2019西安煤炭会议梁卫国

梁卫国超临界CO2置换驱替开采煤层气理论与技术基础TheoryandtechnologyofCBMrecoverybyScCO2displacement&drivingincoalbed太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室煤炭工业技术委员会井工开采专委会2019年会,西安，2019.9报告题纲1.煤层气增产制约因素2.ScCO2对煤体细观结构作用3.ScCO2对煤体力学特性作用4.ScCO2对煤体渗透性作用5.结语1.煤层气增产制约因素指标20102015目标新增探明储量1980350510000抽采量91180300（地面）1544160（井下）76136140地面利用量1238160井下利用量244884地面利用率80%86.40%~100%井下利用率31.60%35.30%60%+“十二五”全国煤层气开采利用情况（单位：亿m3）来源：《中国产业信息网》指标201520162017201820192020新增探明储量3505---4200地面产量4445.4(41.5晋)49.654.1-100地面利用率86.4%85.1%88.6%90.6%-90%井下抽采量136133.6128129.8-140井下利用率35.3%37.3%38%41%-50%“十三五”煤层气开采利用情况（单位：亿m3）来源：《中国产业信息网》与蓝焰煤层气No.1高吸附No.2低渗透低中阶煤0.03~10md；高阶煤0.01～5md康永尚,孙良忠,等.中国煤储层渗透率分级方案探讨[J].煤炭学报,2017,42(S1):186-194.制约煤层气高效开采的关键因素：不同阶煤对CO2/CH4的吸附特性随着煤阶升高，煤的吸附能力增强。对于同一种气体，最终平衡吸附量为：贫瘦煤焦煤弱粘煤。对于同一种煤阶，CO2吸附量始终高于CH4。煤种煤阶气体平衡时间/h吸附量/cm3·g-1(m3pertone)贫瘦煤高CO2161.124.3014CH4138.912.8369焦煤较高CO297.218.4606CH483.39.8193弱黏煤低CO244.415.3739CH433.45.92057砂岩，脆性煤层，韧性砂质泥岩Q1:软弱塑性特征煤体中压裂增渗理论研究需要深入FromJ.Edmonds,etal.2001吸附量/m3/t02468压力/MPa03691215182124Q2:不同相态CO2驱替对煤体物理力学特性作用机理研究2019/9/1810CO2的物理性质项目量值分子量44.01比重1.53at21oC临界密度468kg/m3空气中浓度370.3ppm超临界状态T＞31.4℃P＞7.38MPa固态温度-78oC溶解Henry常数298.15mol/kg×bar水中溶解度0.9vol/volat20oC地应力（σ）深度（H）a.风化卸荷影响b.构造应力作用c.自重作用控制σhσv地温（℃）深度（m）σhσv5001000150050200025002575100T17.5MPa@34℃超临界CO2作用0-24-48-72h后，无烟煤试件表面(1cm*1cm)裂隙发展(显微观测)0h24h48h72h2.ScCO2对煤体细观结构作用13超临界CO2(50℃&9MPa)作用5d前后贫瘦煤和无烟煤细观结构变化（CT扫描结果）A.贫瘦煤B.无烟煤超临界CO2产物色谱图1.脂肪族和芳香族化合物含量降低，五次萃取后含量约为第一次的47%和63%。2.萃取物中大量脂肪烃和芳香烃。脂肪烃主要C10~C24的烃类物质；芳香烃主要为苯环烃类物质。Fig.AScCO2等温吸附装置,可进行20~100℃&24MPa的等温吸附试验，可测量煤体膨胀变形。01020304050607080901001100246810121416吸附量/(cm3/g)压力/MPa贫煤1/3焦煤气煤弱粘煤Fig.B50℃不同相态CO2在不同阶煤中的吸附量3.ScCO2对煤体力学特性作用Fig.1ScCO2作用后晋城无烟煤单轴压缩煤样应力-应变曲线t/d试件直径/mm长度/mm抗压强度/MPa平均抗压强度/MPa平均弹性模量/GPa01#24.7850.0211.2410.531.32#25.0649.9610.523#25.1050.089.8254#24.9449.505.125.240.655#24.9849.865.86#25.0250.124.8107#24.8850.104.724.490.618#24.9649.864.559#25.0649.884.201510#25.0850.204.033.880.5711#25.0049.904.0912#24.9649.923.522013#24.9450.143.593.51（33.3%）0.48（36.9%）14#25.0450.083.6215#25.0249.963.32超临界CO2作用后晋城无烟煤单轴强度与弹性模量变化表γ=0.0557Q+0.0041R²=0.99910.00.51.01.52.02.5010203040体积膨胀百分比/%CO2累计吸附量/(×10-3)m3γ=0.0138e0.3185QR²=0.9719γ=0.0068e0.3284QR²=0.97490.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45051015体积膨胀百分比/％CO2吸附增量/(×10-3）m3体积应力54MPa体积应力60MPa煤体变形与ScCO2吸附量关系曲线Fig.3-748MPaconfiningstressFig.3-854and60MPaconfiningstress19△V=7.02M+2.4693R²=0.9959△V=18.125M-2.7359R²=0.99430510152025303500.511.52swellingvolume/cm3storedamountofCO2/molaxialswellingradialswelling煤体吸附膨胀变形的各向异性特征层理方向垂直层理方向平行层理方向轴向(注气方向)径向高度方向204.ScCO2对煤体渗透性作用物质状态与参数气体（常温、常压）超临界流体液体（常温、常压）Tc，Pc~Tc，4Pc密度/（g/cm3）0.0006~0.0020.2~0.50.4~0.90.6~1.6粘度/（mPa·s）0.01~0.030.01~0.030.03~0.090.2~3.0自扩散系数/（cm2/s）0.1~0.40.00070.0002（0.2~2）×10-5朱子强.超临界流体技术[M].北京:化学工业出版社,2000:18-20.ScCO2：Pc=7.38MPa，Tc=31.4℃()()()(),,111212mTPTPQLQLKPPAPPAµµρρρ==•−−•超临界CO2渗透率计算•达西定律渗透率计算•质量守恒()()()121212mQLQLQLKPPAPPAPPAµµµρρρ===−−−11mvQQQρρ==2019/9/18TUT-LiangWeiguo2223弱粘煤气煤1/3焦煤贫瘦煤无烟煤尺寸：Φ50×100mm；温度：50℃；轴压/围压：20-50MPa；注入压力：10-25MPa；出口压力：8MPa；LVDT。2420~50MPa静水应力条件下，超临界CO2在弱粘煤中渗透率随注入压力的变化02468101251525渗透率/10-3md注入压力/MPa围压20MPa围压25MPa围压30MPa0.00.51.01.52.02.51015202530渗透率/10-3md注入压力/MPa围压35MPa围压40MPa0.60.70.80.91.01.11.21015202530渗透率/10-3md注入压力/MPa围压45MPa围压50MPa4mmA.弱粘煤012345678510152025渗透率/10-3md注入压力/MPa围压20MPa围压25MPa围压30MPa00.20.40.60.811.25152535渗透率/10-3md注入压力/MPa围压35MPa围压40MPa0.100.150.200.250.300.355152535渗透率/10-3md注入压力/MPa围压45MPa围压50MPa4mm20~50MPa静水应力条件下，超临界CO2在气煤中渗透率随注入压力的变化B.气煤260.00.51.01.52.02.5510152025渗透率/10-3md注入压力/MPa围压20MPa围压25MPa围压30MPa0.00.10.20.30.45152535渗透率/10-3md注入压力/MPa围压35MPa围压40MPa0.020.030.040.050.065152535渗透率/10-3md注入压力/MPa围压45MPa4mm20~50MPa静水应力条件下，超临界CO2在1/3焦煤中渗透率随注入压力的变化C.1/3焦煤270.00.40.81.21.62.051525渗透率/10-3md注入压力/MPa围压20MPa围压25MPa围压30MPa0.000.050.100.150.200.250.300.350.405152535渗透率/10-3md注入压力/MPa围压35MPa围压40MPa0.000.010.020.030.040.05172227渗透率/10-3md注入压力/MPa围压45MPa围压50MPa4mm20~50MPa静水应力条件下，超临界CO2在贫痩煤中渗透率随注入压力的变化D.贫瘦煤280.000.050.100.150.200.250.3051525渗透率/10-3md注入压力/MPa围压20MPa围压25MPa围压30MPa0.0000.0050.0100.0150.0200.02520222426渗透率/10-3md注入压力/MPa围压35MPa围压40MPa0.00000.00050.00100.00150.00200.00250.003020222426渗透率/10-3md注入压力/MPa围压45MPa围压50MPa4mm20~50MPa静水应力条件下，超临界CO2在无烟煤中渗透率随注入压力的变化E.无烟煤02468101251525渗透率/10-3md注入压力/MPa围压20MPa围压25MPa围压30MPa弱粘煤@（2~10）0246851525渗透率/10-3md注入压力/MPa围压20MPa围压25MPa围压30MPa气煤@(1~8)0.00.51.01.52.02.5510152025渗透率/10-3md注入压力/MPa围压20MPa围压25MPa围压30MPa1/3焦煤@(0.5~2)0.00.40.81.21.62.051525渗透率/10-3md注入压力/MPa围压20MPa围压25MPa围压30MPa贫瘦煤@0.2~2超临界CO2在800~1200m深部煤体中渗透率300.000.010.020.030.040.05171921232527渗透率/10-3md注入压力/MPa围压45MPa围压50MPa贫瘦煤@(0.01~0.05)0.100.150.200.250.300.355152535渗透率/10-3md注入压力/MPa围压45MPa围压50MPa气煤@(0.15~0.3)0.60.70.80.91.01.11.21015202530渗透率/10-3md注入压力/MPa围压45MPa围压50MPa弱粘煤@(0.7~1.0)0.00000.00050.00100.00150.00200.00250.0030212223242526渗透率/10-3md注入压力/MPa围压45MPa围压50MPa无烟煤@(0.001~0.002)超临界CO2在1800~2000m深部煤体中渗透率coal64%oil18%gas6%other12%Chinaenergyconsumptionin2015加油增气深部难采与不可采煤层，通过注入CO2驱替置换开采CH4，不失为一种煤层气原位改性开采的有效技术方法，对我国能源结构调整与温室气体CO2减排封存具有双重正向效应。TU