深部煤层注CO2驱替CH4入侵渗流动力学建模及地质封存机理研究
刘操1
杨硕2
魏建平2
1.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003;全国煤炭行业瓦斯地质与瓦斯防治工程研究中心,河南焦作 4540032.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003
摘要：深部煤层注CO2地质封存及强化煤层气开采是能源行业节能减排最主要途径之一,然而,煤层是非均质多孔介质,具有纳米到厘米级的孔径尺度分布,CO2、CH4和H2O等流体多相共存于煤岩多尺度孔网,将形成大小迥异的毛细压力,进而影响注入CO2驱替置换和渗流传质,强烈毛细作用下的关键问题就是:"注入CO2究竟能够进入哪些尺度孔网空间驱替置换原位流体而地质封存呢?".鉴于此,首先建立煤层注CO2多尺度孔隙入侵渗流动力学模型;其次以真实煤样上的90条微纳米级交叉孔网为例,对CO2注入驱替和停注封存两个连续流动过程进行了定量研究.结果表明:煤层环境CO2、CH4和H2O等流体因不混溶产生不混溶相界面毛细阻力,注入CO2总是选择阻力最小孔隙路径驱替置换和渗流前行,造成CO2只会进入那些尺度大阻力小的孔裂隙空间.煤层注CO2渗流过程本质是驱替压差ΔP与孔隙不混溶界面毛细压力之间的竞争,驱替压差越大,能够进入的孔隙就越小,封存CO2的有效空间就越大.注入CO2运移过程并不遵循普遍认同的达西渗流,而是呈现出多个阶段性流动特征:注入初期,CO2只能进入润湿性孔隙与CH4竞争性吸附解吸;注入中期,CO2在非润湿孔隙遵守入侵渗流运动,在润湿性孔隙或孔隙交叉节点符合海恩斯跳跃不稳定流动;注入后期,CO2突破煤层孔裂隙网络形成连续流动路径,才按照达西渗流运动;停止注入CO2后,煤层水等润湿流体自发渗吸,将已注入CO2截断和关闭为结构封存和残余封存两部分.本研究对于揭示煤与瓦斯突出、页岩和煤等多孔介质储层CO2注不进、负压瓦斯抽采效率低等工程现象背后的本质具有重要的启示意义.
关键词：CO2地质封存入侵渗流毛细压力不混溶相置换海恩斯跳跃
分类号：TD712+.51(矿山安全与劳动保护)P618.11(矿床学)
资助基金：国家自然科学基金(42402185)河南省自然科学基金项目(252300420032)河南理工大学博士基金项目(B2021-5)
论文发表日期：2025-09-30
在线出版日期：2025-10-31（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：16( 1037-1052 )
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