深煤层产气机理实验与模型研究

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1、中图分类号：TE312单位代码：11414学号：2013312028题目深煤层产气机理实验与模型研究学科专业油气井工程研究方向油气井流体力学与工程博士生曾泉树指导教师汪志明教授二○一七年八月ExperimentalandModelingStudiesonCoalbedMethaneRecoveryMechanisminDeepCoalSeamsDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,BeijinginpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofEnginee

2、ringByZengQuanshu（Oil&GasWellEngineering）DissertationSupervisorProf.WangZhimingAugust,2017摘要摘要开发煤层气将诱发复杂的煤岩-流体相互作用，包括气体吸附/解吸、煤岩变形和渗透率变化，不同作用之间还将相互影响。深入认识煤岩与气体的相互作用有助于理解其在煤层中的赋存状态和产出过程，对煤储层钻完井技术的改进、增产改造的优化、合理排采制度的制定具有指导意义。本研究在全面调研国内外相关研究成果的基础上，围绕气体吸附/解吸、煤岩变形、渗透率变化及其耦合关系开展了系统性研究，具体完成了以下三方面的研究工作：（1

3、）基于气体等温吸附仪，开展了不同盆地典型煤样的甲烷吸附能力测试，并分析了湿度、温度和压力对吸附量的影响。理论方面，对简化局部密度理论中的流体状态方程和流固势能函数进行了评价、优选，结合测试结果确定了模型中的特征参数，并与吸附剂的工业分析相关联，对该理论进行了推广。将流体混合规则引入该吸附理论来表征水和甲烷的竞争吸附关系，并引入最小能值法对水相吸附的两种机理进行区分，创建了煤储层超临界甲烷-液态水竞争吸附模型，提出了煤储层气水储量计算方法，揭示了煤储层气水赋存机制。（2）基于煤岩渗透率检测装置，开展了煤岩渗透率的应力和温度敏感性实验，验证了不同应力载荷下渗透率随温度变化的反转现象。理论方

4、面，利用量纲分析法将渗透率的多种影响因素简化为三个无量纲关系，并结合实验测量结果，建立了鄂东盆地主力产气煤层的原始渗透率表达式。重新推导了裂隙体积压缩系数随水平有效应力变化的关系式，认为二者呈反比例函数关系，将其代入煤岩动态渗透率模型的推导，并与当前应用最广泛的四个模型进行了比较。（3）基于表面能变化理论，建立了煤岩吸附应变模型，并结合简化局部密度吸附理论和煤岩动态渗透率预测模型，建立了气体吸附/解吸-煤岩变形-渗透率变化的耦合模型，实现了气体吸附/解吸、煤岩变形、渗透率变化等物理过程的耦合。在非饱和地下水流及热流传输模拟器的EOS7C-ECBM模块中增加了一个子程序，通过耦合模型定量

5、描述了煤层气生产过程中气体吸附/解吸、煤岩变形和渗透率变化等物理过程的相互影响。关键词：深煤层；吸附/解吸；渗透率；多物理耦合-II-ABSTRACTExperimentalandModelingStudiesonCoalbedMethaneRecoveryMechanisminDeepCoalSeamsABSTRACTTherecoveryofcoalbedmethane(CBM)willtriggeraseriesofcoal-gasinteractions,includingmethanedesorption,coaldeformation,andpermeabilitychan

6、ge.Eachphysicalprocesswillaffecttheinitiationandprogressofanother.Advancesinourunderstandingofcoal-gasinteractionshelptounderstandtheoccurrencecharacteristicsandrecoveryprocessesofCBM.Thesewillfurtherimprovethedrilling,completion,production,andstimulationtechnologiesforcoalreservoirs.Uponacompre

7、hensivereviewofrelevantresearches,thisdissertationfocusedonthereactionsandcoupledprocessesofmethanedesorption,coaldeformation,andpermeabilitychange.Whatfollowsarethemainachievementsobtainedfromthisresearch.(1)Basedongasadsor