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超临界CO2注入无烟煤力学响应机理与可注性试验研究

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变量注释表

1. 绪论

1.2 国内外研究现状及存在的问题 (Research Status at Home and Abroad)

1.3 研究内容与方案 (Research Content and Research Scheme)

2 沁水盆地煤储层超临界CO2注入地质条件

2.1 地质条件概况(Geological Conditions)

2.2 煤储层物性特征(Physical properties of coal reservoir)

2.3 超临界 CO2的物性特征(Physical properties of Supercritical CO2)

3 煤岩中注入超临界CO2的膨胀应力应变效应

3.1 实验平台介绍(Introduction of Experimental Platform)

3.2 电阻应变片的测试原理与方法(Strain Testing Principle and Method of Resistance Strain Gauge)

3.3 实验模拟介绍(Introduction of Experimental Simulation)

3.4 CO2的吸附量计算和修正(Calculation and Correction of CO2 Adsorption Capacity)

3.5 煤中CO2的吸附与体积膨胀特征 (Adsorption and Swelling Characteristics of CO2 in Coal)

3.6 煤岩的吸附膨胀应变特征( Adsorption Swelling Strain Characteristics of Coal-Rock)

3.7 煤岩的吸附膨胀应力特征( Adsorption Swelling Stress Characteristics of Coal-Rock)

3.8 小结(Summary)

4 煤岩中注入超临界CO2的力学性质响应及软化机理

4.1 实验模拟方案(Experimental Simulation Scheme)

4.2 煤岩中注入 CO2 三轴力学实验结果( Results for Triaxial Mechanical Experiment of Coal-Rock with CO2 Injection)

4.3 煤岩中注入 CO2 力学性质响应( Mechanical Property Responses of Coal-Rock with CO2 injection)

4.4 CO2注入后煤岩的破坏模式分析( Failure pattern analysis of Coal-Rock after CO2 injection)

4.5 CO2注入后煤岩的力学性质软化机理( Mechanical Property Softening Mechanism of Coal-Rock with CO2 Injection)

4.6 小结(Summary)

5 超临界CO2注入过程中煤储层的渗透率动态演化及数值模型

5.1 实验模拟方案(Experimental Simulation Scheme)

5.2 CO2 注入过程中渗透率动态演化( Dynamic Evolution of Permeability during CO2 Injection Process)

5.3 煤岩渗透率的各向异性特征( Anisotropic Characteristics of Permeability in Coal-Rock)

5.4 CO2吸附和应力对煤岩各向异性渗透率的影响(Effects of CO2 Adsorption and Stress on Anisotropic Permeability of Coal-Rock)

5.5 CO2 注入过程中煤岩各向异性渗透率模型( Anisotropic Permeability Model of Coal-Rock during CO2 Injection Process)

5.6 渗透率模型的验证(Verification of Permeability Model)

5.7 小结(Summary)

6 煤储层超临界CO2可注性评价及增注措施

6.1 煤储层超临界 CO2 可注性模型的建立( Establishment of Supercritical CO2 Injectivity Model of Coal Reservoir)

6.2 煤储层超临界CO2可注性实验模拟(Experimental Simulation of Supercritical CO2 Injectivity in Coal Reservoir)

6.3 间歇式注入提高煤储层 CO2可注性实验模拟(Experimental Simulation on Enhanced CO2 Injectivity of Coal Reservoir by Intermittent Injection)

6.4 注 N2 提高煤储层 CO2 可注性实验模拟( Experimental Simulation on Enhanced CO2 Injectivity of Coal Reservoir by N2 Displacement)

6.5 预压裂提高煤储层 CO2 可注性实验模拟( Experimental Simulation on Enhanced CO2 Injectivity of Coal Reservoir by Pre-fracturing)

6.4 小结(Summary)

7 结论与创新点

7.1 主要结论(Conclusions)

7.2 创新点(Innovations)

参考文献

作者简历

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摘要

注入超临界CO2于深部不可开采煤层中,既可以降低CO2的排放量又实现了CH4的强化开采,该技术具有环境和能源双重效益。本文以沁水盆地南部无烟煤储层为研究对象,以自主研发的“CO2注入与煤层气强化开发实验模拟系统”为研究平台,在现场调研、理论分析和实验模拟的基础上,阐明了CO2注入过程中煤岩吸附量-膨胀应变-膨胀应力的演化特征、煤岩力学性质的响应机制和煤储层渗透率的动态变化规律,建立了多因素影响下煤岩的渗透率模型以及超临界CO2可注性评价模型,提供了CO2间歇注入、N2驱替CO2和预压裂增注方法的实验室证据。 (1)研究了煤岩吸附CO2后体积膨胀应变、膨胀应力的演化规律,揭示了其变化机理,发现了煤岩膨胀应变的各向异性特征,并进行了定量表征。CO2吸附引起了煤岩的膨胀,体积膨胀应变和吸附量之间呈现出“缓慢膨胀-迅速膨胀-膨胀稳定”的阶段性变化趋势。膨胀应变具有明显的各向异性特征,即:垂直层理方向膨胀量>平行面割理方向膨胀量>平行端割理方向膨胀量。煤岩的吸附膨胀各向异性可以用各向异性指数来定量表征,CO2吸附压力的增大提高了吸附膨胀的各向异性指数。在受限条件下,煤岩的吸附膨胀会引发膨胀应力,膨胀应力随着吸附时间的增大而增大,另外,CO2注入压力对膨胀应力具有促进作用,而围压和温度对膨胀应力产生了明显的抑制作用。 (2)分析了煤岩力学性质的演化特征,划分了注入CO2煤岩的破坏模式,阐明了CO2注入煤岩的力学软化机理。CO2注入后煤岩的力学性质发生改变,主要表现在峰值强度、弹性模量的降低和泊松比的升高,这些力学参数的变化主要受CO2注入时间、CO2相态和水分含量的影响,煤岩在注入亚临界CO2、超临界CO2和超临界CO2+水后其破坏模式从脆性剪切破坏、过渡性剪切破坏转变为塑性破坏。CO2注入过程中,煤岩的软化作用与煤的大分子结构、表面自由能、软化温度、孔裂隙系统的改变和结构损伤有关。 (3)得到了煤岩渗透率的动态演化规律,确定了渗透率的主控因素和各向异性特征,建立了煤岩动态渗透率模型。煤储层渗透率动态变化受CO2吸附、有效应力、水分含量和温度等因素综合控制,而CO2吸附和有效应力是主控因素。煤岩渗透率同样呈现各向异性特征,表现在平行面割理方向渗透率>平行端割理方向渗透率>垂直层理方向渗透率,其中层理渗流主要受控于煤岩有效应力,而割理渗流主要受控于CO2吸附。 (4)构建了CO2可注性评价模型,提供了CO2间歇注入、N2驱替CO2和预压裂等增注方法的工程效果和科学依据。本文建立了多因素影响下煤岩的渗透率模型以及超临界CO2可注性评价模型,并通过实验证实了该可注性评价模型的可靠性和有效性。立足于CO2直接注入导致煤储层可注性衰减的事实,本文揭示了CO2间歇注入、N2驱替CO2和预压裂等增注方法的效果和科学依据,结果表明预压裂对提高CO2可注性效果最好,而CO2间歇注入和N2驱替CO2的效果有限。

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