水—热耦合作用下煤体瓦斯的吸附解吸机理研究
发布时间：2021-09-19 00:01
煤层气的高效和安全开采,既可以防治矿井瓦斯灾害的发生,又可以提高能源的利用效率。针对采用过热水或过热水蒸气,加热煤层开采煤层气的施工方案和工艺,本文进行了较小煤试样的细观渗流试验研究、不同温度和水压作用下大尺寸煤试样对瓦斯的吸附解吸试验研究、毛细管中水和甲烷的运移机理研究以及相应的数值模拟研究。对既定方案所涉及到的水-热耦合作用下煤体瓦斯的吸附解吸机理,进行了较系统的研究,主要得到以下结论：1)成功研制用于固体—气、液二相流体渗流的细观试验装置,可以进行煤在显微CT观测下的吸附甲烷和高压注水试验,及其相应的观测和分析。通过对2mmx2.5mmx10mm的煤试样进行CT观测后得出,煤试样吸附甲烷后,相同区域、相同阂值的孔隙率下降约3%,但是随着吸附压力的进一步增加,孔隙率下降的趋势不明显。煤试样在高压注水后,相同区域、相同阈值的孔隙率下降约4%,但是随着注水压力的进一步增加,孔隙率下降的趋势不明显,并且卸载水压后,孔隙率仍会呈现微量的降低。2)采用自主研制的吸附—注水—解吸成套试验系统,进行了原位取芯得到的含瓦斯煤样在高压注水后的恒温（20℃）解吸特性试验,结果表明：含瓦斯煤样未注水时的...
【文章来源】：太原理工大学山西省 211工程院校
【文章页数】：171 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
第一章 绪论
1.1. 引言
1.2. 国内外研究现状
1.2.1. 煤层气的资源分布及开采现状
1.2.2. 煤中水与甲烷相互作用的研究现状
1.2.3. 水对煤层气开采影响的研究现状
1.2.4. 高温吸附解吸规律的研究现状
1.3. 目前研究主要存在的不足
1.4. 本文的研究内容
第二章 煤中气、液渗流现象的初步细观试验研究
2.1. 试验系统和过程
2.2. 显微CT观测的煤吸附甲烷的特性
2.2.1. 不同吸附压力下的平面CT图像分析
2.2.2. 不同吸附压力下的三维CT图像分析
2.3. 显微CT观测的含甲烷煤在高压注水后的特性
2.3.1. 不同注水压力下的平面CT图像分析
2.3.2. 不同注水压力下的三维CT图像分析
2.4. 本章小结
第三章 含瓦斯煤样在高压注水后的恒温解吸特性试验研究
3.1. 试验系统
3.1.1. 试验系统的研制
3.1.2. 试样介绍
3.2. 试验过程
3.2.1. 吸附—注水—解吸试验过程
3.2.2. 测定孔隙结构的压汞实验过程
3.3. 试验结果与分析
3.3.1. 压汞法测定的孔隙分布结果
3.3.2. 吸附—注水—解吸试验结果
3.3.3. 试验结果分析
3.4. 结合孔隙结构对解吸的分析和讨论
3.4.1. 水对煤体瓦斯解吸影响的讨论
3.4.2. 临界孔隙尺度的确定
3.4.3. 解吸能力与水进入煤样的最小孔径的关系
3.5. 本章小结
第四章 含瓦斯煤样在高压注水后的升温解吸和恒温吸附特性试验研究
4.1. 升温解吸试验系统和试验过程
4.1.1. 试验系统
4.1.2. 吸附试验过程
4.1.3. 注水和解吸试验过程
4.2. 升温解吸试验结果与分析
4.2.1. 试验数据
4.2.2. 全试验过程各温度段的解吸随时间的变化
4.2.3. 试样累计解吸率随温度的变化
4.2.4. 温度对煤自然解吸规律的影响
4.2.5. 含瓦斯煤样注水解吸受温度的影响规律
4.3. 恒温吸附试验系统和试验过程
4.3.1. 试验系统
4.3.2. 试验过程
4.4. 恒温吸附试验结果与分析
4.4.1. 试验结果
4.4.2. 煤样吸附速率分析
4.4.3. 等初始吸附压力下的吸附量分析
4.4.4. 预先水作用的煤体吸附性讨论
4.4.5. 煤体预先含水吸附的微观机理研究
4.5. 本章小结
第五章 原煤对瓦斯的高温吸附—解吸特性试验研究
5.1. 试验系统的研制
5.2. 试验过程与试样
5.2.1. 试样的选取和加工
5.2.2. 试验过程
5.3. 试验结果与分析
5.3.1. 解吸试验结果
5.3.2. 定压、定容解吸结果分析
5.3.3. 定容、定压吸附结果分析
5.3.4. 等温吸附特性分析
5.4. 结合吸附理论对结果的分析讨论
5.4.1. 吸附模型的确定
5.4.2. 吸附参数a、b的分析和讨论
5.4.3. 温度单一因素对吸附参数a、b的影响
5.5. 本章小结
第六章 煤中气、液耦合流动的机理和细观数值模拟研究
6.1. 煤中气、液耦合流动机理研究
6.1.1. 水进入到煤中孔隙的孔径临界值
6.1.2. 温度作用下的水—气流动的相变规律
6.2. 温度作用下煤中甲烷—水的耦合流动数学模型
6.2.1. 煤孔隙裂隙中甲烷赋存和流动的基本方程
6.2.2. 煤中水渗流的微分方程
6.2.3. 耦合数学模型的建立
6.3. 模型的简化和数值模拟方案
6.3.1. 模型的简化
6.3.2. 数值模拟方案
6.4. 恒温(30℃)下气、液流动规律的数值试验结果
6.4.1. 薄板模型试验结果
6.4.2. 立方模型试验结果
6.5. 升温(30～270℃)作用下气、液流动规律的数值试验结果
6.5.1. 薄板模型试验结果
6.5.2. 立方模型试验结果
6.6. 本章小结
第七章 结论与展望
7.1. 主要结论
7.2. 研究展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文
攻读博士学位期间主持和参加的科研项目
博士学位论文独创性说明
【参考文献】：
期刊论文
[1]The solution and exsolution characteristics of natural gas components in water at high temperature and pressure and their geological meaning[J]. Gao Gang 1 , Huang Zhilong 1 , Huang Baojia 2 , Yuan Jian 3 and Tong Chuanxin 2 1 State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China 2 Exploration and Development Research Institute, CNOOC, Zhanjiang, Guangdong 524057, China 3 Chuanxi Production Factory, Southwest Oil and Gas Field Branch, SINOPEC, Deyang, Sichuan 618000, China. Petroleum Science. 2012(01)
[2]结合孔隙结构分析注水对煤体瓦斯解吸的影响[J]. 赵东,赵阳升,冯增朝. 岩石力学与工程学报. 2011(04)
[3]高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究[J]. 赵东,冯增朝,赵阳升. 岩石力学与工程学报. 2011(03)
[4]水分对阳泉3号煤层瓦斯解吸速度影响的实验研究[J]. 王兆丰,李晓华,戚灵灵,孙锐,刘喜庆. 煤矿安全. 2010(07)
[5]煤层注水抑制瓦斯涌出机理研究[J]. 郭红玉,苏现波. 煤炭学报. 2010(06)
[6]煤层瓦斯解吸影响因素的试验研究[J]. 赵东,冯增朝,赵阳升. 煤炭科学技术. 2010(05)
[7]煤层注水防治煤与瓦斯突出机理的研究现状与进展[J]. 肖知国,王兆丰. 中国安全科学学报. 2009(10)
[8]块煤含水率对其吸附性影响的试验研究[J]. 冯增朝,赵东,赵阳升. 岩石力学与工程学报. 2009(S2)
[9]煤与瓦斯突出模拟试验研究[J]. 尹光志,赵洪宝,许江,王维忠. 岩石力学与工程学报. 2009(08)
[10]气肥煤与焦煤的孔隙分布规律及其吸附–解吸特征[J]. 刘高峰,张子戌,张小东,吕闰生. 岩石力学与工程学报. 2009(08)
博士论文
[1]空化水射流声震效应促进煤层瓦斯解吸渗流机理研究[D]. 周东平.重庆大学 2010
[2]低渗透煤层煤层气注热增产机理的研究[D]. 杨新乐.辽宁工程技术大学 2009
[3]滑脱效应影响的低渗透储层煤层气运移规律研究[D]. 肖晓春.辽宁工程技术大学 2009
[4]油页岩热解特性及原位注热开采油气的模拟研究[D]. 康志勤.太原理工大学 2008
[5]煤层气吸附解吸机理研究[D]. 马东民.西安科技大学 2008
[6]孔隙裂隙双重介质逾渗理论及应用研究[D]. 吕兆兴.太原理工大学 2008
[7]煤层水压致裂理论及应用研究[D]. 杜春志.中国矿业大学 2008
[8]声震法提高煤层气抽采率的机理及技术原理研究[D]. 易俊.重庆大学 2007
[9]低渗透煤层瓦斯抽放理论与应用研究[D]. 冯增朝.太原理工大学 2005
[10]裂缝中气液二相流体临界渗流机理与理论研究[D]. 杨栋.太原理工大学 2005
硕士论文
[1]非均质多孔介质的逾渗—渗流特征[D]. 王江芳.太原理工大学 2011
[2]有效应力规律的细观机理的数值实验研究[D]. 吴海.太原理工大学 2003
[3]岩体裂缝面数量三维分形分布规律研究与仿真理论[D]. 文再明.太原理工大学 2003
[4]高温岩体地热开发的固流热多场耦合与数值仿真[D]. 王瑞凤.太原理工大学 2002
本文编号：3400591
【文章来源】：太原理工大学山西省 211工程院校
【文章页数】：171 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
第一章 绪论
1.1. 引言
1.2. 国内外研究现状
1.2.1. 煤层气的资源分布及开采现状
1.2.2. 煤中水与甲烷相互作用的研究现状
1.2.3. 水对煤层气开采影响的研究现状
1.2.4. 高温吸附解吸规律的研究现状
1.3. 目前研究主要存在的不足
1.4. 本文的研究内容
第二章 煤中气、液渗流现象的初步细观试验研究
2.1. 试验系统和过程
2.2. 显微CT观测的煤吸附甲烷的特性
2.2.1. 不同吸附压力下的平面CT图像分析
2.2.2. 不同吸附压力下的三维CT图像分析
2.3. 显微CT观测的含甲烷煤在高压注水后的特性
2.3.1. 不同注水压力下的平面CT图像分析
2.3.2. 不同注水压力下的三维CT图像分析
2.4. 本章小结
第三章 含瓦斯煤样在高压注水后的恒温解吸特性试验研究
3.1. 试验系统
3.1.1. 试验系统的研制
3.1.2. 试样介绍
3.2. 试验过程
3.2.1. 吸附—注水—解吸试验过程
3.2.2. 测定孔隙结构的压汞实验过程
3.3. 试验结果与分析
3.3.1. 压汞法测定的孔隙分布结果
3.3.2. 吸附—注水—解吸试验结果
3.3.3. 试验结果分析
3.4. 结合孔隙结构对解吸的分析和讨论
3.4.1. 水对煤体瓦斯解吸影响的讨论
3.4.2. 临界孔隙尺度的确定
3.4.3. 解吸能力与水进入煤样的最小孔径的关系
3.5. 本章小结
第四章 含瓦斯煤样在高压注水后的升温解吸和恒温吸附特性试验研究
4.1. 升温解吸试验系统和试验过程
4.1.1. 试验系统
4.1.2. 吸附试验过程
4.1.3. 注水和解吸试验过程
4.2. 升温解吸试验结果与分析
4.2.1. 试验数据
4.2.2. 全试验过程各温度段的解吸随时间的变化
4.2.3. 试样累计解吸率随温度的变化
4.2.4. 温度对煤自然解吸规律的影响
4.2.5. 含瓦斯煤样注水解吸受温度的影响规律
4.3. 恒温吸附试验系统和试验过程
4.3.1. 试验系统
4.3.2. 试验过程
4.4. 恒温吸附试验结果与分析
4.4.1. 试验结果
4.4.2. 煤样吸附速率分析
4.4.3. 等初始吸附压力下的吸附量分析
4.4.4. 预先水作用的煤体吸附性讨论
4.4.5. 煤体预先含水吸附的微观机理研究
4.5. 本章小结
第五章 原煤对瓦斯的高温吸附—解吸特性试验研究
5.1. 试验系统的研制
5.2. 试验过程与试样
5.2.1. 试样的选取和加工
5.2.2. 试验过程
5.3. 试验结果与分析
5.3.1. 解吸试验结果
5.3.2. 定压、定容解吸结果分析
5.3.3. 定容、定压吸附结果分析
5.3.4. 等温吸附特性分析
5.4. 结合吸附理论对结果的分析讨论
5.4.1. 吸附模型的确定
5.4.2. 吸附参数a、b的分析和讨论
5.4.3. 温度单一因素对吸附参数a、b的影响
5.5. 本章小结
第六章 煤中气、液耦合流动的机理和细观数值模拟研究
6.1. 煤中气、液耦合流动机理研究
6.1.1. 水进入到煤中孔隙的孔径临界值
6.1.2. 温度作用下的水—气流动的相变规律
6.2. 温度作用下煤中甲烷—水的耦合流动数学模型
6.2.1. 煤孔隙裂隙中甲烷赋存和流动的基本方程
6.2.2. 煤中水渗流的微分方程
6.2.3. 耦合数学模型的建立
6.3. 模型的简化和数值模拟方案
6.3.1. 模型的简化
6.3.2. 数值模拟方案
6.4. 恒温(30℃)下气、液流动规律的数值试验结果
6.4.1. 薄板模型试验结果
6.4.2. 立方模型试验结果
6.5. 升温(30～270℃)作用下气、液流动规律的数值试验结果
6.5.1. 薄板模型试验结果
6.5.2. 立方模型试验结果
6.6. 本章小结
第七章 结论与展望
7.1. 主要结论
7.2. 研究展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文
攻读博士学位期间主持和参加的科研项目
博士学位论文独创性说明
【参考文献】：
期刊论文
[1]The solution and exsolution characteristics of natural gas components in water at high temperature and pressure and their geological meaning[J]. Gao Gang 1 , Huang Zhilong 1 , Huang Baojia 2 , Yuan Jian 3 and Tong Chuanxin 2 1 State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China 2 Exploration and Development Research Institute, CNOOC, Zhanjiang, Guangdong 524057, China 3 Chuanxi Production Factory, Southwest Oil and Gas Field Branch, SINOPEC, Deyang, Sichuan 618000, China. Petroleum Science. 2012(01)
[2]结合孔隙结构分析注水对煤体瓦斯解吸的影响[J]. 赵东,赵阳升,冯增朝. 岩石力学与工程学报. 2011(04)
[3]高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究[J]. 赵东,冯增朝,赵阳升. 岩石力学与工程学报. 2011(03)
[4]水分对阳泉3号煤层瓦斯解吸速度影响的实验研究[J]. 王兆丰,李晓华,戚灵灵,孙锐,刘喜庆. 煤矿安全. 2010(07)
[5]煤层注水抑制瓦斯涌出机理研究[J]. 郭红玉,苏现波. 煤炭学报. 2010(06)
[6]煤层瓦斯解吸影响因素的试验研究[J]. 赵东,冯增朝,赵阳升. 煤炭科学技术. 2010(05)
[7]煤层注水防治煤与瓦斯突出机理的研究现状与进展[J]. 肖知国,王兆丰. 中国安全科学学报. 2009(10)
[8]块煤含水率对其吸附性影响的试验研究[J]. 冯增朝,赵东,赵阳升. 岩石力学与工程学报. 2009(S2)
[9]煤与瓦斯突出模拟试验研究[J]. 尹光志,赵洪宝,许江,王维忠. 岩石力学与工程学报. 2009(08)
[10]气肥煤与焦煤的孔隙分布规律及其吸附–解吸特征[J]. 刘高峰,张子戌,张小东,吕闰生. 岩石力学与工程学报. 2009(08)
博士论文
[1]空化水射流声震效应促进煤层瓦斯解吸渗流机理研究[D]. 周东平.重庆大学 2010
[2]低渗透煤层煤层气注热增产机理的研究[D]. 杨新乐.辽宁工程技术大学 2009
[3]滑脱效应影响的低渗透储层煤层气运移规律研究[D]. 肖晓春.辽宁工程技术大学 2009
[4]油页岩热解特性及原位注热开采油气的模拟研究[D]. 康志勤.太原理工大学 2008
[5]煤层气吸附解吸机理研究[D]. 马东民.西安科技大学 2008
[6]孔隙裂隙双重介质逾渗理论及应用研究[D]. 吕兆兴.太原理工大学 2008
[7]煤层水压致裂理论及应用研究[D]. 杜春志.中国矿业大学 2008
[8]声震法提高煤层气抽采率的机理及技术原理研究[D]. 易俊.重庆大学 2007
[9]低渗透煤层瓦斯抽放理论与应用研究[D]. 冯增朝.太原理工大学 2005
[10]裂缝中气液二相流体临界渗流机理与理论研究[D]. 杨栋.太原理工大学 2005
硕士论文
[1]非均质多孔介质的逾渗—渗流特征[D]. 王江芳.太原理工大学 2011
[2]有效应力规律的细观机理的数值实验研究[D]. 吴海.太原理工大学 2003
[3]岩体裂缝面数量三维分形分布规律研究与仿真理论[D]. 文再明.太原理工大学 2003
[4]高温岩体地热开发的固流热多场耦合与数值仿真[D]. 王瑞凤.太原理工大学 2002
本文编号：3400591
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