K区块煤为典型的无烟煤,储层具有低孔低渗强吸附特征,本文采用分子动力学方法研究无烟煤对气体吸附和竞争吸附机理;利用数值模拟软件开展水力压裂参数优化与注气增产方案设计,建立适用于高阶煤层气藏注气提采技术体系,为我国非常规天然气资源的高效开发提供理论支撑。 依据研究内容,采用Peng-Robinson状态方程将压力与逸度相互转化。构建无烟煤吸附CH₄、CO₂和N₂模型,基于分子动力学方法,模拟温度为293.15~1173.15K、压力为0~10MPa条件下气体吸附和扩散行为。通过等温吸附曲线、等压吸附曲线、等量吸附热和扩散系数分析,揭示温度对气体解吸和扩散的正向驱动效应。 考虑K区块储层条件,研究CO₂/CH₄和N₂/CH₄双组分气体竞争吸附行为,随CO₂或N₂占比提升,无烟煤对混合气体吸附量显著增加,其中CO₂最大吸附量可达23.92cm³/g是CH₄的5倍,N₂最大吸附量为11.86cm³/g是CH₄的1.7倍。吸附选择系数S_CO2/_CH4介于1.26-3.26之间,S_N2/_CH4介于0.32-0.82之间。对比发现CO₂在吸附置换CH₄中具有显著优势,确定CO₂为K区块注气增产的最优注入介质。 基于前文研究确定的最优注入介质以及K区块低孔低渗储层特征,建立机理模型进行参数优化,最优参数为:裂缝半长60m、裂缝导流能力30m D·m,矩形井网类型、井距200m,注采井距250m、注入速度3000m³/d、井底流压3MPa、转注时机为基质压力降至初始压力的70%。基于最优参数,优化衰竭式、压裂衰竭式和压裂衰竭式接转注3种开发方式,确定最优开发方式为压裂衰竭式接转注。 建立K区块地质模型并进行储量拟合,基于最优生产参数和开发方式,设计压裂衰竭式和压裂衰竭式接转注2种开发方案,预测10年,确定最优转注时机为压裂衰竭式开发2年后,转注后CH₄累积产量为6.17×10~8m³,采出程度为51.2%,CO₂封存率为89.31%,CH₄置换率为2.54,注入CO₂方案既保证K区块持续高效开发又实现CO₂封存。