基于氣-水兩相流的注熱CO2 增產(chǎn)CH4 數(shù)值模擬研究

張林峰 ，楊艷國(guó) ，穆永亮 ，范 楠 ，劉 康 ，姚文軍

（太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院, 山西 太原 030024）

0 引 言

煤層氣是一種清潔、高效的能源，合理利用煤層氣是降低環(huán)境污染、節(jié)約能源的重要措施[1-2]。CO2是主要的溫室氣體，工業(yè)發(fā)展導(dǎo)致CO2排放日益增多。控制CO2排放、降低溫室氣體輸出已成為世界各國(guó)的基本共識(shí)[3-4]。CO2驅(qū)煤層氣地質(zhì)封存技術(shù)（CO2-ECBM）可以促進(jìn)煤層氣開(kāi)發(fā)和降低溫室氣體排放，有助于推動(dòng)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)[5-7]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于CO2-ECBM 技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量探索，美國(guó)、中國(guó)、加拿大等都先后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，這些現(xiàn)場(chǎng)證明了注氣開(kāi)采的可行性[8]。與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬可以選擇各種工況進(jìn)行定量分析從而得到最優(yōu)解。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)建立了CO2-ECBM 耦合模型，并廣泛應(yīng)用于煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。凡永鵬等[9]建立了流-固-熱耦合模型，描述了注氣驅(qū)替的規(guī)律；楊宏民等[10]模擬了注入CO2時(shí)氣體排放變化；LI 等[11]、FAN 等[12]建立了注氣驅(qū)替的流-固-熱耦合模型，分析了溫度、滲透率等因素的影響；朱萬(wàn)成等[13]、范超軍等[14]建立了煤層氣開(kāi)采熱-流-固耦合模型；馮啟言等[15]基于氣體競(jìng)爭(zhēng)吸附引起的煤變形關(guān)系，建立了CO2-ECBM 的流-固耦合模型；FANG 等[16]建立CO2-ECBM 的流-固耦合模型來(lái)研究氣體壓力和濃度的分布。

綜上所述，以上耦合模型為研究CO2-ECBM 發(fā)揮了重要的作用。但是對(duì)煤層中水的影響及溫度效應(yīng)考慮的較少。筆者在結(jié)合前人數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，對(duì)耦合關(guān)系做出進(jìn)一步完善，考慮了熱場(chǎng)和煤層中水的影響，建立了包含溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)以及水運(yùn)移的耦合模型。……