沁水盆地南部高阶煤产气机理与产气规律研究

论文摘要

我国高阶煤煤炭资源量巨大,煤层气资源量也很丰富,达3.58万亿立方米多。由于我国地质条件和含煤盆地的构造活动复杂,存在着独特的煤层气产气机理和产气规律,而国内外也没有形成系统地分析高阶煤产气机理和产气规律的理论。本文结合沁水盆地南部高阶煤的现场数据,以沁水盆地3#煤层为研究对象,通过研究该煤体的孔隙系统和孔隙微观结构、煤层气吸附解吸规律、渗流机理,提出沁水盆地高阶煤产气机理和规律;建立反映煤层气流动过程中吸附-解吸-扩散-渗流的气水两相渗流场、煤层应力-应变场的流固动态耦合模型,分析沁水盆地高阶煤的产气规律,对中国高阶煤煤层气的勘探开发具有实际的指导意义。本文主要开展的工作:①分析了国内外煤层微孔结构、煤层气吸附、扩散、渗流及流-固耦合模型等方面的研究现状,明确了本论文研究的意义、研究内容和研究方法。②在明确了高阶煤的界定的基础上,概述了我国高阶煤的资源分布特点以及我国主要高阶煤地区的煤层气生产与赋存,并提出了高阶煤煤层气的成藏特征;同时,分析了沁水盆地南部的基本地质概况。③实验研究了不同煤阶煤的孔隙特征和比表面积,高阶煤煤层气的吸附、解吸特性,在此基础上分析了高阶煤煤层气的吸附解吸机理。④分析了煤储层中煤层气渗流的基本特征,并通过实验研究了不同煤阶煤的渗透特性,实验得出煤的渗透性与煤级、应力场、温度场等有关;提出了反映煤层气在煤层裂缝隔理宏观孔隙系统中煤层气流动的渗流压力场、温度场和应力场的高阶煤煤层气单相流固耦合数学模型,并实现了以煤层瓦斯开采为初始和边界条件的数值解,有效模拟了高阶煤煤层气的渗流过程,分析了高阶煤煤层气单相气体排采规律。⑤实验研究了高阶煤煤层气、水两相渗流特性,提出了煤层气、水相对渗透率随饱和度变化时的规律和特点;建立考虑煤层气渗流压力场与煤体变形场的气水两相流固耦合的煤层气渗流模型,采用数值模拟手段分析考虑煤层气渗流压力场、煤体变形场和气水两相耦合作用时煤层气生产井周围的压力变化规律,分析高阶煤层气、水两相的排采规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 煤层孔隙结构的研究
• 1.2.2 煤层气吸附的研究
• 1.2.3 煤层气扩散的研究
• 1.2.4 煤层气渗流的研究
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 1.3.1 本文研究的目的
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 2 高阶煤储层的物性特征
• 2.1 高阶煤的界定
• 2.2 高阶煤资源分布特点
• 2.3 我国主要高阶煤地区的煤层气生成与赋存
• 2.3.1 沁水煤田的南部晋城－翼城矿区
• 2.3.2 华北南部济源－荥汞－永城－淮北高阶煤展布带
• 2.3.3 华南地区的高阶煤展布带
• 2.4 高阶煤煤层气成藏特征
• 2.4.1 煤层气成因以原生和次生热成因煤层气为主
• 2.4.2 煤阶高，煤层吸附量大，含气量高
• 2.4.3 变质程度高，基质致密，煤层物性渗透率偏低
• 2.4.4 构造热事件和构造应力场对煤层物性起到决定作用
• 2.4.5 高阶煤滞流水区域为富气区
• 2.4.6 成藏过程复杂
• 2.5 沁水盆地南部地质概况
• 2.5.1 地层特征
• 2.5.2 地质构造
• 2.5.3 煤储层特征
• 2.5.4 沉积特征
• 2.5.5 煤层展布
• 2.5.6 水文地质
• 2.5.7 煤层气特征
• 2.6 本章小结
• 3 高阶煤煤层气解吸扩散机理研究
• 3.1 煤样微观孔隙结构及其实验研究
• 3.1.1 煤样微观孔隙结构
• 3.1.2 煤微观孔隙结构的实验研究
• 3.2 高阶煤煤层气吸附/解吸实验研究
• 3.2.1 高阶煤煤层气吸附实验研究
• 3.2.2 高阶煤煤层气解吸实验研究
• 3.3 高阶煤煤层气吸附与解吸过程的动力学规律
• 3.3.1 经验公式
• 3.3.2 吸附/解吸-扩散控制模型
• 3.4 本章小结
• 4 高阶煤煤层气单相气体排采规律研究
• 4.1 煤储层中煤层气渗流的基本特征
• 4.1.1 煤基质体积收缩和膨胀的特征
• 4.1.2 煤储层煤层气渗流特征
• 4.1.3 煤储层煤层气渗流的渗透率（孔隙度）模型
• 4.2 高阶煤煤层气渗流实验研究
• 4.2.1 实验原理及方法
• 4.2.2 实验结果及其分析
• 4.3 高阶煤煤层气单相流-固耦合模型的建立
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 描述煤层气渗流的基本方程
• 4.3.3 煤层气单相平衡吸附的质量守恒方程
• 4.3.4 煤层渗流压力场与煤岩变形场的耦合关系
• 4.3.5 煤层气单相渗流的热平衡方程
• 4.3.6 煤层应力场与渗流压力场的定解条件
• 4.4 高阶煤煤层气单相流-固耦合模型的应用
• 4.5 本章小结
• 5 高阶煤煤层气、水两相排采规律研究
• 5.1 高阶煤煤层气、水两相渗流实验研究
• 5.1.1 实验装置与实验过程
• 5.1.2 水、煤层气有效渗透率及相对渗透率
• 5.1.3 水、煤层气两相流动时的实验结果及规律
• 5.2 煤层气藏气、水两相耦合渗流模型的建立
• 5.2.1 基本假设
• 5.2.2 煤层气藏气、水两相渗流的基本方程
• 5.2.3 煤层气藏气、水两相耦合渗流模型的定解条件
• 5.3 煤层气藏气、水两相耦合渗流模型的应用
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录