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由人类活动导致的温室气体(CO2,CH4等)浓度增加所引起的全球气候变化问题已经成为影响世界经济秩序、政治格局和国际关系的一个重要因素以及决定世界能源前景的关键。减少温室气体排放除了提高能源效率、利用清洁能源和清洁燃烧技术外,另外的重要途径是二氧化碳的捕集和封存(CCS技术)。目前可用于CO2地下封存的场地主要有耗竭的油气田、沉积盆地内的咸水含水层和无商业开采价值的不可采煤层等。其中将CO2或者烟道气(主要成分为CO2、N2)注入不可采煤层不仅能提高煤层气的采收率,同时也能实现CO2的封存,具有良好的经济效益和环境效益,这一技术原理涉及到CH4、CO2、N2多元气体在煤层中的吸附、解吸,扩散,渗流等多物理过程;之外,由于在煤矿开采过程,也有CO2、CH4、N2等气体的涌出,故多元气体在煤层中的吸附/解吸、运移的研究对于煤炭井工开采的煤与瓦斯动力突出的防治也具有重要指导意义。因此,论文主要针对多元气体在煤层中的吸附、扩散、渗流机理进行了研究,取得了如下成果:
(1)通过煤对CO2、CH4、N2及其多元气体的吸附实验研究了气体压力,组分浓度对吸附选择性的影响,发现CO2/CH4、CO2/N2、CH4/N2之间的选择性系数是随着气体压力的变化而变化的;对扩展langmuir方程和IAS理论描述煤样吸附CO2/CH4混合气体的实验结果的效果进行了评价,发现IAS方程能很好的描述吸附选择性系数随压力变化这一现象,更适用于多元气体的吸附;通过分子模拟研究了温度、压力及不同孔径条件下煤对CO2/CH4吸附选择性的影响,发现存在使得CO2/CH4选择性系数最大的最适温度、压力条件,可以为现场工艺条件的优化选择提供参考;建立了基于热力学方法的煤岩吸附变形模型,并结合分子模拟得出煤岩吸附气体产生的膨胀主要由微孔吸附导致;
(2)通过实验研究发现不同气体在煤中具有不同的扩散系数,发现CO2在煤中的扩散系数大于CH4,而且气体的扩散系数与压力呈负相关关系,随着压力的增加而减少,最终趋于一个恒定的值;基于maxwell-stefan理论,建立了多元气体在煤中的吸附-扩散模型,并进行了数值模拟研究,发现多元体系下气体组分之间的相互作用对于扩散影响不可忽略;
(3)实验研究了吸附不同气体对煤岩渗透特性的影响,发现同等条件下,吸附CO2时煤岩渗透率最低,其次是CH4,然后是N2,而CO2气中混入一定量的N2时,煤岩渗透率会有所恢复,且混合气中CO2含量越高,煤岩渗透率越低;煤样渗透率与压力加载路径有关,纯CO2,CH4,N2压力加、卸载过程的煤样渗透率一压力曲线存在滞后现象;建立了应力、气体压力以及吸附膨胀效应耦合作用下的渗透率模型,并比较了不同应力、边界条件下的渗透率变化规律,通过分析发现,煤岩的渗透性与其所处的应力状态以及边界条件有关;
(4)建立了多场耦合作用下多元气体在煤层中的运移方程,并通过数值模拟探讨了不同因素对于CO2-ECBM过程的影响;
(5)对CO2注入煤层后地层稳定性进行了分析,在确保地层稳定的前提下,存在一个临界CO2注入压力,给出了确定CO2注入临界压力的解析方法;在储层模拟的基础上,提出了考虑储层实际条件下的CO2封存容量估算方法。