【摘要】：煤層氣作為一種清潔的能源越來越受到各產(chǎn)煤國的重視。煤層氣開采過程是流體(氣體和水)在煤中吸附/解吸、擴散和層流的復雜流動過程。因此研究氣體在煤中的流動規(guī)律不僅有助于認識氣體在煤中的流動過程,對煤層氣開采也具有積極的指導意義。通過分析煤滲透率室內(nèi)實驗、煤滲透率模型和煤中氣體流動數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀,本文認為目前針對煤滲透率模型的研究仍存在不足。以此為切入點,通過引入煤的各向異性和煤基質(zhì)內(nèi)膨脹應變系數(shù),本文對煤滲透率模型進行了改進,對單組分氣體在煤中流動的控制方程進行了修正,應用有限差分法建立了控制方程的三維有限差分數(shù)值模型,在該數(shù)值模型的基礎(chǔ)上開發(fā)了用于研究單組分氣體在煤中流動規(guī)律的數(shù)值模擬程序,應用該程序?qū)γ簼B透率室內(nèi)實驗和煤層氣干氣開采過程進行了數(shù)值模擬。本文以面孔隙率為出發(fā)點,通過引入煤的各向異性和煤基質(zhì)內(nèi)膨脹應變系數(shù),推導了有效應力變化和氣體吸附過程中煤滲透率的演化模型。該模型獨立于任何邊界條件,可根據(jù)具體的邊界條件化簡成相應的表達式,因此與針對特定邊界條件推導的滲透率模型相比,該模型具有更廣泛的適用范圍。根據(jù)煤層氣開采和煤滲透率室內(nèi)實驗的實際邊界條件對模型進行了展開,得到了單軸應變、恒定圍壓、恒定有效應力和恒定孔隙壓力四種邊界條件下的各向異性和各向同性模型表達式,應用其它已發(fā)表文獻中的煤滲透率室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)對恒定圍壓、恒定有效應力和恒定孔隙壓力三種邊界條件下的各向同性模型表達式進行了驗證。驗證結(jié)果表明,在恒定圍壓邊界條件下,假設(shè)內(nèi)膨脹應變系數(shù)為常數(shù),模型計算值與滲透率實驗數(shù)據(jù)的吻合度很高,但在恒定有效應力和恒定孔隙壓力邊界條件下,假設(shè)內(nèi)膨脹應變系數(shù)為常數(shù)使模型計算值與滲透率實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)顯著偏差。在前述建立的煤滲透率模型的基礎(chǔ)上,提出了應用滲透率實驗數(shù)據(jù)反演內(nèi)膨脹應變和內(nèi)膨脹應變系數(shù)的方法,得到了恒定圍壓、恒定孔隙壓力和恒定有效應力三種邊界條件下兩者的變化規(guī)律。在恒定圍壓邊界條件下,內(nèi)膨脹應變和內(nèi)膨脹應變系數(shù)隨孔隙壓力的上升而增大,且內(nèi)膨脹應變與孔隙壓力的關(guān)系依然符合Langmuir方程。在恒定孔隙壓力邊界條件下,CH4和氣態(tài)CO2的內(nèi)膨脹應變和內(nèi)膨脹應變均隨圍壓的上升而減小,超臨界態(tài)CO2的內(nèi)膨脹應變和內(nèi)膨脹應變系數(shù)幾乎不受圍壓影響。在恒定有效應力邊界條件下,隨著孔隙壓力的上升,內(nèi)膨脹應變不斷增大,內(nèi)膨脹應變系數(shù)先下降再上升。本文和其它文獻資料的結(jié)果表明,內(nèi)膨脹應變的影響因素有孔隙壓力、圍壓、氣體類型、煤的結(jié)構(gòu)以及煤的有機顯微組分,這些因素中,需要特別注意的是圍壓。圍壓的上升會引起內(nèi)膨脹應變的下降,進而使?jié)B透率上升,這部分增加的滲透率會抵消由圍壓上升造成的滲透率下降。因此那些未考慮圍壓對內(nèi)膨脹應變影響的滲透率模型的計算值將小于實驗測得的滲透率。此外,分析不同邊界條件下內(nèi)膨脹應變系數(shù)的變化范圍發(fā)現(xiàn)當應力大于5mpa時,內(nèi)膨脹應變系數(shù)的變化范圍較小,因此煤層氣開采過程中該系數(shù)可假設(shè)為常數(shù)。以建立的各向異性煤滲透率演化模型為切入點,對單組分氣體在煤中流動的控制方程進行了修正,得到引入各向異性特性的煤中氣體流動控制方程,應用有限差分法建立了控制方程的三維非均勻網(wǎng)格有限差分數(shù)值模型,并對差分格式的相容性、穩(wěn)定性和收斂性進行了分析。結(jié)果表明,差分方程與原偏微分方程相容,差分格式穩(wěn)定和收斂的條件一致,即當體孔隙率不小于內(nèi)膨脹體積應變時,差分格式穩(wěn)定且收斂。根據(jù)建立的單組分氣體在煤中流動的有限差分數(shù)值模型,應用c++語言開發(fā)了用于研究單組分氣體在煤中流動規(guī)律的數(shù)值模擬程序“sgfc”,該程序可用于模擬單組分氣體的穩(wěn)態(tài)法滲透率實驗、瞬態(tài)法滲透率實驗和煤層氣干氣開采過程。sgfc模擬結(jié)果與瞬態(tài)法滲透率實驗數(shù)據(jù)的擬合度較高,說明sgfc可以模擬真實滲透率實驗中單組分氣體在小尺度煤樣中的流動過程。sgfc隱式算法與商用煤層氣開采模擬程序模擬結(jié)果的擬合度也較好,間接說明sgfc也可以模擬真實煤層氣開采中單組分氣體在大尺度煤層中的流動過程。因此,本文應用sgfc模擬得到的結(jié)果與結(jié)論可靠。應用sgfc對恒定圍壓邊界條件下穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法滲透率實驗的模擬結(jié)果表明,模型中心滲透率可視為煤樣的“真實”滲透率。兩種實驗方法的滲透率模型計算值與模型中心滲透率隨孔隙壓力的變化曲線完全重合。在低孔隙壓力階段,兩種方法的滲透率“實驗”值與模型中心滲透率的偏差較大。隨著孔隙壓力的繼續(xù)升高,兩者的偏差逐漸減小。但是在高孔隙壓力階段,穩(wěn)態(tài)法的滲透率“實驗”值與模型中心滲透率基本重合,瞬態(tài)法的滲透率“實驗”值與模型中心滲透率的偏差始終存在。在同一孔隙壓力下,穩(wěn)態(tài)法滲透率“實驗”值比瞬態(tài)法滲透率“實驗”值更接近模型中心的滲透率,這說明在本文設(shè)置的條件下,應用sgfc模擬穩(wěn)態(tài)法實驗得到的結(jié)果比模擬瞬態(tài)法實驗的結(jié)果更準確。應用sgfc對恒定圍壓邊界條件下穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法滲透率實驗對實驗條件的敏感性進行了模擬,分析了各條件對兩種方法的影響規(guī)律與影響機理。分析結(jié)果表明,煤樣內(nèi)部的吸附過程能否達到平衡是兩種實驗成敗的關(guān)鍵,而使吸附過程達到平衡的關(guān)鍵是實驗時間。所以充足的實驗時間對兩種實驗均至關(guān)重要。進氣流量與出氣流量之差是反映穩(wěn)態(tài)法滲透率實驗結(jié)果準確性的重要指標,兩者之差越小說明實驗結(jié)果越準確。上游罐與下游罐氣壓差的變化率是反映瞬態(tài)法滲透率實驗結(jié)果準確性的重要指標,該變化率越接近零說明實驗結(jié)果越準確。通過總結(jié)穩(wěn)態(tài)法與瞬態(tài)法實驗以及敏感性分析的模擬結(jié)果,對兩種實驗方法提出了一些改進建議。對兩種實驗方法均適用的建議有:在條件允許的情況下應盡可能保證充足的實驗時間;在實驗時間相同的前提下,高孔隙壓力實驗結(jié)果比低孔隙壓力實驗結(jié)果的準確性高,小加壓步長實驗結(jié)果比大加壓步長實驗結(jié)果的準確性高,短煤樣實驗結(jié)果比長煤樣實驗結(jié)果的準確性高。對于穩(wěn)態(tài)法滲透率實驗,還需注意:在實驗時間相同的前提下,使用較大的進氣端與出氣端氣壓差能夠提高實驗結(jié)果的精度;在實驗時間充足的情況下,應使煤樣盡可能達到吸附平衡,并應用式(1.1)計算滲透率;實驗過程中進氣流量和出氣流量應同時記錄。對于瞬態(tài)法滲透率實驗,還需注意:在實驗時間相同的前提下,減小上游罐容積或增大下游罐容積可以提高實驗結(jié)果的準確性。應用sgfc對垂直井煤層氣干氣開采過程的模擬結(jié)果表明,在開采過程中,孔隙壓力、ch4含量和開采流量不斷衰減,滲透率則出現(xiàn)明顯上升。同一位置孔隙壓力和ch4含量的衰減幅度并不同步,孔隙壓力的降幅大于ch4含量的降幅。在開采初期,開采流量的衰減速度較快,衰減至初始流量的50%只用了259d,不到1000d流量就衰減至500m3/d以下,此時整個開采區(qū)域有近80%的煤層中還有近45%的ch4未被開采。所以單純降壓開采的效率較低,需要引入水力壓裂和注氣驅(qū)替等增強開采技術(shù)方法提高煤層氣開采效率。由于本文通過引入各向異性和內(nèi)膨脹應變系數(shù)對煤滲透率模型進行了改進,所以應用sgfc對垂直井煤層氣干氣開采對滲透率各向異性和內(nèi)膨脹應變系數(shù)的敏感性進行了模擬與分析。分析結(jié)果表明,滲透率各向異性和內(nèi)膨脹應變系數(shù)對垂直井煤層氣干氣開采不僅有顯著影響,且影響程度也有顯著且復雜的變化。滲透率各向異性對孔隙壓力、滲透率和ch4含量的影響程度存在一個“波峰”,對開采流量的影響則存在一個“波谷”。內(nèi)膨脹應變系數(shù)對孔隙壓力、滲透率和ch4含量的影響隨開采的進行不斷增強,對開采流量的影響呈非單調(diào)變化。本文只模擬了滲透率各向異性對垂直井煤層氣開采的影響,沒有模擬水平井煤層氣開采過程中滲透率各向異性的影響。由于垂直層理面方向的滲透率通常較小,所以層理面垂直方向與水平方向之間的滲透率各向異性將更加顯著。由此可以推斷,對于滲透率各向異性更加顯著的水平井煤層氣開采,對滲透率各向異性的考慮不當將對數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生嚴重的負面影響。此外,增大內(nèi)膨脹應變系數(shù)對煤層氣開采有正面作用,減小煤層應力和割裂煤體可以增大內(nèi)膨脹應變系數(shù)。雖然獲得了一些有意義的結(jié)論與認識,但是本文仍存在問題與不足,例如:未開展煤滲透率室內(nèi)實驗研究,sgfc無法模擬煤層氣開采過程中的水氣兩相流動過程,未深入對比非耦合模擬與耦合模擬的結(jié)果,以及未開展水平井煤層氣開采的數(shù)值模擬工作等。這些問題與不足正是作者未來要攻克的學術(shù)難題,在條件允許的前提下,作者希望能夠在這幾個方面繼續(xù)開展更深入地研究。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE312;TE37

【共引文獻】

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本文編號：2765638