基于氣-水兩相流的注熱CO2 增產(chǎn)CH4 數(shù)值模擬研究

張林峰 ，楊艷國 ，穆永亮 ，范 楠 ，劉 康 ，姚文軍

（太原理工大學 安全與應(yīng)急管理工程學院, 山西 太原 030024）

0 引 言

煤層氣是一種清潔、高效的能源，合理利用煤層氣是降低環(huán)境污染、節(jié)約能源的重要措施[1-2]。CO2是主要的溫室氣體，工業(yè)發(fā)展導(dǎo)致CO2排放日益增多?？刂艭O2排放、降低溫室氣體輸出已成為世界各國的基本共識[3-4]。CO2驅(qū)煤層氣地質(zhì)封存技術(shù)（CO2-ECBM）可以促進煤層氣開發(fā)和降低溫室氣體排放，有助于推動我國能源轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)我國“雙碳”目標[5-7]。國內(nèi)外對于CO2-ECBM 技術(shù)已經(jīng)進行了大量探索，美國、中國、加拿大等都先后進行了現(xiàn)場試驗，這些現(xiàn)場證明了注氣開采的可行性[8]。與現(xiàn)場試驗相比，數(shù)值模擬可以選擇各種工況進行定量分析從而得到最優(yōu)解。國內(nèi)外許多學者已經(jīng)建立了CO2-ECBM 耦合模型，并廣泛應(yīng)用于煤層氣開發(fā)領(lǐng)域。凡永鵬等[9]建立了流-固-熱耦合模型，描述了注氣驅(qū)替的規(guī)律；楊宏民等[10]模擬了注入CO2時氣體排放變化；LI 等[11]、FAN 等[12]建立了注氣驅(qū)替的流-固-熱耦合模型，分析了溫度、滲透率等因素的影響；朱萬成等[13]、范超軍等[14]建立了煤層氣開采熱-流-固耦合模型；馮啟言等[15]基于氣體競爭吸附引起的煤變形關(guān)系，建立了CO2-ECBM 的流-固耦合模型；FANG 等[16]建立CO2-ECBM 的流-固耦合模型來研究氣體壓力和濃度的分布。

綜上所述，以上耦合模型為研究CO2-ECBM 發(fā)揮了重要的作用。但是對煤層中水的影響及溫度效應(yīng)考慮的較少。筆者在結(jié)合前人數(shù)學模型基礎(chǔ)上，對耦合關(guān)系做出進一步完善，考慮了熱場和煤層中水的影響，建立了包含溫度場、應(yīng)力場、滲流場以及水運移的耦合模型。采用COMSOL 軟件通過與歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)、CO2驅(qū)替CH4相關(guān)試驗數(shù)據(jù)以及現(xiàn)有數(shù)值解對比，驗證了模型的準確性，之后分析了CO2-ECBM 排采規(guī)律，研究了初始含水飽和度、注入溫度、注入壓力對于煤層氣生產(chǎn)的影響，研究結(jié)果可為指導(dǎo)CO2-ECBM 工程實踐提供理論依據(jù)。

1 CO2-ECBM 耦合模型

1.1 基本假設(shè)

氣-水運移、競爭吸附、煤體變形以及能量交換基于以下假設(shè)[17-18]：①煤儲層為各項均勻同性介質(zhì)；②煤孔隙中充滿了氣體和水，氣體和水均勻分布在儲層中；③CH4和CO2滿足理想氣體狀態(tài)方程；④溫度變化對動力黏性系數(shù)影響被忽略；⑤不考慮CO2被水溶解的影響；⑥氣體滲流符合Darcy 定律，二元氣體競爭/吸附滿足修正的Langmuir 方程。圖1 顯示了開采過程中氣水混合物的輸運過程。

圖1 開采過程中氣體和水混合物的輸運過程Fig.1 Mass transport processes for gas and water mixtures during mining

1.2 流體運移控制方程

水在煤層中的流動可以表示[19]為

式中：sw為含水飽和度；ρw為水的密度，kg/m3；φ為煤層孔隙率；uw為水的運移速度，m/s；Qw為質(zhì)量源項，kg/(m3·s)。

水的密度可表示[19]為

式中：c為水溫度系數(shù)，kg/(m3·K)；ΔT為溫度改變量，K；ρws為標準狀況下水的密度，kg/m3。

煤體對氣體的吸附量可用Langmuir 方程[20]來描述：

式中：Vsgi為氣體吸附量，m3/kg，其中，i=1 代表CH4，i=2 代表CO2；VLi為修正的朗格繆爾體積常數(shù)，m3/kg；Ci為氣體濃度，mol/m3；R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)；bi為修正的朗格繆爾壓力常數(shù)的倒數(shù)，Pa-1，bi=1/PLi，PLi為修正的朗格繆爾壓力常數(shù)，Pa。

修正的朗格繆爾體積常數(shù)VLi可用下式[20]表示：

式中：VLi0為初始朗格繆爾體積常數(shù)，m3/kg；d2為溫度修正系數(shù)，K-1；d1為壓力修正系數(shù)，Pa-1。

修正的朗格繆爾壓力常數(shù) PLi可表示[20]為

式中：PLi0為初始朗格繆爾壓力常數(shù)，Pa-1；Cpi為溫度修正系數(shù)，J/(kg·K)；Ts為參考溫度，K。

氣體流動的質(zhì)量守恒方程[21]：

式中：Mi為單位體積煤層所含氣體質(zhì)量，kg/m3；ρgi為氣體密度，kg/m3，ρgi=MgiCi；ui為氣體運移速度，m/s；Mgi為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；Di為氣體擴散系數(shù)，m2/s；Qi為氣體質(zhì)量源項，kg/(m3·s)。

單位體積煤體所含氣體質(zhì)量可表示[21]為

式 中：sg為 氣 相 飽 和 度，sg=1-sw；ρs為 煤 密 度，kg/m3；ρgai為標況下的氣體密度，kg/m3。

氣相和水相的運移速度可表示[21]為

式中：k為滲透率，m2；krg為氣相相對滲透率；krw為水相相對滲透率；ui、uw為氣相和水相的動力黏性系數(shù)，Pa·s；pw為水壓力，Pa。pw=RT(C1+C2)-pcgw，其中，pcgw為毛細管壓力，Pa。

氣相和水相的相對滲透率[21-22]表示為：

式中：swr為殘余水飽合度。

1.3 應(yīng)力場控制方程

考慮孔隙壓力、溫度變化和氣體吸附，應(yīng)力場控制方程可以表示[11-12,20]為

式中：G為剪切模量，Pa；ni,jj為張量形式（n可為u、C、T、εs）。其中第1 個下標表示變量n的i方向分量，第2 個下標表示對ni求j方向偏導(dǎo)數(shù)，第3 個下標表示對ni,jj求j方向偏導(dǎo)數(shù)；υ為泊松比；α為Biot 系數(shù)；K為煤顆粒體積模量，Pa；αT為煤骨架熱膨脹系數(shù)，K-1；εs為吸附應(yīng)變，εs=αsgiVsgi。其中，αsgi為吸附應(yīng)變系數(shù)（i=1，2）。

1.4 溫度場控制方程

基于流固兩相熱平衡假設(shè)，溫度場控制方程[18-19]可表示為

式 中：q1、q2為CH4、CO2的 吸 附 熱，J/mol；Cg1為CH4比熱容，J/(kg·K)；Cg2為CO2比熱容，J/(kg·K)；Cs為 煤 骨 架 比 熱 容，J/(kg·K)；Cw為 水 的 比 熱 容，J/(kg·K)；λs、λg1、λg2、λw分別為煤骨架、CH4、CO2、水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

1.5 孔隙率與滲透率

煤體孔隙率可表示為[23]：

式中：φ0為初始孔隙率；e為體應(yīng)變；Δp為壓力變化量；ΔεS為吸附應(yīng)變變化量。

由立方定律可知滲透率k可表示[24]為

式（1）表示煤層中水的運移；式（6）描述了二元氣體的滲流和擴散過程；式（10）為煤體應(yīng)力場控制方程；式（11）表示氣體吸附/解吸過程中內(nèi)能的變化；式（13）和式（14）為多孔介質(zhì)孔隙度與滲透率的關(guān)系。式（1）、式（6）、式（10）、式（11）、式（13）、式（14）構(gòu)成了CO2-ECBM 的氣-水兩相流耦合模型，各物理場之間的耦合關(guān)系如圖2 所示。

圖2 各物理場耦合關(guān)系Fig.2 Coupling relationship between various physical fields

2 模型驗證

2.1 案例1

沁水盆地以開采煤層氣為主，3 號煤層含氣量高，埋深淺，是山西組煤層氣主要的開采目標。為驗證本文的模型，將模擬結(jié)果與沁水盆地生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行了對比。文獻[22]給出了沁水盆地在未進行增產(chǎn)時的CH4產(chǎn)率。幾何模型（圖3）尺寸為400 m×400 m，包含1 968 個單元，24 120 個自由度。生產(chǎn)井位于中間，半徑為0.11 m。煤層初始壓力為5.24 MPa，初始溫度為305.5 K，初始滲透率為0.924×10-3μm-2，初始含水飽合度為0.82。圖3 為模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比。模擬相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 案例1 數(shù)值模擬參數(shù)Table 1 Numerical simulation parameters of case 1

圖3 模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比Fig.3 Comparison between modeling results and field data

模擬有2 個峰值產(chǎn)量，第1 個峰值可能是由于生產(chǎn)井附近煤層中游離氣的快速釋放，第2 個峰值是由于脫水而釋放的，這與文獻[22，24]相符。CH4產(chǎn)率的平均相對誤差為8.64%。雖然有輕微的偏差，但通過模擬曲線得到的響應(yīng)變化是相似的，這表明文中建立的數(shù)值耦合模型具有可行性。

2.2 案例2

試驗及其數(shù)據(jù)來自文獻[18，25]。試驗裝置為三軸裝置。該裝置分為2 部分，第1 部分包括液壓應(yīng)力三軸單元和溫度控制單元。第2 部分為注氣回收單元。從四川盆地南部白角煤礦C1 煤層采集的煤塊被塑造為48.3 mm×98.2 mm 的圓柱形樣品。將煤樣裝入儀器，溫度設(shè)置為15 ℃，圍壓設(shè)置為6 MPa，豎向壓力保持為8 MPa，注入1.5 MPa 的CH4并達到飽和狀態(tài)，待無體積變化后，CO2被注入到煤樣中，分別在2、2.5、3、3.5 MPa 注入壓力下進行驅(qū)替試驗。

如圖4 所示，模型被簡化為相同尺寸的二維矩形模型。頂部施加CO2注入壓力，初始CH4壓力為1.5 MPa，初始孔隙率為0.06，溫度為288.15 K。邊界內(nèi)無水和氣體流動，在左右兩邊各施加6 MPa 的圍壓，頂部邊界施加8 MPa 的壓力。相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 案例2 數(shù)值模擬參數(shù)Table 2 Numerical simulation parameters of case 2

圖4 模型驗證的幾何和邊界條件Fig.4 Geometric and boundary conditions for model validation

圖5 展示了模擬和試驗出口處的CH4和CO2體積分數(shù)。最初出口處只有CH4，隨著時間的推移，CH4體積分數(shù)降低，CO2的體積分數(shù)增加。當CO2注入壓力為2、2.5、3、3.5 MPa 時，CH4體積分數(shù)平均誤差分別為5.28%、2.67%、3.36%、2.91%，CO2體積分數(shù)平均誤差分別為3.41%、2.61%、3.09%、3.6%?？梢钥闯觯S著注入氣體壓力的增大，CO2壓力梯度增大，CO2的突破時間縮短，試驗中，在2、2.5、3、3.5 MPa 的注入壓力下，CO2的突破時間分別為16、10、6、4 min。模擬結(jié)果對應(yīng)的值分別為17、6、7、4 min，表明模擬結(jié)果與試驗觀測值吻合較好。這表明文中建立的數(shù)值耦合模型具有可行性。

圖5 不同注入壓力下出口處CH4 和CO2 體積分數(shù)Fig.5 Volume fraction of CH4 and CO2 at the outlet under different injection pressures

2.3 案例3

圖6 本文模型與現(xiàn)有文獻中的數(shù)值解對比Fig.6 Compared with numerical solutions in this model and existing literatures

3 模型對比及優(yōu)勢

建立了一個氣-固-熱-水的多物理場耦合模型，與現(xiàn)有模型相比，在耦合關(guān)系上做出了進一步的提升與完善—考慮了熱場以及煤層中水的影響，讓耦合機制更加全面，表3 對比了現(xiàn)有模型和文中模型的耦合關(guān)系，現(xiàn)有模型引用SUN、FANG、YU 所建立的耦合模型。SUN 模型[27]只考慮氣體流動，沒有考慮煤層固-熱-水耦合效應(yīng)；FANG 模型[16]考慮了流-固耦合，但忽略了熱-水的影響；YU 模型[11]考慮了流-固-熱耦合，但忽略了煤層中水的影響，而且以往研究主要集中于氣體濃度與產(chǎn)量。模型的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：①建立了考慮氣-固-熱-水的CO2-ECBM 耦合模型；②在熱場基礎(chǔ)上，分析了煤層溫度演化趨勢以及溫度對CO2-ECBM 影響；③分析了煤層中水對CO2-ECBM 影響，并對比了無水和有水情況下的氣體產(chǎn)率與產(chǎn)量；④分析了儲層滲透率的演化規(guī)律。模型可以更好研究CO2-ECBM 排采規(guī)律，對指導(dǎo)CO2-ECBM 工程實踐具有重要的理論意義。

表3 CO2-ECBM 不同耦合模型Table 3 Different coupling models of CO2-ECBM

4 CO2-ECBM 數(shù)值模擬

4.1 模型及參數(shù)

沁水盆地位于山西省中南部，內(nèi)部構(gòu)造環(huán)境簡單，泥巖發(fā)育較為穩(wěn)定，封閉性好，含氣量十分豐富，是中國最具煤層氣開發(fā)潛力的地區(qū)之一[11-12,28]。CO2-ECBM 是一個三維模型，考慮到數(shù)值計算的可行性和有效性，可以將三維模型簡化為二維模型[29]。地質(zhì)模型采用典型的5 點井布置圖，考慮到其對稱性，僅取四分之一作為模擬對象，模型尺寸為150 m×150 m，包含1 284 個單元，16 194 個自由度。注氣井位于模型左下角，生產(chǎn)井位于模型右上角。圖7 為CO2-ECBM 幾何模型。

圖7 CO2-ECBM 幾何模型Fig.7 CO2-ECBM geometric model

煤層初始壓力為5.24 MPa，初始溫度為300 K，初始滲透率為0.514×10-3μm-2，初始含水飽合度為0.8，生產(chǎn)井井底壓力為0.16 MPa，注氣井注入恒定壓力為4 MPa、溫度為320 K 的CO2。模型四周為滑移邊界，絕熱、無流動。為了便于觀察模擬效果，設(shè)置監(jiān)測點B（50，50）、C（60，60）、D（70，70）以及監(jiān)測線A-E。模擬所用的物理參數(shù)見表4。

表4 CO2-ECBM 數(shù)值模擬參數(shù)Table 4 Numerical simulation parameters of CO2-ECBM

4.2 CO2-ECBM 排采規(guī)律分析

4.2.1常規(guī)抽采與注熱CO2抽采比對

圖8 顯示了常規(guī)抽采與注熱CO2抽采的CH4產(chǎn)率與產(chǎn)氣量。如圖8a 所示，CH4產(chǎn)率在早期先增加，在后期逐漸降低。常規(guī)抽采的峰值產(chǎn)率為460 m3/d，注熱CO2抽采為306 m3/d，與常規(guī)抽采相比，注熱CO2抽采的峰值產(chǎn)率明顯提高，增長了50.3%。圖8b 顯示了累積CH4產(chǎn)量隨時間的變化。4 000 d時，常規(guī)抽采累計CH4產(chǎn)量為765 530 m3，注熱CO2抽采產(chǎn)量為1 096 200 m3，增長了43.2%。注入CO2通過競爭吸附促進了CH4向生產(chǎn)井的輸送，最終提高了CH4的產(chǎn)率與產(chǎn)量，這表明了注CO2增產(chǎn)以及CO2封存的潛在可行性。

圖8 CH4 產(chǎn)氣速率與產(chǎn)氣量Fig.8 CH4 production rate and production

4.2.2氣體濃度分布

CH4、CO2濃度分布如圖9 所示。煤層抽采時間越長，CH4濃度越低，CO2濃度越高，且不同時間濃度變化趨勢基本一致。生產(chǎn)井附近CH4濃度急劇降低，CO2濃度在注氣井處最大。在第500 天時，CH4的平均濃度為1 455.6 mol/m3，在第4 000 d 時，CH4的平均濃度為582.27 mol/m3。圖9c 展示了監(jiān)測線A-E上的氣體濃度變化。在第500 天時，CO2的影響半徑為45 m，平均濃度為312.12 mol/m3，第1 000 d 時，CO2的影響半徑為71 m，平均濃度為347.81 mol/m3，第2 000 d 時，CO2的影響半徑為96 m，平均濃度為379.76 mol/m3，在第4 000 天時，CO2的影響半徑為124 m，平均濃度為411.17 mol/m3。

圖9 氣體濃度分布Fig.9 Gas concentration distribution

4.2.3儲層溫度演化

移就修辭格的使用將楓葉“染色”的動作運用到本不能“染色”的“結(jié)局”之上，將“悲傷的結(jié)局”用更加生動更加婉轉(zhuǎn)的方式訴說，使其擁有了無限的遺憾之美。

不同開采時間下儲層溫度演化如圖10 所示。由圖10a 可以看出，注氣井附近的溫度逐漸升高。這是因為距離注氣井越近，CO2濃度越高，反應(yīng)越強烈，吸附和解吸引起的溫度變化越大。隨著時間的推移，溫度影響區(qū)也向生產(chǎn)井移動，因此煤層在不同時間的溫度分布不同，而且由于持續(xù)注熱，致使煤儲層溫度明顯升高[30]；生產(chǎn)井附近儲層溫度逐漸降低。這是因為由于抽采負壓的影響，處于吸附態(tài)的CH4開始解吸，在解吸的過程中，CH4不斷吸收熱量，致使在靠近生產(chǎn)井附近的煤儲層溫度明顯降低。

圖10 儲層溫度演化Fig.10 Coal seam temperature evolution

從圖10b 可以看出，監(jiān)測線A-E溫度曲線從注氣井到生產(chǎn)井一直在緩慢下降，且隨著抽采時間的增加，溫度曲線在向右移動。

4.2.4儲層滲透率演化

圖11 為監(jiān)測點處的滲透率演化。滲透率在監(jiān)測點處的變化趨勢為下降—上升—下降，而常規(guī)抽采時的滲透率變化趨勢為下降—上升[12,21]。滲透率是多種因素共同作用的結(jié)果，包括壓力引起的應(yīng)變、氣體吸附/解吸引起的應(yīng)變以及熱膨脹引起的應(yīng)變。開采初期，煤層壓力迅速降低導(dǎo)致有效應(yīng)力增加，煤體被壓實，滲透率呈現(xiàn)下降趨勢。隨著開采作業(yè)的進行，CH4解吸引起的煤骨架收縮開始占據(jù)主導(dǎo)地位，使?jié)B透率增大。當CO2運移到監(jiān)測點時，CO2占據(jù)原CH4吸附位點放出熱量并且由于CO2的吸附膨脹大于CH4的吸附膨脹，滲透率開始下降并形成峰值。

圖11 監(jiān)測點處的滲透率變化Fig.11 Variation of permeability ratio at monitoring points

4.2.5煤層中水對CO2-ECBM 影響

氣-水兩相的相對滲透率變化過程如圖12a 所示。初始水相的相對滲透率為0.39，而氣相相對滲透率僅為0.01。隨著抽采進行，水被不斷抽出，煤層含水飽和度逐漸減小，水相的相對滲透率逐漸減小為0，氣相的相對滲透率逐漸增大，最終達到0.89，兩者此消彼長?？梢钥闯雒簩又兴拇嬖跁璧K瓦斯的運移，單分子水膜的形成使得氣體擴散系數(shù)會逐漸降低，氣體在儲層中運移和解吸的難度越大[31]。

圖12 煤層中水對CO2-ECBM 影響Fig.12 Effect of water in coal seam on CO2-ECBM

產(chǎn)氣速率先增加再降低，峰值大約出現(xiàn)在500 d，為460.066 m3/d。產(chǎn)水速率隨時間增加降低，最大為16.625 m3/d，抽采1 000 d 后，幾乎為0。模擬所得產(chǎn)氣和產(chǎn)水趨勢與實際抽采過程基本一致，遵循著排采期“水大氣小”、穩(wěn)產(chǎn)期“水小氣大”的規(guī)律[14]。

5 儲層參數(shù)對CO2-ECBM 影響

5.1 初始含水飽和度對CO2-ECBM 影響

圖13 展示了初始含水飽和度對CO2-ECBM 影響。當考慮煤層中水的影響時，CH4產(chǎn)氣速率趨勢為先上升后下降，這與忽略煤層中水的影響產(chǎn)氣速率趨勢一直下降有所不同。這是因為水的存在阻礙了CH4在煤層中的運移與解吸，隨著水被不斷排出，CH4產(chǎn)氣速率在經(jīng)過一段時間后達到峰值，隨后開始下降。當初始含水飽和度sw0為0.4、0.6、0.8 時，在抽采4 000 d 后，累計CH4產(chǎn)量分別為1 182 800、1 133 600、1 096 200 m3，與sw0=0 相比，分別降低了8.48%、12.29%、15.19%，忽視煤層中水的影響，將會高估煤層氣產(chǎn)量。CO2產(chǎn)氣速率趨勢與CH4相同。在抽采4 000 d 后，與sw0=0 相比，累計CO2儲存量分別下降了11.55%、15.52%、15.88%。初始含水飽和度越大，CH4產(chǎn)量越低，CO2儲存量越低。因此建議在進行數(shù)值模擬時應(yīng)當考慮煤層中水的影響，以便得到更為精確的結(jié)果。

圖13 初始含水飽合度對CO2-ECBM 影響Fig.13 Effect of initial water saturation on CO2-ECBM

產(chǎn)水速率如圖13a 所示。產(chǎn)水速率隨著抽采時間增加而降低，當初始含水飽和度sw0為0.4、0.6、0.8 時，峰值產(chǎn)水速率分別為7.13、11.90、16.63 m3/d，在大約抽采1 000 d 后，產(chǎn)水速率幾乎為0。

圖14 展示了在不同初始含水飽和度下B 點滲透率和CO2濃度變化?？梢钥闯?，sw0越大，CO2運移到監(jiān)測點所需的時間越長。而且由于煤層中水對CO2運移的阻礙，初始含水飽合度的增加有利于減緩CO2吸附引起的滲透率下降。在4 000 d 時，與sw0=0 相比，sw0=0.4、0.6、0.8 時的滲透率分別增加了4.01%、5.42%、5.6%。這是因為隨著初始水飽和度的增加，煤層水也會與煤基質(zhì)結(jié)合程度加大，優(yōu)先占據(jù)煤基質(zhì)表面的吸附位點，使煤基質(zhì)膨脹變形，收縮煤層孔隙結(jié)構(gòu)，降低滲透率，降低二元氣體的擴散速率[32]。

圖14 不同初始含水飽和度B 點滲透率和CO2 濃度變化Fig.14 Variation of permeability ratio and CO2 concentration at point B under different initial water saturation

5.2 注入溫度對CO2-ECBM 影響

圖15展示了不同注入溫度對CO2-ECBM影響。當注入溫度為310 K 時，CH4峰值產(chǎn)率為435.44 m3/d，累計CH4產(chǎn)量為1 023 400 m3，累計CO2儲量為440 550 m3；當注入溫度為320 K 時，CH4峰值產(chǎn)率為460.07 m3/d，累計CH4產(chǎn)量為1 096 200 m3，累計CO2儲量為589 500 m3；當注入溫度為330 K 時，CH4峰值產(chǎn)率為482.69 m3/d，累計CH4產(chǎn)量為1 159 200 m3，累計CO2儲量為719 390 m3。與注入溫度為310 K 相比，注入溫度為320 K 和330 K 時，累計CH4產(chǎn)量分別增加了7.11%、13.27%，累計CO2儲量分別增加了33.81%、63.29%。注入溫度的升高有利于CH4的解吸，增強了CO2分子活性，加劇了置換效應(yīng)。注入溫度越高，相對應(yīng)的CH4和CO2的產(chǎn)量、儲存量越大。

圖15 注入溫度對CO2-ECBM 影響Fig.15 Effect of injection temperature on CO2-ECBM

圖16 展示了不同注入溫度下觀測點B的滲透率比變化過程?？梢钥闯?，CO2到達參考點B的時間隨著注入溫度的升高變短。這是因為，注入溫度的升高，促進了煤層的熱傳遞，煤層孔隙結(jié)構(gòu)膨脹，孔隙連通性加強，而且溫度的增加促進了氣體分子動能和活化能增加，降低了氣體分子在煤基質(zhì)中的吸附能力，增強了CO2分子的活性，更多的CO2分子可以到監(jiān)測點，這使得更多處于吸附態(tài)的CH4開始解吸。但CO2濃度的增大導(dǎo)致滲透率下降幅度更大。與注入溫度為310 K 相比，注入溫度為320、330 K的滲透率在4 000 d 時分別下降了11.8%、20.4%。

圖16 不同注入溫度下B 點滲透率和CO2 濃度變化Fig.16 Variation of permeability ratio and CO2 concentration at point B under different injection temperatures

5.3 注入壓力對CO2-ECBM 影響

圖17 展示了不同的注入壓力對CO2-ECBM 影響。注入壓力為2、4、6 MPa 時所對應(yīng)的CH4峰值產(chǎn)氣速率為392.38、460.07、324.29 m3/d，累計產(chǎn)氣量分別為917 240、1 096 200、1 282 000 m3。CO2峰值產(chǎn)氣速率為61.08、168.21、412.04 m3/d，累計CO2儲存量為219 840、589 500、992 640 m3。注入壓力升高有利于CO2的運移，增強了驅(qū)替效應(yīng)。注入壓力越大，CH4產(chǎn)量和CO2儲存量越大。

圖17 注入壓力對CO2-ECBM 影響Fig.17 Effect of injection pressure on CO2-ECBM

圖18 展示了不同注入壓力下觀測點B的滲透率比變化過程?？梢钥闯?，注入壓力的升高縮短了CO2到 達 參 考 點B的 時 間，CO2分 別 在 第1 978、1 159、892 d 到達監(jiān)測點。這是因為，注入壓力的升高增加了注氣井與煤儲層之間的壓力梯度，壓力梯度越大，CO2的滲流速度越大[33-34]。同時，提高注入壓力也會提高二元氣體的接觸和碰撞機會，這有利于CO2的運移與吸附，增強了驅(qū)替效應(yīng)，但這也導(dǎo)致了有更多的CO2被運送到監(jiān)測點B，滲透率下降幅度更大。在4 000 d 與注入壓力為2 MPa 相比，注入壓力為4、6 MPa 下的滲透率分別下降了29.54%、46.14%。

圖18 不同注入壓力下B 點滲透率和CO2 濃度變化Fig.18 Variation of permeability ratio and CO2 concentration at point B under different injection pressures

6 結(jié) 論

1）與常規(guī)抽采相比，注熱CO2抽采的產(chǎn)氣速率以及產(chǎn)氣量明顯提高，這表明注熱CO2增產(chǎn)具有可行性。抽采時間越長，CH4濃度越低，CO2濃度越高，注氣井附近的溫度逐漸升高，生產(chǎn)井附近儲層溫度逐漸降低，監(jiān)測線的溫度從注氣井到生產(chǎn)井緩慢下降，溫度曲線在向右移動。

2）隨著抽采進行，水相相對滲透率逐漸減小，氣相相對滲透率逐漸增大，兩者此消彼長。煤層中水的存在會阻礙瓦斯的運移，氣體在儲層中運移和解吸的難度加大。模擬所得產(chǎn)氣和產(chǎn)水趨勢與實際抽采過程基本一致，遵循著排采期“水大氣小”、穩(wěn)產(chǎn)期“水小氣大”的規(guī)律。

3）煤層滲透率呈現(xiàn)“降低—升高—降低”的趨勢。滲透率變化是基質(zhì)收縮/膨脹、有效應(yīng)力變化的結(jié)果。在開采中，煤層壓力迅速降低，有效應(yīng)力增加導(dǎo)致滲透率下降。之后CH4解吸導(dǎo)致煤骨架收縮，滲透率開始增加。在CO2到達后，CO2占據(jù)吸附位點并放出熱量導(dǎo)致煤基質(zhì)膨脹，滲透率下降。

4）煤層中水的存在阻礙了氣體的運移，忽視水的影響將會高估煤層氣產(chǎn)量；CH4產(chǎn)氣速率趨勢為先上升后下降，與忽略煤層中水的影響產(chǎn)氣速率趨勢一直下降有所不同，建議在模擬時要考慮水的影響。初始含水飽和度越大，CH4產(chǎn)量越低，CO2儲量越低。但是由于CO2運移受阻，因此初始含水飽和度越大，滲透率下降幅度越小。更高的CO2注入溫度和壓力促進了CO2的運移，從而增加了CH4產(chǎn)量和CO2儲量，但由于更多的CO2被吸附，導(dǎo)致滲透率下降幅度更大。