發(fā)布時間：2020-10-26 18:14

　　 我國煤層氣資源賦存條件復雜,高應力、構(gòu)造煤、低滲透性煤層氣資源占比高。雖然采用各種壓裂技術(shù)可以短期內(nèi)提高煤層透氣性,但后期濃度變化大造成產(chǎn)氣量衰減,制約煤層氣大規(guī)模工業(yè)開采。煤層氣開采過程涉及孔隙流體多尺度運移。在微尺度下在煤基質(zhì)微孔隙內(nèi)氣體發(fā)生吸附/解吸-擴散,而在宏細觀尺度下煤裂隙氣體以達西流動為主。對于煤層氣產(chǎn)量預測方法多數(shù)是先根據(jù)煤滲透率計算流量,再確定累計產(chǎn)氣量。因此,研究氣體運移過程中煤滲透率變化規(guī)律對于預測煤層氣產(chǎn)量與煤礦瓦斯治理至關(guān)重要。煤的滲透率表征煤體傳導流體能力。由于煤具有雙重孔隙結(jié)構(gòu),通常將煤滲透率歸為煤裂隙滲透率。雖然已有研究不僅考慮外部應力與整體應變對滲透率影響,還考慮吸附膨脹/解吸引起煤基質(zhì)變形,但忽視有效應力影響下煤裂隙變形與基質(zhì)變形相互協(xié)調(diào)對滲透率的影響。相比存在于裂隙中的滲流過程,基質(zhì)中氣體擴散過程需要較長時間才能達到平衡狀態(tài),這將導致基質(zhì)孔隙壓力滯后于裂隙孔隙壓力變化。這種在基質(zhì)與裂隙之間出現(xiàn)有效應力不同步變化將使基質(zhì)變形影響裂隙開度,進而改變煤的滲透率。為此,本論文圍繞煤基質(zhì)氣體擴散對滲透率影響,利用自主研制煤層氣滲流測試系統(tǒng)開展煤滲透率實驗研究,探討孔隙壓力變化對煤裂隙-基質(zhì)系統(tǒng)響應規(guī)律。主要的研究工作以及取得的成果如下:(1)開展孔隙壓力對煤體變形實驗,研究氣體滲流-擴散過程對煤體變形影響規(guī)律。通過對煤樣注入氦氣,觀測到煤體變形過程與氣體運移過程緊密相關(guān)。無論煤體處于固定位移邊界約束,還是恒定應力邊界約束,在注氣過程中,氣體滲流都可導致煤裂隙開度增大,氣體擴散導致煤基質(zhì)膨脹。在固定位移約束下,煤體變形表現(xiàn)為先膨脹后收縮。在恒定應力約束下,煤體變形表現(xiàn)為兩階段膨脹。隨著注氣壓力升高,從滲流膨脹到擴散膨脹的轉(zhuǎn)換時間縮短,基質(zhì)擴散時間相應延長。(2)開展煤滲透率隨時間演化實驗,研究有效應力與滑脫效應對煤滲透率的影響規(guī)律。首先建立了煤裂隙-基質(zhì)相互模型,獲得煤基質(zhì)與煤裂隙力學參數(shù)。其次,基于瞬態(tài)法測試方法,在保持外部應力不變條件下觀測到隨著注氣壓力逐級升高,煤滲透率升高;而在注氣壓力不變條件下,煤滲透率隨時間呈現(xiàn)出先增加后降低趨勢。該結(jié)果證實煤體內(nèi)雙重有效應力對煤滲透率影響。此外,利用穩(wěn)態(tài)法測試方法,觀測到隨著孔隙壓力降低煤滲透率受有效應力與滑脫效應控制。(3)開展恒定體積條件下注氣過程中煤變形和滲透率實驗,研究在固定邊界條件下煤基質(zhì)-裂隙相互作用對滲透率演化響應規(guī)律。觀測到當注入氦氣后煤體的局部應變出現(xiàn)快速膨脹后逐漸收縮,收縮應變與膨脹應變比值在0.5。根據(jù)煤裂隙-基質(zhì)系統(tǒng)的幾何模型(火柴棍模型),推導在恒定體積約束條件下受局部應變控制的滲透率模型。通過對比煤滲透率的實驗數(shù)據(jù)與模型預測值可以發(fā)現(xiàn),Ma-Harpalani模型由于忽視裂隙壓力與基質(zhì)壓力差值,會過高估計滲透率。而局部應變模型可以較好預測滲透率。此外,證實在氣體非穩(wěn)態(tài)流動過程中,Biot系數(shù)取值小于1能夠較為準確描述煤裂隙-基質(zhì)系統(tǒng)壓力對滲透率的影響。
【學位單位】：山東科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TE311
【部分圖文】：

１．３．１．１基于瞬態(tài)法滲透率測試??瞬態(tài)法是室內(nèi)測定煤滲透率常用的測定方法，該方法由Ｂｒａｃｅ等［｜３］于１９６８??年首次提出。其原理示意圖如圖１．２所示。煤樣夾持器的上下兩端分別添加了兩??個罐體，分別稱為上游容器（Ｕｐｓｔｒｅａｍ）和下游容器（Ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）。??實驗時為上游容器充氣，然后打開上游容器與煤樣夾持器，以及煤樣夾持??器與下游容器之間的閥門，然后實時記錄上游容器與下游容器的氣壓變化，待??上游容器與下游容器的氣壓差下降至設(shè)定值時即可停止實驗。??煤樣??壓力傳感器?＼?壓力傳感器??上游罐?下游罐??出氣端１Ｐ??＼夾持器??圖１．２瞬態(tài)法滲透率實驗原理示意圖??Ｆｉｇ．?１．２．?Ｔｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｒａｎｓｉｅｎｔ?ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ??目前，對瞬態(tài)法測定煤層透氣性的相關(guān)實驗，主要是由外國學者進行的，??并未見國內(nèi)學者用該方法測定煤層滲透率，以及相關(guān)文章的發(fā)表。由于瞬態(tài)法??滲透率試驗需要測量上游容器和下游容器壓力，瞬態(tài)方法因此受限。目前，瞬??態(tài)實驗只能用于單組分氣體，對于混合氣和水氣兩相流的瞬態(tài)實驗結(jié)果還未見??有發(fā)表。??Ｐｉｎｉ等［１４］應用瞬態(tài)法研宄了恒定圍壓邊界條件下煤的吸附膨脹對滲透率的??影響規(guī)律。實驗中先用氦氣測定了滲透系數(shù)與有效應力的關(guān)系

山東科技大學碩士學位論文?緒論??透率演化的影響。??（２）限定整體變形條件下煤局部變形及滲透率演化過程??開展煤在恒定體積條件下注入氦氣實驗，釆集注氣過程中煤應變－時間、壓??力－時間曲線，通過瞬態(tài)法計算得到煤滲透率隨時間變化曲線，并利用火柴棍模??型和恒定體積的滲透率模型擬合煤滲透率曲線，研宄基質(zhì)－裂隙相互作用對煤局??部變形的影響規(guī)律以及Ｂｉｏｔ系數(shù)對煤滲透率演化的影響。??１．４．２技術(shù)路線??煤孔隙結(jié)構(gòu)變化??

Ｓ?１５０；?Ｉ?，??泛１。。－雙＿＿??５ｌ＿ｌ．＿Ｌ．．Ｔ，?，?，Ｔ．??１?２?３?４?５?６?７?８?９?１０?１１?１２??徑向孔（ｐｍ）??圖３．２微元體孔隙尺寸分布??Ｆｉｇ．３．２．?Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐｏｒｅ?ｓｉｚｅ?ｉｎ?ｔｈｅ?ＲＥＶ??３．１．２實驗裝置??通過使用液驅(qū)裝置進行氦氣注入實驗，示意圖如圖３．３所示。該設(shè)備的功??２７??
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本文編號：2857337