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A novel interdisciplinary model for optimizing coalbed methane recovery and carbon dioxide sequestration: Fracture dynamics, gas mechanics, and its application

物理 煤层气 二氧化碳 甲烷 固碳 机械 石油工程 废物管理 生态学 量子力学 煤矿开采 氮气 工程类 生物
作者
Dayu Ye,Guannan Liu,Feng Gao,Xiaoran Wang,Mingyao Wei,Yuyu Liu,Danqi Li
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (7) 被引量:3
标识
DOI:10.1063/5.0213984
摘要

The Carbon Dioxide Enhanced Coalbed Methane (CO2-ECBM) technique significantly enhances clean energy extraction and mitigates climate change. Central to this process is the dynamic evolution of rough fracture networks within coal seams, influencing the migration of CO2 and natural gas. However, existing research lacks a comprehensive, quantitative approach to examining the micro-evolution of these fractures, including fracture roughness, fracture density, fracture touristy, and fracture size, particularly under thermo-hydro-mechanical effects. Addressing this gap, our study introduces an innovative, fractal model for quantitative analysis. This model intricately characterizes fracture networks in terms of number, tortuosity, length, and roughness, integrating them with fluid dynamics affected by external disturbances in CO2-ECBM projects. Upon rigorous validation, the finite element method analysis reveals significant impacts of micro-parameters on permeability and natural gas extraction. For instance, increasing CO2 injection pressure from 4 to 6 MPa changes fracture network density by up to 6.4%. A decrease in fracture density (Df) from 1.6 to 1.5 raises residual gas pressure by 2.7% and coal seam stress by 9.5%, indicating crucial considerations for project stability. Applying the proposed interdisciplinary model to assess CO2 emissions in Australia, it is can be obtained that when Df decreases from 1.6 to 1.5, the total amount of CO2 storage reduces by 17.71%–18.04%. Our results demonstrate the substantial influence of micro-fracture behaviors on CO2-ECBM projects, offering a ground-breaking solution for efficient greenhouse gas reduction and clean energy extraction, with practical implications for the energy sector's sustainability.
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