热力流技术前沿：CO2驱替甲烷开采的煤层注入研究

本案例提出一种增强瓦斯开采的方法，即煤层注入CO2，增强甲烷开采的方法(CO2-ECBM)。

在双碳减排大背景下，煤层中注入CO2，一方面可以将其封存煤层中，减少其排放到大气中；另一方面，利用CO2和甲烷之间的竞争吸附作用，CO2的吸附性大于甲烷的吸附性，这样可以驱替甲烷，进而增强瓦斯开采。此方法的技术难点具有以下几方面：

一、煤层中注入CO2，涉及到双组分，气体运移更复杂；

二、煤层的渗透率、孔隙率方程增添由CO2吸附扩散引起的变化项；

三、涉及到的物理场增多，方程更复杂，数值求解中模型收敛性很难。

本文构建的物理场方程来自已公开发表的文献，对于具体的数值求解方法，限于篇幅，会做出一部分解释，主要从CO2-ECBM的机理角度出发。首先构建模型的物理场方程，如图1。

该物理场方程主要分为气体扩散对流方程、温度场方程、煤体变形控制方程，其中还有一些辅助方程，如渗透率方程、孔隙率方程等。煤体的有效应力方程考虑了基质、裂隙中的孔压，基质变形引起的应力、煤层温度变化引起的热应力。同时在煤体变形控制方程中，考虑有效应力变化的煤体变形方程。

煤体的对流扩散方程分为扩散项、对流项。此过程，将裂隙和基质假设为一个整体，在这个整体上获得统一的CO2与甲烷的对流扩散方程，其中该系统的源项为0。温度场需要考虑煤层本身的传热以及内部对流换热与基质、煤体变形引起的温度变化。

将三个物理场方程耦合解算，是该数值模拟的一个难点。本案列选择多物理场求解工具COMSOL,其在多场求解方面广泛应用。

图1  CO2-ECBM物理场方程

COMSOL中求解步骤主要为参数、变量设置，几何模型设置，物理场设置，网格划分，求解器设置，后处理。参数变量设置中，需要把CO2-ECBM耦合方程中，相关的参数、变量设置到全局参数中。

同时把一些物理场方程用到的变量设置到局部变量中。几何模型中，采用1/4煤层进行构建，在中心位置设置注气孔，在右上角设置抽采孔。物理场选择2个系数型偏微分方程和1个一般形式偏微分方程，其中CO2与甲烷的对流扩散方程、温度场方程采用系数型偏微分方程，煤层变形控制方程采用一般形式偏微分方程。

对于，对流扩散方程的边界条件设置中，在注气孔边界只设置CO2注气边界，在抽采边界只设置甲烷抽采边界。煤层变形控制方程中，需要设置对称边界，即零通量。在上边界设置应力载荷，在右边界设置位移边界。

煤层变形控制方程在固体力学中设置，也可以使用PDE模块，编写相应表达式。温度场可在多孔介质传热方程设置，也可以用PDE方程变形相应表达式。本模型全部选用PDE方程编写表达式求解，其好处在于可在同一求解器中求解，方便方程收敛。求解器采用全耦合隐式算法，采用自动(牛顿)非线性方法终止。

图2 参数变量设置

图3 几何模型设置

后处理设置：后处理主要展示煤层渗透率、CO2，甲烷的压力、煤层应力、位移变化等。具体分析，限于篇幅不在赘述，详细分析见文献。本案例还可以用在CO2地质封存,无抽采瓦斯分析中，以及其他相关案列中。

图4 甲烷压力变化

图5 CO2压力变化

图6 渗透率比值

图7 煤层位移

图8 对角线渗透率比值

图9 对角线压力分布

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