阜新煤田CO2置换煤层气实验研究

论文摘要

本论文在对阜新煤田的地质、储层条件研究的基础上,选取阜新盆地刘家煤层气勘探区和东梁矿的两组中煤级样品,采用IS-100等温吸附仪开展了注CO2等混合气体置换CH4的实验研究。针对两组样品,分别开展了单组分气体（CO2,CH4和N2）吸附实验,二元混合气体（80%CO2+20%CH4,20%CO2+80%CH4,50%CO2+50%N2）的吸附和解吸实验,以及纯CO2和混合气（80%CO2+20%N2,20%CO2+80%N2）置换甲烷三个系列的实验。在实验各个阶段均采用气相色谱分析法测试了各系列实验中游离相浓度的变化,并利用扩展兰氏方程和相分离原理,计算了吸附、解吸和置换过程中混合气体中吸附相的变化规律,进一步分析了混合气体的吸附、解吸和混合气体（包括纯CO2）置换CH4的机理。论文对我国的中煤级样品开展了注气置换的实验室模拟研究,该项研究不仅丰富了我国注CO2等混合气体置换CH4从而提高煤层气采收率的理论,同时也为二氧化碳深埋技术提供了一定的理论基础。单组分气体的吸附实验结果表明,三种气体对煤的吸附性能从强到弱依次为CO2,CH4和N2。二氧化碳具有比甲烷更高的吸附能力,这也是用二氧化碳来置换甲烷气体的主要原理之一。刘家样较东梁样的吸附能力强主要是因为刘家样的镜质组和壳质组含量较高而灰分和矿物质含量较低造成的。二元混合气体的吸附解吸实验结果表明,煤总是先吸附吸附能力强的气体,同时总是先解吸吸附能力弱的气体,二元混合气体的吸附和解吸过程中均出现了明显的CO2气体置换CH4气体现象。比较两组样品发现,CH4和CO2二元气体中CH4的解吸速率、解吸率和单位压降下的解吸率均取决于样品对不同气体组分的气体分离因子和组分中CO2的相对比例。CO2相对于CH4的分离因子越高,组分中CO2的比例越高,则CH4的解吸速率和单位压降下的解吸率就越高。总结三个系列实验的结果,影响注CO2气体置换CH4的四个主要因素包括:（1）混合气体组分中CO2含量越高,越有利于置换。纯组分CO2的置换效果最好,CO2含量大于80%后就会取得明显的置换效果。（2）置换时,注入CO2或混合气体的压力点不能高于该混合气体中CO2组分的临界压力,否则将起不到置换的效果,本实验中最高注入压力为5.6MPa。（3）间断式注气的置换效果明显要优于连续性注气的方式。（4）用于置换的CO2对CH4气体分离因子越高,煤储层的置换效果越好。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 论文的选题目的及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 煤层气赋存状态与吸附、解吸机理研究现状
• 1.2.2 煤层气开采基础与提高采收率研究现状
• 1.2.3 国内外注气提高采收率的研究现状
• 1.2.4 注气增产法开发煤层气的机理分析
• 1.2.5 注气增产法开发煤层气的研究方向
• 1.3 研究方法与技术路线
• 1.3.1 基本原理与技术保障
• 1.3.2 主要研究内容与技术路线
• 1.4 完成的主要工作量
• 1.5 主要成果及创新性认识
• 2 实验方案设计
• 2.1 实验样品的基本地质特征
• 2.2 储层条件和实验气体
• 2.3 实验准备和样品制备
• 2.3.1 平衡水样品的制备
• 2.3.2 参照室、样品室和自由空间体积校正
• 2.4 吸附一解吸实验
• 2.5 置换实验
• 2.6 实验数据处理
• 3 样品的物性特征
• 3.1 煤储层的显微裂隙特征
• 3.2 样品的中—大孔发育特征
• 3.3 煤样的微—小孔发育特征
• 4 吸附-解吸与置换实验结果
• 4.1 单组分气体的吸附实验
• 4.1.1 二氧化碳的吸附实验
• 4.1.2 甲烷的吸附实验
• 4.1.3 氮气的吸附实验
• 4.2 二元混合气体的吸附解吸实验
• 2+20%CH₄吸附解吸实'>4.2.1 80%CO₂+20%CH₄吸附解吸实
• 2+80%CH₄吸附解吸实'>4.2.2 20%CO₂+80%CH₄吸附解吸实
• 2+50%N₂吸附解吸实'>4.2.3 50%CO₂+50%N₂吸附解吸实
• 4.3 注气置换实验
• 2置换甲烷实验'>4.3.1 100%CO₂置换甲烷实验
• 2+20%N₂置换甲烷实'>4.3.2 80%CO₂+20%N₂置换甲烷实
• 2+80%N₂置换甲烷实'>4.3.3 20%CO₂+80%N₂置换甲烷实
• 5 吸附-解吸与置换机理研究
• 5.1 多元气体吸附相中组分浓度的计算
• 5.1.1 扩展兰氏方程及二元气体吸附的分离因子
• 4-CO₂吸附解吸过程中吸附相的分割'>5.1.2 CH₄-CO₂吸附解吸过程中吸附相的分割
• 4-CO₂相分割图'>5.1.3 CH₄-CO₂相分割图
• 5.2 置换过程吸附相中各组分的分割
• 2+80N₂混合气体置换过程'>5.2.1 20%CO₂+80N₂混合气体置换过程
• 2+20N₂混合气体置换过程'>5.2.2 80%CO₂+20N₂混合气体置换过程
• 2气体置换过程'>5.2.3 100%CO₂气体置换过程
• 5.3 小结
• 6 置换实验效果评价与最佳方案设计
• 6.1 二元混合气体解吸实验的结论
• 4的解吸速率'>6.1.1 CH₄的解吸速率
• 4的解吸率与单位压降下的解吸率'>6.1.2 CH₄的解吸率与单位压降下的解吸率
• 2的吸附率'>6.1.3 CO₂的吸附率
• 6.2 置换实验效果评价及最佳方案设计
• 6.2.1 置换效果评价
• 6.2.2 注气置换方案设计
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 博士期间发表论文目录