文摘

解决问题的高地应力、低渗透率、低煤层气复苏,本文提出了一种优化技术,提高煤层渗透率,即。复苏,水气交替驱提高煤层气(WGA-ECBM)。气水两相流的渗流场是派生和多相流固耦合模型物理参数之间建立。本文研究三种位移方法的影响(注水、空气注入和水气交替注入)对甲烷的复苏。注入压力和注入的影响持续时间WGA-ECBM技术也进行了研究。的(甲烷体积分数)三种方法减少了17.84%,分别为12.72%和44.62%钻孔。影响范围(直径)是24.68米,149.73米和135.21米,分别。孔隙压力和位移面积也增加注射压力增加5 MPa梯度。和钻孔中降低了35.57%,43.82%,46.78%和51.72%的从10 MPa 25 MPa,分别。随注入时间的增加,影响范围扩大显著但孔隙压力分布变化小。和流离失所的地区略有降低,位移速度逐渐减慢。这在煤层技术促进多相流动迁移,并增加位移范围和甲烷回收效率。

1。介绍

中国煤层气生产显著低于其他煤炭资源丰富的国家,如澳大利亚和美国1]。由于不同的地质条件、煤层的渗透率较低,决定了甲烷提取的难度和排水2]。许多研究人员提出了一系列加强煤层气复苏(ECBM)技术解决上述问题,如大口径钻孔排水(3),液压冲孔(4],脉动冲击[5)、液压切(6)(或超高压力液压切割),水力压裂(7)有限公司₂-ECBM [8和预裂爆破9]。这些技术的基本机制是生成人工骨折在煤层中,可提高煤层的透气性,从而增加甲烷回收率。然而,甲烷是主要吸附在纳米孔的煤具有高吸附能力,这使得它难以有效提取甲烷吸附(10]。因此,在煤层甲烷回收率低的问题,不能从根本上解决。排水量甲烷被认为是一个有效的方法来恢复从小型煤炭毛孔(11]。

注水野外实习遇到了一些问题,例如贫穷甲烷回收率(12]。煤层中的水扩散是影响粘性力、摩擦力、和法向应力骨折墙,和水锁发生在煤层由于毛细管效应和嘉明现象(13]。最近,一些研究人员使用酸碱盐的解决方案来提高注入水(14],它仍然没有完全解决水锁损害,只有减少结合水的影响(15]。有限公司₂增强煤层气恢复(有限公司₂-ECBM)是一个很好的替代方法来获得较高的煤层气回收率(16),包括公司₂注入深煤层(17,18]。然而,有限公司₂注射会引起煤基质膨胀,透气性降低煤炭(19]。的吸附能力有限公司₂煤炭是高于甲烷,这可能导致煤与瓦斯突出的高风险或意外排放的CO₂在煤炭开采。考虑到公司的潜在危险₂提出了-ECBM、氮注入煤层(14]。N₂主要是由大气中的分离或分解含氮化合物,这需要成本生产、储存和运输。生产大量的N₂和有限公司₂是不经济的。CH的吸附₄和N₂对煤炭矩阵属于物理吸附,吸附容量的CH₄对煤炭矩阵比N₂。空气中含有78%的氮是常用的野外实习。

因此,我们提出了一个名为高压水和天然气的新技术交流封存(H-P-WGAS)在我们以前的工作20.]。在工作,我们讨论了H-P-WGAS技术的有效性,验证H-P-WGAS技术可以提高煤层甲烷迁移。实地测试表明,单个钻孔的平均甲烷排水流量显著增加,因此剩余煤层甲烷含量急剧减少。在目前的工作,注射压力的影响和持续时间对水和天然气交替封存煤层气将讨论,这是很重要的工程实践。

2。数值模型

在我们的研究中,水和空气都先后注入煤层甲烷取代。基于多孔介质中多相流理论,模型考虑流体渗流和毛细力在煤层和基本假设:(1)煤是一种多孔介质孔隙丰富和骨折的两倍。孔隙和裂缝系统是假定为连续系统(2)煤层是均匀的,多孔,各向同性。原位压力和甲烷煤层沼气含量到处都是统一的(3)甲烷在煤层的初始体积分数为85%,和水和空气饱和度为10%和5%,分别(4)煤层的温度是常数(293.15 K),而且没有边界和煤层之间的热交换(5)甲烷在煤层遵循理想气体状态方程

2.1。模型参数

煤层模型是300200年10 m。这个计划视图所示图1。一个钻孔模型建立。这是一个0.1米的钻孔位于计算的中心地带(X = 150, Y = 100)。八个探测点(H)被安排在不同的距离从注入井眼行l .如图2,边界煤层压力设置为2 MPa。煤层参数如表所示1。

2.2。多相流模型方程

2.2.1。流体在多孔介质渗流计算模型

煤层中的多相流动遵循达西定律和连续性方程(21,22]: 在哪里是液体的密度,公斤/米³;是每个阶段渗流速度,米/秒,是质量的流体来源,公斤/ (m³·s)。是单位体积的液体质量的煤炭矩阵,可以计算:

在目前的工作,煤的膨胀和变形矩阵由于吸水不考虑,所以孔隙率可以表示为: 在哪里 ; 和煤层初始体积应变和体积应变,分别;是煤炭骨架的体积弹性模量。

获得的孔隙率和渗透率的方程联立公式如下: 在哪里和煤层渗透率和初始渗透率,分别;和煤层孔隙度和初始孔隙度,分别。

达西定律的渗流多孔介质如下: 在哪里渗流速度的压力水,m / s;水动力粘度,Pa·s;k渗透率,医学博士;是水的压力密度,公斤/米³,引力势不同,米;重力加速度,9.8米²/ s。

(1)和(3)可以作为派生而来

2.2.2。多相流体迁移模型

煤层被视为一个连续的多孔介质充分发展毛孔和骨折。多相流体渗流遵循达西渗流定律(23]: 在哪里流体速度,m / s;是动态粘度的液体,Pa·s;κ有效渗透率,医学博士;相对渗透率,医学博士;是压力梯度(Pa / m)。

有效渗透率(κ)与相对渗透率( )并且可以计算:

甲烷总量包括吸附甲烷和免费的甲烷在煤基质可以计算: 在哪里是质量单位体积的甲烷在煤矩阵,公斤/米³;是煤的密度,公斤/米³;是朗缪尔体积(煤的最大吸附容量),m³/ t;朗缪尔压力,MPa;煤基质的孔隙率,%;在标准条件下甲烷的摩尔体积,米³/摩尔[24]。

多相流体传输是基于宏观质量守恒方程的每个阶段。平均体积分数(也称为饱和)的每个阶段。描述单相流体运输: 在哪里(无量纲)孔隙度;是相密度,公斤/米³;是体积分数(无量纲);代表了速度矢量的阶段我米/秒;是质量的阶段我(公斤/米³·s)。

假设每个相的体积分数的总和是1(100%),其余相的体积分数是通过: 在哪里是相体积分数我;是相体积分数j。

结合(8)和(11),其他的n - 1阶段流体运动方程可以得到:

3所示。结果与讨论

3.1。比较注射不同的液体

3.1.1。注水驱替

图3展示了进化的甲烷体积分数每2小时记录。注入的水从井眼扩大远场区域煤层。注水的影响范围扩大与注射时间的增加。如图4甲烷体积分数( )注入井眼附近(A, X = 3 m)显著降低2小时后从85%降至73.31%,22小时后下降到70.50%。24小时后注水,F到H点仍然在85%左右波动,显示出轻微的上升趋势,表明弱干扰注水。影响有效注水半径约13米。

在所有探测点增加了在初始阶段(小于5%),然后急剧下降。这种现象也出现在其他学者的实验研究11]。一个合理的解释是:在注水,受高喷射压力、压力梯度力甲烷由水和甲烷V₁流离失所水被动地流到外面,加上外部煤层气V₂没有受到液压渗透性的影响。这两个V₁和V₂重叠,增加简要和在一个小范围。

图5给时间孔隙压力在不同探测点。孔隙压力迅速增加在高压注水前两小时,这表明孔隙压力下迅速覆盖所有探测点注水。孔隙压力较高的地区接近注入孔,将有利于骨折煤炭身体和扩展的主要骨折。

3.1.2。空气喷射位移

如图6的减少低于水驱替。注入的空气扩展速度比水和有一个更广泛的流离失所的区域。如图7根据空气喷射位移,减少的探测点波动小。2 h内急剧下降。总探测点下降了90%在第一次2 h,表明高位移速度。空气在煤层相对均匀的扩张。

孔隙压力在不同探测点最后达到一个稳定值,当空气不断注入。不同的探测点的平均稳定孔隙压力为8.85 MPa(如图8),这是略高于8.05 MPa下注水。如图9空气喷射下,孔隙压力和影响范围都明显大于注水的注射时间(12小时)沿着线l .压力传播的速度明显快于注水。

3.1.3。空气交替位移的特征

水注入煤层在第12小时和空气在未来12小时。如图10,在井眼附近空气喷射下显著降低。和影响范围更大而同时注水。如图11,探测点A、B和C两次降低和稳定在43%左右,而稳定其他的探测点是58.5%。空气喷射下(24小时),在不同探测点没有变化,表明空气注入位移在两小时内完成。这种现象符合空气喷射。因此,WGA-ECBM技术是结合空气喷射的优点。下的空气改变位移,平均水平所有探测点的下降到52.9%,注水和空气喷射在相同条件下下降到79.3%和74.9%,分别。

空气交替下位移、孔隙压力首先增加注水。孔隙压力首先降低,然后增加空气喷射,如图12。空气喷射的时候(t = 12 - 13 h),孔隙压力降低,因为注入空气驱动多相流迁移。根据伯努利方程: ,部分的压力势能转化为动能。另一部分是失去当压力梯度骨折煤炭的身体扩大裂缝和突破名迁移通道。图13显示的三维分布煤层的孔隙压力。孔隙压力的下降速度逐渐减慢从井下到边界。

3.1.4。综合比较三种位移方法

图14显示减少在每个探测点三个位移的方法。减少空气交替位移下最重要的。探测点(F, G, H)不减少注水。然而,减少探测点(A, B, C)下注水高于空气喷射。

如图15,在钻孔下降到67.16%和72.28%在注水和空气喷射,分别。空气交替位移下降到40.38%。下降26.94%的基础上再减少17.84%的水注入。注水后,空气喷射在位移的帮助很重要,第二减少甲烷体积更大。如图15影响范围是24.68米,149.73米和135.21米(直径L线)在注水,空气注入和空气交替位移,分别。如图16、孔隙压力分布在24小时三个位移的方法是类似的。这表明注射压力24小时内完成了一个相对统一的传播。

3.2。空气交替位移不同注入压力下

注射压力影响孔隙压力和渗透率煤层是一种重要的工程参数。如图17,孔隙压力的轮廓似乎减少了在t = 12 h t = 8 h。注入的空气将methane-water孔隙空间向外渗透,克服了毛细管压力。暂时解决水封破坏导致孔隙压力降低,然后增加。

如图18,降低逐渐随着注入压力增加5 MPa的压力梯度。然而,减少略低于水驱替。空气喷射下影响范围大于,在注水。

如图19年底,注水(t = 8 h),影响范围从10 MPa 25 10.50 MPa, 15.88米,19.82米,22.27米,分别。钻孔的75.06%,66.79%,64.01%,和62.36%,分别。

如图20.注水的基础,空气喷射的位移效应显然是更好的。钻孔的49.43%、41.18%、38.22%和33.28%,分别。孔隙压力增加注射压力增加。压力梯度导致渗流(达西定律)。的影响范围从10 MPa 25 MPa是80.92米,113.26米,135.18米,154.54米,分别。而位移特征图19,影响范围明显扩大。

3.3。空气交替位移在不同注入持续时间

如图21的影响范围不断增加,增加注入持续时间。扩张的区域轮廓明显比在较大的空气喷射下注水。空气喷射更显著受注入持续时间的影响。

如图22WGA-ECBM,注射时间增加,在流离失所的面积越来越少受到注入持续时间的影响。钻孔的42.9%、41.2%、40.4%,分别为40.3%和39.3%。因为煤的吸附和解吸矩阵往往是平衡一段时间后。注射时间范围从8到96 h,和影响范围是77.72米,110.43米,135.18米,188.46米和270.90米,分别。然而,随着煤层润湿面积变大,渗流通道的增加,位移速度逐渐减慢,如图23。注射时间对孔隙压力的影响不大。孔隙压力可以传播模型边界在t = 8 h图24。孔隙压力分布特征是相似的在不同注入持续时间。

4所示。结论

甲烷的WGA-ECBM提供了一种新的高效技术复苏。在多相流固耦合模型,不同参数对流体迁移的影响,讨论了孔隙压力和甲烷含量,在现场应用具有重要的指导价值。(1)WGA-ECBM消除高甲烷区域由注水,同时也帮助注水进一步扩大影响范围。影响范围(直径)是24.68米,149.73米和135.21米在注水,空气注入和水气交替注入,分别。在相同的条件下,三种方法的孔隙压力分布特征是相似的在24小时(2)水气交替注入可以迅速减少再次基于甲烷还原下注水。钻孔的67.16%、72.28%和40.38%在注水,空气注入和水气交替注入,分别。WGA-ECBM甲烷还原效果的三种方法中是最好的(3)空气喷射的影响范围更广泛的比水注入。曲线的波动在每个探测点空气喷射是较小的。然而,注水比空气喷射减少。(4)注入压力和注入时间的影响下空气喷射大于下注水。高压注水长时间并不是有效的。在WGA-ECBM技术,降低和影响范围扩大的注入压力增加5 MPa的压力梯度。随注入时间的增加,影响范围扩大显著但孔隙压力分布变化小。和略有降低的位移,位移速度逐渐减慢

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。

确认

中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委)(授予数量:51874293,52004176),提供的金融支持国家科技重大项目(批准号:2020 yfa0711803)为这项研究。