基于两能态吸附热理论的煤层瓦斯流动热-流-固多场耦合模型

为了研究煤层瓦斯流动过程中温度与渗流场和应力场的耦合作用变化规律,引入煤层瓦斯两能态吸附热理论,重新构建煤层温度场控制方程,推导了温度场控制方程中解吸微分热能项的理论求解方法,改进了煤层瓦斯流动的热-流-固多场耦合数学模型;从理论上阐述了煤层瓦斯流动过程中吸附解吸、应力场、温度场、渗流场相互影响的作用机制;利用该模型研究了煤层瓦斯抽采过程中煤层瓦斯流动时的煤层温度、瓦斯压力、煤层渗透率的变化规律;结合已有试验研究结果,对比验证了模型的精确性和合理性;研究结果表明,在煤层瓦斯抽采过程中,煤层温度下降的快、慢受煤层原始瓦斯含量和压力及煤层渗透率的共同影响,煤层渗透率越大,温度下降越快,煤层瓦斯压力和含量越大,温度下降越快;同时,煤层渗透率随抽采时间的增长而增加,越靠近钻孔壁面煤层渗透率增加幅度越大。     

煤层气渗流理论及其研究进展

综述了煤层气渗流研究的现状及取得的研究进展,包括线性渗透、线性扩散、扩散—渗透以及非线性渗流等基本理论,基于各种地球物理场效应影响的渗流理论及其修正模型,以及多煤层瓦斯越流相关的研究;并介绍了新兴的数值计算方法(格子Boltzmann方法与分子动力学方法)在煤层瓦斯渗流模拟中的应用;展望了其发展趋势及尚需深入研究的问题。     

急倾斜上保护层开采瓦斯越流固-气耦合模型及保护范围

开采保护层是防治煤与瓦斯突出最有效的措施之一,其关键是保护范围的合理确定。针对急倾斜多煤层上保护层开采有效保护范围的划定问题,基于煤层瓦斯越流理论,根据煤岩层变形与瓦斯渗流的固-气耦合作用,建立了瓦斯渗流场方程和煤岩体变形场方程,得到了急倾斜上保护层开采瓦斯越流固-气耦合数学模型。以南桐矿区某矿上保护层开采为实例,通过多物理场耦合系统,建立了该矿上保护层开采瓦斯越流几何模型并进行数值计算,获得了上保护层工作面开采后被保护层瓦斯压力的分布规律,确定了上保护层开采的卸压保护范围。数值计算与现场考察试验结果具有一致性,由此验证了数值计算的合理性。研究结果可以对现场保护范围的划定及卸压瓦斯抽放等提供理论指导,具有实际工程意义。     

掘进工作面瓦斯流动规律数值模拟分析

研究煤层巷道掘进过程瓦斯流动规律对认识掘进巷道瓦斯涌出规律和瓦斯治理具有重要的理论意义和现实意义。本文通过建立流固耦合模型,考虑煤与瓦斯流固耦合作用,进行了不同掘进长度,掘进工作面瓦斯压力分布规律,瓦斯压力梯度改变以及瓦斯流动规律的数值模拟研究。研究表明,掘进巷道周边煤层瓦斯压力随煤壁暴露时间的增长逐渐降低,采掘活动对工作面前方煤体的影响范围达30m。并且越靠近煤壁瓦斯压力梯度越大,在距离巷帮5m范围内,瓦斯压力变化幅度最大。煤壁瓦斯流速随巷道掘进长度的增加先增加后减小,最后瓦斯流速趋于稳定。掘进工作面瓦斯流动规律的研究为矿井瓦斯治理提供安全可靠的依据,保证矿井安全生产。     

应力作用下煤层气非稳定耦合渗流模型及数值模拟

基于多孔介质渗流力学和流固耦合理论,建立了应力作用下煤储层中煤层气流固耦合数学模型,并根据数学模型的非线性特性,采用多重物理量耦合软件COMSOL Multiphysic进行数值模拟分析,通过模拟结果研究了煤岩体中压力和浓度的分布特性,并且研究了耦合与非耦合情况下压力动态曲线,为模拟煤层气产量预测和预防矿井瓦斯突出提供了理论依据。     

考虑Klinbenberg效应的煤中应力-渗流耦合数学模型

已有研究表明,瓦斯在煤层中渗流存在明显的Klinbenberg效应,建立考虑Klinbenberg效应的煤中瓦斯渗流应力耦合模型是煤层瓦斯抽放数值模拟的关键。通过试验研究了煤中的气渗透率与瓦斯压和围压的关系,试验数据的拟合分析表明,赵阳升公式能很好地模拟瓦斯渗流的Klinkenberg效应及围压对煤的渗透率的影响。将赵阳升公式引入到建立的煤层瓦斯渗流应力弹塑性耦合模型中,建立了考虑Klinkenberg效应的煤层渗流-应力弹塑性耦合数学模型,在数值计算程序Coupling Analysis中予以实现,并利用已有解析解对程序的可靠性进行了验证。按考虑和不考虑“Klinbenberg“效应两种工况进行了数值计算。结果表明,按前者计算的瓦斯压降要大于后者。这与理论研究的结论一致,表明所建立的考虑Klinbenberg效应的模型具有理论和工程价值。     

低渗煤层注CO2增抽瓦斯数值模拟与应用

针对低渗透性煤层瓦斯抽采难度大、抽采效率低等问题,基于CO₂-CH₄多组分气体竞争吸附作用,开展了注CO₂提高煤层瓦斯抽采率数值模拟与试验研究。首先,建立了考虑气-水两相流与Klinkenberg效应的煤层注CO₂促抽瓦斯流-固耦合模型,利用COMSOL软件进行了煤层注CO₂后煤层瓦斯压力、瓦斯含量和瓦斯抽采率等参数变化规律,并应用于工程试验。结果表明:构建的气-水两相流瓦斯抽采流-固耦合数学模型可靠、合理;注入CO₂抽采煤层气瓦斯压力、瓦斯含量均比未注入CO₂抽采下降速率快;现场试验后,注气抽采条件下瓦斯抽采浓度平均值是未注气条件下的2.02倍,瓦斯抽采纯量是后者的3倍。煤层注入CO₂气体后,瓦斯抽采量增加,显著促进了煤层瓦斯抽采。      

远程卸压瓦斯抽放数值模拟

利用新近开发的含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用的F-RFPA2D数值模拟工具,模拟了潘一矿在下煤层开采过程中上覆岩层的移动、垮落的全过程,以及由于下煤层开采所诱发的上煤层(主采煤层)透气性演化过程,并对采动影响下煤层瓦斯抽放时瓦斯的流动运移规律进行了初步的数值模拟研究。模拟结果同现场工程实际比较吻合,表明利用F-RFPA来研究煤矿开采所诱发的煤层透气性演化和瓦斯运移等工程实际问题是可行的。      

含瓦斯煤样横向变形与瓦斯流动特性耦合关系试验研究

以二次成型煤样为研究对象,运用自行研制开发的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对含瓦斯煤样三轴加载过程中横向变形和与瓦斯流动特性的耦合关系进行了试验研究。结果表明：弹性力学定义的泊松比不能准确表征含瓦斯煤样的横纵应变特性,其关系可用二次函数表征;在预加载荷引起的横压向应变恢复阶段瓦斯流动速度变化呈先急剧降低再缓慢增加特性;在横向应变逐渐向扩张应化转变阶段,煤样内部的瓦斯流动速度呈单调缓慢增加趋势,且存在一个内部结构临界状态点使煤样内瓦斯流动速度最小;含瓦斯煤样处于横向压应变状态起始时的瓦斯流动速度要大于处于横向应变呈扩张状态末端时的瓦斯流动速度。     

突出煤和非突出煤全应力-应变瓦斯渗流试验研究

以突出煤和非突出煤的型煤为研究对象,设计两种型煤全应力-应变瓦斯渗流试验方案,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验系统,对比研究了两种型煤全应力-应变瓦斯渗流规律。结果表明,在应力-应变全过程中突出煤和非突出煤的煤样变形和瓦斯流量变化规律基本一致,即两种型煤在应力-应变全过程中瓦斯流量与煤样损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量随着煤样的体积压缩而变小,且在煤样体积被压缩至最小时瓦斯流量降为最低值,煤样开始扩容后瓦斯流量转为增大;瓦斯流量随围压的增大而减小,且围压越大,瓦斯流量随应变变化的幅度越小。煤性对煤层瓦斯渗透性有明显影响,其渗透性可作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标     

煤层气运移产出气水固三相耦合模型

根据达西渗流理论 ,结合Langmuir等温吸附定律和Fick第一定律描述了煤层气由煤基质解吸经扩散进入煤层裂隙系统 ,由裂隙运移至生产井筒产出的气水二相渗流过程 ,又将其和由渗流作用引起的煤体变形场耦合起来 ,形成了煤层气运移产出的气水固三相耦合模型 ,并采用全隐式联立求解方法同时隐式求出了气、水产量和饱和度值 ,实现了模型求解的无条件稳定。在沁水盆地 3 # 煤层气井开采潜能的评价预测中 ,应用该方法分别预测了将该井的动液面置于 3 # 煤底和 15 # 煤底的气、水产量 ,效果良好。     

煤层气产出过程中气—水两相流与煤岩变形耦合数学模型研究

气－水二相流和煤岩变形耦合作用是煤层气产出过程中一种复杂的物理现象，为准确描述这一现象，本文建立了气－水二相流和煤岩变形的微分方程，并用有限元分别将它们进行离散化，然后讨论了煤岩变形模型和气－水二相流模型进行耦合数值求解的方法。     

注热联合井群开采煤层气运移采出规律数值模拟

为总结注热联合井群开采低渗透储层煤层气运移采出规律,基于传热学、弹性力学、渗流力学、岩石力学理论,建立了注蒸汽开采低渗透储层煤层气藏过程的热固流耦合数学模型。结合潞安矿区山西组3#煤层地质参数,利用有限元软件进行了注热联合井群开采煤层气藏运移规律的数值模拟,得到了不同布井方式下注热10 d、开采100 d过程中煤层温度场、应力场及煤层气渗流场变化规律。结果显示,煤层平均传热速度为1.57 m/d,注热10 d后,中心井35 m范围内为有效注热区;随井筒数量的增加和井间距的减小,井间干扰作用增强,煤储层压力下降加快,煤层气供气及解吸区域增加,累积产量显著增加。七井模型20 m井间距注热开采累积产气量是五井模型30 m井间距未注热开采累积产气量的2.01倍。模拟结果显示了注热和井间干扰开采优势,为低渗透储层煤层气井群注热联合工业开采提供理论依据。     

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987112000308

The Panguan Syncline contains abundant coal resources,which may be a potential source of coalbed methane.In order to evaluate the coalbed methane production potential in this area,we investigated the pore-fracture system of coalbed methane reservoirs,and analyzed the gas sorption and seepage capacities by using various analytical methods,including scanning electron microscopy（SEM）,optical microscopy,mercury-injection test,low-temperature N₂ isotherm adsorption/desorption analyses,lowfield nuclear magnetic resonance and methane isothermal adsorption measurements.The results show that the samples of the coal reservoirs in the Panguan Syncline have moderate gas sorption capacity.However, the coals in the study area have favorable seepage capacities,and are conductive for the coalbed methane production.The physical properties of the coalbed methane reservoirs in the Panguan Syncline are generally controlled by coal metamorphism:the low rank coal usually has low methane sorption capacity and its pore and microfractures are poorly developed;while the medium rank coal has better methane sorption capacity,and its seepage pores and microfractures are well developed,which are sufficient for the coalbed methane’s gathering and exploration.Therefore,the medium rank coals in the Panguan Syncline are the most prospective targets for the coalbed methane exploration and production.     

声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型

从煤层气单相流动的吸附平衡质量守恒、声场作用下的热平衡及应力平衡等方面入手,建立了声场作用下煤层气流动的应力-温度-渗流压力场流固动态耦合数学模型。利用数值模拟,分析了声场促进煤层中甲烷解吸-扩散-渗流的机制。分析得出,声场作用可明显地提高煤-气系统的温度,提高煤层的孔隙度,增大煤层气流动的渗透率,降低煤层骨架的应力;超声在煤层中衰减形成热效应和超声振动,超声振动影响范围与超声衰减距离一致,超声热效应向煤层纵深传播,转化为煤-气层系统的热能,提高系统的温度。     

“十三五”期间我国煤层气勘探开发进展及下一步勘探方向

基于我国煤层气勘探开发项目、煤层气田生产现状以及科研技术成果的调研资料,分析了煤层气田稳产、提产综合治理技术措施,深层煤层气取得勘探突破的地质条件和潜力,支撑上述两方面进展的煤层气水平井技术以及相配套的井网优化、排采技术。结果认为,我国煤层气田稳产、低产井提产综合治理最有效的技术措施有四类,包括增加新层、调整开发方案扩大产量规模、水平井嵌入加密井网、老井增产改造技术。提出了“煤层气水平井+技术体系”概念,即水平井钻完井+套管分段压裂+无杆泵排采技术组合体系,强调在井网优化部署、钻完井、压裂工艺和排采技术设备等各个环节的相互匹配。界定了深层煤层气涵义,深层煤储层一般存在游离气,临界深度受地层温度梯度和压力影响。指出深层煤层气、低阶煤煤层气是下一步煤层气勘探重点领域和方向。      

华北盆-山演化和岩石圈转型与煤层气富集的关系

以华北陆块盆-山构造与岩石圈岩浆热结构演化研究为基础,以区内不同富集机制的含煤区域为研究对象,对华北典型地区盆-山演化、岩石圈转型及其与煤层气富集的关系进行了深入探讨。研究表明,华北典型地区盆-山动力学过程从中生代开始经历了挤压盆-山阶段、挤压盆-山向伸展盆-山转换阶段以及伸展盆-山阶段;华北岩石圈结构演化则经历了岩石圈增厚与稳定过程、岩石圈转型过程、岩石圈快速减薄过程等,且自古生代以来至少经历了两次以上具有时空不均一性的岩石圈转型。沁水盆地和两淮煤田的构造—热动力学环境有利于煤层气富集,且在挤压与伸展作用的转换和叠加过程中形成的构造过渡带是煤层气富集的有利构造单元。沁水盆地煤层气富集特征是岩浆—热作用有利于煤层气储集,而一定的构造变形有利于煤层气的渗流和开采;两淮煤田的强构造作用和后期叠加的张性应力场有利于煤层气的富集和储层的增渗,可在构造煤发育区寻找煤层气开发的有利区域。     

NUMERICAL MODELLING OF METHANE GAS MIGRATION IN DRY COAL SEAMS

This paper presents the development of a mathematical model for methane gas migration in coal seams. The major focus of this model is the coupling between the gas flow and deformation of solid coal. The effect of diffusion of adsorbed methane gas from the solid matrix to the voids has been taken into account. The adsorption of gas in the coal seam causes a two-phase state of gas flow. The governing equation for the two-phase gas flow is a non-linear partial differential equation with non-linear boundary conditions. A finite element model has been developed for simulation of the distribution of pressure and concentration of methane gas due to gas migration in coal seams.