超临界CO_2注入无烟煤储层煤岩应力应变效应的实验模拟研究

【摘要】：沁水盆地深部无烟煤储层CO_2地质存储与煤层气强化开发(CO_2-ECBM)应用前景广阔,高压注入深部煤储层的CO_2以超临界状态赋存,超临界CO_2注入煤层后会引起煤岩应力应变改变,影响深部无烟煤的超临界CO_2可注入性,成为制约CO_2-ECBM工程实施的关键科学问题之一。本文以沁水盆地深部无烟煤储层为研究对象,以深部无烟煤储层的温度、应(压)力为关键实验条件,以自主开发的“超临界CO_2地质存储与煤层气强化开发实验模拟系统”为模拟平台,以超临界CO_2注入深部煤层过程中煤岩应力应变效应的实验模拟为研究内容,建立了超临界CO_2注入深部煤层应力应变效应的实验模拟方法体系,揭示了超临界CO_2注入深部无烟煤的煤岩吸附-体积应变、孔-渗变化、力学性质变化、可注入性变化等的特征及规律,构建了围压条件下无烟煤吸附超临界CO_2-应力-应变耦合模型及其控制的渗透率变化模型,探索了超临界CO_2注入深部无烟煤储层的应力应变效应机理。本文研究取得了以下主要成果:(1)以煤矿井下和煤层气井揭示的煤储层地质特征为依据,确定了超临界CO_2注入深部无烟煤储层煤岩应力应变效应的实验模拟条件。(2)自主设计开发了深部地层环境下超临界CO_2存储与煤层气强化开发的实验模拟平台和煤层中超临界CO_2吸附量计算的数据处理软件,创新性地应用了排液法测试吸附气体过程中煤岩体积应变的实验设计原理,形成了研究超临界CO_2注入无烟煤储层应力应变的实验方法体系。(3)围压条件下无烟煤柱状试样超临界CO_2吸附量、体积应变与吸附平衡压力的关系不再适于用Langmuir公式进行拟合。基于热力学理论理论,建立了煤岩吸附-应力-应变耦合模型,模型中用CO_2密度替代吸附平衡压力可解决超临界CO_2无饱和蒸汽压的问题,吸附量、体积应变与CO_2密度的关系呈现近似Langmuir曲线形式的变化规律。(4)超临界CO_2注入无烟煤储层煤岩力学性质响应特征显著,表现为弹性模量和抗压强度降低、泊松比增大,超临界CO_2吸附与孔隙压力对煤岩力学性质具有软化作用。基于煤岩摩尔-库伦破坏准则、围压条件下的吸附方程、Griffith裂纹拉伸强度方程,得到了孔隙压力与吸附作用软化无烟煤试样强度的理论模型。(5)无烟煤试样渗透率对温度、有效围压、吸附体积应变的响应特征呈现负指数函数的变化规律,建立了温度-围压-吸附体积应变协同控制的渗透率变化数学模型;高压注入超临界CO_2后无烟煤微观孔隙结构表现为部分孔裂隙破坏、微孔孔容增大的特征。(6)煤层超临界CO_2可注入性随着煤层埋深与累计注入时间的增加而降低。基于可注入性表征模型、煤岩吸附-应力-应变耦合模型及其控制的渗透率变化模型,建立了评价煤层超临界CO_2可注入性变化的数学模型。揭示了煤岩吸附-体积应变、力学性质变化、渗透率变化、孔隙压力变化等对煤岩超临界CO_2可注入性的控制机理;提出并实验验证了注N2提高深部煤层超临界CO_2可注入性的方法和可行性。

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