出现的沥青质固相沉积现象,综合考虑注气过程中沥青质在多孔介质中的沉积、吸附及堵塞效应,建立了CO2驱替含沥青质原油多相多组分渗流模型。以长岩芯实验为基础,拟合实验数据表明使用本文建立的模型计算的采收率与实验值更接近。同时对CO2气驱过程中沥青质沉积规律进行了探讨,模拟研究表明,注入CO2过程中,沥青质沉积首先发生在注入端;沥青质吸附也首先发生在注入端,但随着注入气量的增加,存在解吸附过程;沥青质沉积前缘与注气前缘一致,说明注入CO2是导致原油中的沥青质沉积的主要原因。     

CO2煤层注入埋藏意义及原理分析

二氧化碳的煤层处置即CO2-ECBM（Enhanced Coallbed Methane Recovery）技术。主要是通过将收集到的二氧化碳注入煤层。借助于煤基质块的吸附作用将二氧化碳“固定”埋藏于地下。实现减少大气中温室气体的作用。     

CO2注入咸水层的动力弥散-对流-溶解计算模型

如何模拟CO2注入咸水储层的质量传输过程是实施CO2注入地下咸水层的关键.通过分析CO2注入咸水储层的质量传输过程,基于质量守恒原理,建立考虑对流、动力弥散及溶解的计算模型,利用有限元法开发了相应的数值计算程序CO2-IA.数值算例研究地下水渗流速度对CO2注入的影响,结果表明:地下水渗流速度对CO2的质量传输影响很大,随着地下水渗流速度的增加,地下水的对流和弥散效能均增强,从而有效地提高了咸水层中CO2的封存量和封存效率.     

流固耦合作用下注气开采煤层气增产规律研究

提高低渗透煤层气产量是我国煤层气开采中急需解决的关键问题,加速煤层甲烷解吸过程的注气增产方法是提高低渗透煤层气产量的有效途径。由于排采降压在孔隙流体压力变化的范围内会引起储层孔隙介质的应力和应变的变化,造成有效渗透率和孔隙度的降低,同时也影响注气和产气的动态参数。研究这些规律,首先建立了注气开采煤层气多组分流体扩散渗流的流固耦合模型,利用数值方法研究了注气开采煤层气的增产机理。研究表明,注入二氧化碳气体不但减少了煤层甲烷的分压．加速了煤层甲烷的解吸;而且二氧化碳气体比甲烷气体更易吸附,竞争吸附置换煤层甲烷分子,从而提高了煤层气产量,同时必须重视耦合作用对注气增产造成的不利影响。     

注烟道气提高煤层气采收率(CO2-ECBM)的可行性分析

CO2-ECBM技术是随着煤层气资源的大量开采和对温室效应的逐渐关注提出和发展起来的.应用CO2-ECBM技术可以提高煤层甲烷的采收率,为人类提供更多的清洁能源,同时又可以埋藏大量烟道气CO2,减少温室效应,具有环境效益.此外,本文给出案例分析了CO2-ECBM技术的发展前景.     

The characteristic curve of methane adsorbed on coal and its role in the coalbed methane storage research

Based on the adsorption potential theory, this paper processes and analyzes the isothermal adsorption data at different temperatures of four coal samples with different ranks. The research results indicate that the adsorption characteristic curve of methane adsorbed on the coal sample is a single curve, and the mathematical expression of the methane adsorption capacity, temperature and pressure is achieved from the characteristic curve. According to the calculating routine and method presented, the adsorption capacity at other equilibrium conditions can be calculated from the adsorption data of one temperature. The results of this paper are a significant contribution to the research on the storage mechanism of the coalbed methane.     

煤层气有限导流压裂井的压力动态分析

针对煤层气产出过程中的降压、解吸、扩散、渗流等特点,应用非稳态解吸模型;研究了煤层气在基质和割理中的单相流动;建立了新的有限导流压裂井评价模型;讨论了裂缝壁面表皮系数、吸附系数、裂缝储容系数和窜流系数对压力动态的影响;分析了煤层气压裂井的压降典型曲线特征和参数估计方法,从而为煤层气藏开发提供了可靠的数据。     

沁水盆地南部煤层气藏特征

以油气、煤田和煤层气勘探阶段积累的资料为基础,系统探讨了沁南煤层气藏的特征。通过对气藏静态特征（包括煤层空间几何形态、煤层气成分和含量、储层物性、吸附特征、储层压力及封闭条件）和动态过程（包括煤层气形成、运移和聚集）的分析,指出晚古生代的煤层在经历了印支期和燕山期两次煤化作用生成的煤层气,在喜马拉雅期遭受了严重的调整与改造后逐渐形成现今的沁南煤层气藏。直接控制该煤层气藏中煤层气富集程度的因素为顶底板与边界断层。目前的高产煤层气井基本上都位于地下水滞流区。     

Displacement desorption test of coalbed methane and its mechanism exploring

Through the test of CH4 displaced by CO2 using the coal sample as the adsorbent, this paper has found the coalbed methane (CBM) displacement desorption phenomenon under the natural conditions and CBM mining conditions. With the help of the adsorption theory of the modern physical chemistry and interfacial chemistry, the CBM competitive adsorption and displacement desorption mechanism are intensively discussed, and a new path for studying the CBM desorption mechanism in the CBM exploitation process is explored.     

二氧化碳置换甲烷试验中渗透率变化研究

为研究煤层注CO2置换CH4过程中煤样对气体的吸附特性及渗透率变化特征,利用沁水盆地圆柱体原煤试样,在恒定体积应力(36 MPa)及不同注入压力(1~5 MPa)条件下,进行CO2置换CH4试验。结果表明:煤体对CO2的渗透率高于CH4气体;置换试验中,随注入压力的降低,煤体中CO2吸附相浓度逐渐升高,而CH4气体吸附相浓度呈相反变化趋势;在试验压降范围内,煤体对CO2、CH4气体的吸附量分别降低了48.73%、68.04%,煤体解吸CH4能力强于CO2气体。同时,在置换过程中,煤样置换渗透率受有效应力效应、基质收缩效应及滑脱效应等作用影响,其随注入压力的降低呈现先降低再增大的变化关系,且渗透率最低值出现在压力3.25 MPa时;在体积应力36 MPa条件下,注入压力下降后期渗透率相对于初期提高了17.03%。     

Thermal simulation of the formation and evolution of coalbed gas

Thermal simulation experiment of gas generation from the peat and the coals were performed using the high temperature and pressure apparatus, at temperature ranging from 336.8-600℃, a pressure of 50MPa and two heating rates of 20℃/h and 2℃/h, and the evolution and formation of coalbed gas components were studied. Results show that for the coals, the gaseous products are mainly composed of hydrocarbon gases. However, for the peat the content of hydrocarbon gases in gaseous products is lower than that of non-hydrocarbon components. In the generated hydrocarbon gases methane is predominant and heavy hydrocarbon gases (C2-5) are present in small amount. Meanwhile, carbon dioxide (CO2) predominates the generated non-hydrocarbon gases, and hydrogen (H2) and sul-furated hydrogen (H2S) are existent in trace amount. It is also observed that temperature is the main factor controlling the evolution of coalbed gas generation. With increasing vitrinite reflectance, methane rapidly increases, CO2 sightly increases, and C2-5 hydrocarbons first increase and then decrease. The peat and Shanxi formation coal have a higher generative potential of coalbed gases than coals and Taiyuan formation coal, respectively, reflecting the effect of the property of organic matter on the characteristics of coalbed gas component generation. In this study, it is found that low heating rate is favorable for the generation of methane, H2 and CO2, and the decomposition of C2-5 hydrocarbons. This shows that heating time plays an important controlling role in the generation and evolution of coalbed gases. The results obtained from the simulation experiment in the study of coalbed gases in natural system are also discussed.     

煤层气吸附机理研究的发展与展望

综述了国内外煤层气吸附机理研究的发展历程,总结了该领域目前面临的主要困难,展望了进一步深入研究的方向。煤层气吸附机理进一步深入研究应分别从实验和理论两方面入手,吸附实验的研究应注重所测实验体系的完备性和模拟实际环境的真实性,吸附理论的研究则应注意理论模型针对的实际情况的适用性和具体使用时的简洁性。