本文以刘庄矿碎软低渗煤层为研究对象,系统研究了煤储层宏观与微观孔裂隙网络发育特征、储层渗透性和孔隙度、压力及温度特征等;构建了CO₂-ECBM流体连续性过程多物理场多相态全耦合数学模型,并进一步建立了煤储层三维数值模型;探讨了泊松比、渗透率、温度、压力及井距等关键参数在CO₂-ECBM流体连续性过程中的影响机理;评价了各关键参数对CO₂驱替煤层气的产能增强效果和封存潜力。研究内容和成果摘要如下: (1)建立了CO₂-ECBM流体连续性过程多物理场多相态全耦合数学模型 建立了针对碎软低渗煤层的CO₂-ECBM流体连续性过程多物理场多相态全耦合数学模型,综合考虑了煤层气注采过程中的多物理场多相态耦合效应,研究了渗流场、应力场和温度场之间的相互作用。流体场气液两相流竞争性占据孔裂隙通道改变相对渗透率;煤储层温度场的变化产生热应力,重构储层骨架的应力场空间结构;储层骨架的形变过程形成逆向的热力学反馈,影响储层温度;温度变化引起煤储层内部气体压力变化;气体和煤骨架之间通过热对流实现储层温度场的能量交换;储层变形改变孔隙度,影响气体渗流;储层内部气体压力波动促进煤储层变形。 (2)研究分析CO₂-ECBM流体连续性过程及其影响因素 构建了基于刘庄煤矿地质特征的三维地质抽象模型,设计了数值模拟方案,建立“一注四采”井网布局,并布设特定观测点,系统揭示了CO₂驱替煤层气过程中的气-水两相运移规律及煤储层响应特征。CO₂-ECBM流体连续性过程包含CO₂/CH₄竞争吸附、CH₄解吸、流体扩散与渗流等过程。CO₂从注入井不断向煤储层内扩散,从注入井往抽采井方向驱替煤层中的CH₄气体,随着CO₂气体压力增大,促进吸附态的CH₄解吸为游离态。煤层CO₂气体增多,其运移范围扩大,CO₂和CH₄竞争吸附,煤基质优先吸附CO₂直至饱和。 (3)揭示多参数影响下的CO₂-ECBM流体连续性过程特征 研究分析煤层泊松比、煤层初始渗透率、注入井注入温度、注气压力以及产注井距等因素对CO₂-ECBM流体连续性过程的影响:碎软低渗煤层中,高泊松比更易形成新裂隙,短期内可提升局部气体导流能力;较低的煤层初始渗透率抑制气体扩散,储层内气体压力呈先升后降趋势;适当提高注入温度可提升CH₄抽采速率和CO₂注入效率,但温度变化引发热应力改变使渗透率下降;注气压力增大可缩短气体平衡状态时间并扩大驱替范围,促进CH₄气体抽采;优化井距可平衡驱替效率与封存安全,提高注采效率,同时降低CO₂逸散风险。 图[61]表[8]参[110]