【摘 要】
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煤层气作为一种清洁能源,加强煤层气的开采和利用,可以缓解资源紧张的问题,同时也可以降低瓦斯突出爆炸的风险。煤体的渗透性决定了煤层气的开采效果,注热开采煤层气技术是一种高效增产技术,为了探究注热开采煤层气过程中煤体渗透率的演化机理,利用高温多功能三轴试验系统,进行不同应力状态下煤体的增温渗流试验、热膨胀试验、降压解吸试验、增温解吸试验以及变温条件下的渗流试验,探究在30-150℃增温过程中热膨胀和解
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煤层气作为一种清洁能源,加强煤层气的开采和利用,可以缓解资源紧张的问题,同时也可以降低瓦斯突出爆炸的风险。煤体的渗透性决定了煤层气的开采效果,注热开采煤层气技术是一种高效增产技术,为了探究注热开采煤层气过程中煤体渗透率的演化机理,利用高温多功能三轴试验系统,进行不同应力状态下煤体的增温渗流试验、热膨胀试验、降压解吸试验、增温解吸试验以及变温条件下的渗流试验,探究在30-150℃增温过程中热膨胀和解吸变形效应以及滑脱效应对煤体渗透率的影响规律。本文的主要研究如下:(1)通过渗流试验、热膨胀试验、降压解吸试验以及增温解吸试验,研究了温度和解吸作用下煤体的变形规律,发现:1)在30-150℃,温度对煤体变形规律的影响,是由基质发生的热膨胀变形,和弹性模量减小使得煤体在外部压力作用下发生的收缩变形共同决定的。2)气体解吸将造成基质收缩,解吸量与解吸应变正相关。在30-150℃随着温度的升高,解吸量基本呈线性增长,解吸变形速率逐渐增大,解吸应变系数先减小后增大,在90-120℃区间达到最小值。煤体的解吸应变系数与有效应力负相关,当温度为90℃时,煤体的径向解吸应变系数和体积解吸应变系数与孔隙压力负相关,其他温度下,煤体的解吸应变系数均与孔隙压力正相关。3)在增温渗流过程中煤体变形是由热膨胀变形以及解吸变形共同造成的,且主要受热膨胀变形影响,与热膨胀变形规律具有一致性。4)在30-150℃增温解吸过程中,煤体的变形规律存在一个由膨胀变形向收缩变形转化的解吸临界温度。随着有效应力和孔隙压力的增大,解吸临界温度均呈减小趋势,且解吸临界温度对有效应力的敏感性是孔隙压力的1.875倍。(2)基于煤体的变形规律,结合渗流试验中煤体渗透率的演化规律,对温度及解吸作用下煤体的渗流规律进行分析,结果表明:1)热膨胀变形会挤压渗流通道,导致渗透率减小;解吸造成的收缩变形将会造成渗流通道打开,促进渗透率增加。2)热膨胀变形对煤体渗透率的影响与煤体的初始渗透率相关。当煤体初始渗透率大于43.08×10-21m~2时,热膨胀变形使得渗透率降低;当煤体初始渗透率小于1.77×10-21m~2时,热膨胀变形向内膨胀受到限制,对渗透率影响作用减弱。3)煤体初始渗透率越小,在30-150℃随着温度的升高,渗透率最小值点对应的温度越小。当初始渗透率小于1.77×10-21m~2时,渗透率最小值点对应的温度为30℃;当大于1.77×10-21m~2小于9.29×10-21m~2时为60℃;当大于9.29×10-21m~2小于31.27×10-21m~2时为90℃,当大于43.08×10-21m~2时渗透率单调递减,在150℃时渗透率最小。(3)通过变温条件下的渗流试验,分析孔隙压力与滑脱效应的关系以及温度对滑脱因子的影响规律,探究考虑滑脱效应的煤体在温度及解吸作用下渗透率的演化规律,结果表明:1)孔隙压力对滑脱效应的影响,主要是通过孔隙压力变化引起的吸附解吸变形,以及有效应力的改变引起的煤体变形,导致煤体孔喉半径发生变化造成的。随着孔隙压力的升高,滑脱效应逐渐减弱。2)温度对滑脱效应的影响,主要是通过温度引起的煤体热膨胀变形以及解吸变形,导致煤体孔喉半径发生变化造成的。随着温度的升高,滑脱因子在30-60℃逐渐增大,在60-90℃逐渐减小,90-150℃快速增大并开始出现负值。3)在增温渗流过程中,热膨胀变形、解吸变形以及滑脱效应对渗透率的影响效果受初始渗透率的影响。当初始渗透率小于1.77×10-21m~2时,解吸变形和滑脱效应对渗透率的促进作用大于热膨胀变形对渗透率的抑制作用,渗透率随着温度的升高呈增大趋势;当煤体的初始渗透率大于43.08×10-21m~2时,解吸变形和滑脱效应对渗透率的促进作用小于热膨胀变形对渗透率的抑制作用,渗透率随着温度的升高呈减小趋势。
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