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

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