液态二氧化碳-蒸汽循环刺激过程中的相变与热应力效应对渗透性提升的影响

《Energy & Fuels》：Phase Transition and Thermal Stress Effects during Liquid CO2–Steam Cyclic Stimulation for Permeability Enhancement

研究提出交替液态CO?和蒸汽刺激方法解决煤层冰堵问题，通过实验和模拟发现循环刺激引起渗透率变化，高温蒸汽加速冰融19.18倍，冷冲击阶段渗透率提升8.6倍，热刺激阶段因收缩暂时降低，最终120天气体提取效率提升11.4%。

　　

为了解决液态二氧化碳注入过程中煤层因结冰而导致的堵塞问题，本研究提出了一种通过交替注入液态二氧化碳和蒸汽来提高渗透性的方法。该方法利用热相变效应来裂解煤层，同时防止结冰堵塞，从而改善气体迁移路径。通过实验和模拟研究了相变-热应力协同作用下的渗透性变化规律。结果表明，循环注入能够通过不同的相变机制引起特征性的渗透性变化。模拟得到的煤层轴向温度分布与实验测量结果高度吻合，证实了该模型在捕捉热传输过程中的准确性。具体而言，高温蒸汽（160°C）使液态二氧化碳冻结的煤层融化速度比常温反应条件下的速度快19.18倍。在冷冲击阶段，由于冰在裂隙网络中的膨胀，渗透性增加了8.6倍；而在热刺激阶段，由于融化引起的收缩，渗透性会暂时降低。在交替注入液态二氧化碳和高温蒸汽的过程中，煤层经历了反复的热膨胀和收缩，产生了增强孔隙连通性的渗透性波动，从而促进了气体迁移。气体提取模拟结果显示，煤层在120天内即可达到标准提取要求，且提取效率与温度呈正相关。在55°C条件下，120天后的最终气体压力比30°C条件下的压力降低了0.04 MPa，提取效率提高了11.4%。这些发现揭示了液态二氧化碳-蒸汽循环刺激过程中渗透性变化的基本机制，并为提高煤层气回收率提供了理论指导。