热流固耦合作用下无烟煤的渗透性及其影响因素研究

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无烟煤具有碳含量高、杂质含量低和煤化程度较大等特点,是开发煤层气的重点目标之一。燃煤燃料的大规模使用是引起全球变暖、水平面上升和环境恶化的主要原因,所以对于要加强对煤炭及其煤层气的绿色高效开采的重视。随着深部开采的推进,无烟煤的三高问题更加突显出来,常规的井工由于开采成本高、污染、地质条件高等缺陷。所以对于无烟煤的开采,可采用原位注热流体化开采法来解决,该方法具有清洁、高效、开采成本低等优点。因此,本文从物理和化学角度出发,利用宏观与细观相结合的研究方法,结合高温高压渗流试验,研究了无烟煤渗透率随温度的变化规律,得到了孔隙压力、地应力、滑脱效应、热解气体和微细观结构对渗透特性的影响规律,主要结论如下:(1)得到了无烟煤原位热解采气过程中的渗透规律。采用高温高压三轴渗透测试试验,研究了在不同温度和孔隙压力下实时测量无烟煤的渗透率。结果表明,渗透率随温度的变化可分为四个阶段:25℃至100℃,渗透率随温度升高而降低;100~300℃,渗透率上升且温度达到峰值;300~400℃,渗透率开始降低;400~600℃,渗透率达到拐点后并快速增加。由于煤体受滑脱效应的影响,因此煤的渗透特征呈“V”字形变化。在25~600℃范围内,当孔隙压力小于2 MPa时,煤储层中的渗流特性受滑脱效应影响,渗透率随孔隙压力的增大而减小。当孔隙压力超过2 MPa时,滑脱效应消失,渗透率随孔隙压力的提高而增大。温度引起热解反应、孔隙压力和地应力引起大孔裂隙的连通是影响煤体渗透率变化的主要因素。(2)得到了固流热耦合作用下滑脱效应对渗透性影响研究了固流热耦合作用下滑脱效应对渗透性影响研究。受滑脱效应影响,煤的渗透率呈“V”字形变化。煤的气测渗透率下降2 MPa之后,孔隙压力的平方与渗透率的倒数为线性关系。临界孔隙压力随温度呈波动性特征,受温度和地应力作用,并不是所认为的1.5MPa。临界孔隙压力在渗透较高时较小,渗透率较低时较大。克氏渗透率和绝对渗透率也随温度变化呈阶段性变化,其规律与气测渗透率基本上一致,但是绝对渗透率大于克氏渗透率。300℃是无烟煤低温热解过程中的一个转折温度,孔隙压力作用的敏感度较小,温敏效应高,孔隙压力作用小于温度作用。渗透性已经达到完全渗透的指标,“注热增渗”可以考虑加热温度为300℃。今后可将试验和煤层瓦斯抽采、煤气共采等工程进一步结合,为现场提供理论指导。(3)得到了固流热耦合作用下无烟煤热解产物与渗透性相关性采用高温高压三轴试验仪和气相色谱仪。获得100~600℃范围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,热解产气量以及产物速率随温度的变化,可分为四个阶段:第1阶段(脱气阶段)在100℃和200℃范围内,无烟煤产生少部气体,析出的气体主要N2和O2。第2阶段(热解起始阶段)在300℃和400℃范围内,无烟煤进一步热解,气体产量进一步上升。该部分气体主要是煤热解产生的CH4、CO2、H2和C2H6等气体组成,。400℃是热解产气量第1个峰值。第3阶段(热解阶段)在400℃和500℃范围内,由于无烟煤中有机物质的热稳定性所致,导致产气量降低。第4阶段(裂解阶段)在500℃和600℃范围内,热解气体产量又一次持续增加。该部分气体主要为CH4、C2H6和H2。热解是造成渗透率和热解产物变化的主要原因。(4)验证了原位条件下地应力对渗透特性的影响。采用X-CT扫描技术,研究了600℃后不同地应力下无烟煤孔隙裂隙结构和孔隙度变化。由试验结果可知,同一温度孔隙压力条件下,随着地应力增加,渗透率越小,围压对孔裂隙起着保护作用,而总孔隙度和有效孔隙度随埋深增加而减小。这从微观角度直接验证了渗透率随埋深增加而较小。煤样结构的重要指标是煤的孔隙度,大孔的连接是渗透率变化的主要原因,600℃时,孔隙连结发达构成渗透网络。因此,从微观角度,孔隙度可以直接代表渗透率的变化,这可以为宏观和微观之间加起桥梁,孔隙度代表着微观世界中的“渗透率”。
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