煤炭学报

作者：林柏泉, 施宇, 刘厅, 黄涛,

关键词：热烟气, 深部煤层, 瓦斯驱替, 多场耦合, 非均质煤储层, 增产效率,

热烟气作为含CO2载热介质注入深部煤层，在强化增渗煤体、提高瓦斯驱替效果的同时，实现了CO2地质封存。阐明热烟气强化增渗煤体及驱替瓦斯过程多场耦合机制，是实现瓦斯增产效率科学调控的重要前提。基于纳米压痕测试的煤体力学参数非均质分布特性，构建了非均质煤储层地质模型，通过数值模拟分析了热烟气强化增渗煤体及驱替瓦斯过程多场时空演化特征。在此基础上，结合考虑气体突破效应的注气增产效率评价指标，探究了主要工程调控参数(烟气温度、CO2体积分数和压力)与热烟气驱替煤层瓦斯效率的内在响应关系。结果表明：韦伯尔概率分布函数更适合描述煤体微观弹性模量在空间上的非均质分布行为；煤体损伤释放弹性应变能与矿物溶蚀释放热能的输入导致局部异常高温区域的产生。近场和远场瓦斯驱替形式分别为热驱替和CO2驱替。N2虽然能很快突破储层，但其在驱替过程中承担提高渗流压力梯度与降低混合气体流动阻力的角色。热烟气注井邻近煤体升温范围内，矿物溶蚀效应更强的原因在于煤体在热烟气高温与高压作用下发生损伤，更有利于CO2富集。该区域煤体裂隙溶液内大量氢离子聚集，裂隙溶液酸性显著增强，导致矿物溶蚀速率增大。由于升温不充分区域内煤体温度不足以诱发煤体损伤，基质过度热膨胀导致煤体渗透率显著降低。驱替初期，热烟气注井邻近煤体升温不充分区域范围差别不大，但大量CO2富集导致低渗锋面外向扩张。随着驱替时间增加，热烟气注井邻近煤体损伤范围与程度均迅速增大并逐渐趋于稳定，同时裂隙内可溶性矿物含量显著降低，产生显著的增渗效应。热烟气驱替煤层瓦斯过程中低渗锋面面积呈现先增大后减小的变化趋势。通过多场调控优化瓦斯增产效率，应当基于实际增产周期长短确定主要工程调控参数。短增产周期内，与烟气CO2体积分数和烟气温度相比，烟气压力对注气增产效率影响更为显著，且低压烟气瓦斯增产效率更高；长增产周期内，高烟气压力、低CO2体积分数和高烟气温度条件，能产生更高注气增产效率。

来源：2025年第11期

《煤炭学报》期刊编辑部

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