试论煤储层气—水两相流系统

根据3种煤层气运移边界类型与7种煤层重力水运移边界类型的组合形式,将煤储层气—水两相流系统划分为3种基本类型,并结合具体实例探讨了不同类型与煤层气产出潜势之间的关系。研究表明,开放型系统中的煤层气和地下水具有运移显著且交替活跃特征,煤层气井产能必然相对较低;半开放型系统的边界条件较为复杂,导致煤储层含气性、煤层气产出潜势变化较大;封闭型系统具有地下水滞流及煤层气被封闭的基本特征,极有利于煤层气的富集高产。     

非饱和带水-气二相流数值模拟研究进展

通过对近年来水-气二相流数值模拟情况的分析,总结了在水-气二相流模拟过程中,各个主要参数或物理过程的数学概化方法,以及近年来求解水-气二相流方程和污染物运移方程的各种方法,论述了各种方法的优点和不足.并提出了需进一步研究解决的问题.     

降雨入渗引起非饱和土边坡破坏的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元分析

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等~([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑性本构模型,从而可以连续地描述在降雨入渗时土体由非饱和状态转化为饱和状态过程中力学特性的变化。同时用Green-Naghdi客观应力速率张量来考虑边坡失稳过程中的大变形问题。程序不仅可以模拟由于降雨入渗引起的水分迁移、孔隙水/气压力变化的过程,而且可以很好地反映出由于降雨入渗所引起的边坡变形、塑性剪切带形成等力学行为。选取室内边坡模型试验为研究对象,用所提出的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元程序来进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了所提出的有限元数值方法的有用性。     

CO_2注入下岩层变形和流体运移分析(I):两相流-岩层耦合模型

目前国内关于CO2咸水层封存尚处于先导性和试验性研究阶段,对超临界CO2注入过程中岩层力学响应和流体运移的理论与技术方面的认识还不完善。为研究CO2注入下岩层变形和流体运移,基于两相流动数学模型,给出了超临界CO2和咸水质量守恒方程;采用毛细压力和有效饱和度的关系式,将质量守恒方程变换成以毛细压力为变量的表达式,以便于考虑流体压力对岩层的影响。提出了无流体压力影响下的岩层力学本构模型,该模型能够同时考虑岩层的塑性变形和损伤。分析了两相流体-岩层相互作用机制:一方面,采用有效应力原理,考虑流体压力对岩层的力学影响;另一方面,通过岩层固有渗透率变化考虑岩层变形对流体运移的影响。     

层状非均质结构包气带入渗过程单相流与两相流数值模拟对比研究

包气带水分入渗过程受多种因素的影响。定量研究层状非均质岩性结构和入渗速率对其影响,有助于解决根据不同条件选择单相流模型或水气二相流模型模拟包气带水分入渗过程的问题。结合填埋场等场地地层条件及污废水入渗特征,分别建立了“上细下粗”和“上粗下细”包气带层状非均质岩性结构水分入渗单相流和水气二相流模型,探讨不同层状非均质岩性结构条件下模型的适用性。在“上粗下细”岩性结构模型基础上,进一步探究入渗速率对水气两相运移结果的影响。基于论文模型研究表明：（1）在包气带岩性结构为“上细下粗”的条件下,气相的影响基本可以忽略,可直接采用单相流模型对包气带水分运移进行模拟;在“上粗下细”岩性结构和本次模型设定的底部压力保持不变及污废水泄漏前场地未接受降水入渗补给等条件下,当包气带上下层介质渗透率比值大于16倍时,气相会对水相运移产生明显影响,且下层介质渗透率越小、上下层介质渗透率比值越大,单相流与两相流的运移结果差别越大,需要采用水气二相流模型模拟包气带水分运移。（2）在包气带“上粗下细”岩性结构条件下,入渗速率越大,气相对水流入渗的阻滞作用越明显,此时包气带水分运移模拟应采用水气二相流模型。     

循环脱吸湿与加卸载耦合作用下土体持水性能试验研究

土体所经历的干湿循环和应力历史,对其孔隙结构和持水性能影响明显。为进一步深入研究二者耦合作用的影响,开展了先竖向固结再循环脱吸湿以及先气压脱湿再反复竖向加卸载两种不同加载路径的水分变化测量试验,探索土样持水性能和变形能力的演化规律。研究结果表明:(1)脱湿与吸湿路径对比,土体的持水能力具有明显的差异性,且土体越密实,这种差异性越强烈;(2)随着脱吸湿循环次数的增加,土样的进气值略有增大,减湿段和吸湿段的斜率都会减小,但影响趋势随循环次数增多而减弱;(3)对于气压减湿后的非饱和土样,其前期固结压力随气压值增加而增大,而加卸载形成的滞回圈的面积却随之减小,土体的持水性能和变形能力也降低;(4)重塑土样从不同加载路径首次达到同一应力状态时,先固结再脱湿路径下土样的体积收缩更多,而先施加气压再加载路径下土样持水性能减弱的更多。     

陆地生态系统水—碳耦合循环与过程管理研究

陆地生态系统的水循环与碳循环是地球表层系统物质循环与能量交换的核心，也是最基本的耦合的两个生态学过程。区域或全球尺度生态系统的水管理与碳管理是全球变化科学与可持续发展研究的两大主题，是人类维持全球生态系统的物质与能量循环、自然资源循环再生的重要生态学途径。我们在综合评述现代应用生态学研究的发展趋势，陆地生态系统水和碳循环与生态系统管理关系的基础上，提出了陆地生态系统水循环与碳循环过程管理的内容与思路，阐述了生态系统水和碳耦合循环机制与模拟综合研究的新设想。     

煤层气资源特点与开发模式

为探索煤层气高效开发模式,促进煤层气资源的开发,在总结20多a理论研究成果和勘探开发实践经验的基础上,将煤层气厘定为赋存于煤层及其围岩中的与煤炭共伴生的天然气,并将煤层气资源的特点概括为吸附态、自生自储两点。依据煤层气资源的特点,提出了煤层气资源开发模式分类方案,其中顶级分类包括地面开发、井下抽采、采煤采气一体化等。     

煤层气地质学新进展

自20世纪80年代以来,我国的煤层气勘探取得了突破性进展。在沁水盆地南部获得了可观的煤层气地质储量;河东煤田的煤层气勘探也取得了重大进展。煤层气地质学研究取得了明显进展:a 煤储层岩石物理研究取得重要进展;b 提出了煤层气藏的概念并依据我国的煤层气地质条件识别出几种主要煤层气藏类型;c 深化了对煤层气藏封闭保存条件的认识,充分认识到煤层气耗散对煤层气封闭保存的重要影响。d 对高煤阶煤层气藏研究有了突破性进展,突破了无烟煤勘探煤层气的禁区,获得了可观的煤层气地质储量;e 强化了低煤阶煤层气藏的研究;f深化了对煤层气藏不均一性的认识,初步揭示了煤层气藏不均一性的产生原因及其分布规律。     

煤层瓦斯渗流特性研究进展

针对非线性瓦斯流动理论和煤层瓦斯流固耦合理论存在的问题,以及越来越多高温矿井引发的瓦斯灾害治理难题,在综述煤层瓦斯渗流研究进展的基础上,对国内外学者在非线性瓦斯流动理论、地温场效应的瓦斯流动理论以及煤层-瓦斯流固耦合理论3方面的研究成果给予了重点评述,展望了地球物理场作用下煤层瓦斯渗流特性研究领域的发展趋势。研究显示,在非线性瓦斯渗流、深部开采引起的高温和低渗透问题以及煤层瓦斯的流固耦合问题等方面,还需做更深层次的探索。     

煤层割理在煤层气开发中的试验研究

根据煤层割理渗透率的各向异性,采用垂直面割理和平行面割理两个方向布置钻孔抽放煤层气。测定研究表明:垂直面割理方向钻孔初始瓦斯抽放百米流量是平行面割理方向钻孔的1.2倍,衰减系数比平行面割理方向钻孔减少了53.7%。垂直面割理方向钻孔的抽放量在任何相应时期都大于平行面割理方向钻孔的抽放量。从而得出:垂直面割理方向钻孔抽放效果明显优于平行面割理方向钻孔,为探索提高煤层气抽放量找到了一条途径。     

煤层气地面开发的外部效应

煤层气是一种新能源和优质化工原料,地面开发可以节能减排,降低瓦斯灾害,具有极强的正外部性。但煤层气与煤炭共生在一起,开发一种会影响另一种。通过分析煤层气地面开发现状,探讨了它在地质勘探、矿井地质、矿井通风、综合开采、煤炭气化和环境保护等方面存在的负外部性。外部性影响和制约着煤层气产业的健康发展。正外部性可以通过国家补贴、税收和费用减免等措施来强化;负外部性则可以通过淘汰落后或不合理的产能技术,创新开发工艺,以及提高采收率等来减少,并通过明晰产权和联合开发,使部分负外部性转化为内部性,达到共赢之效果。     

微生物提高煤层气产量模拟实验研究

为解决微生物对煤层产气量的影响,通过对不同煤阶煤岩进行生物气模拟实验发现,在实验室条件下煤中微生物能利用自身物质进行生物产气。通过设置不同温度实验发现,在35℃条件下产气量要大于15℃时的产气量,说明35℃的温度更适合微生物利用煤样产气。在进行定量实验后发现,在添加外源营养物质或外源菌类的条件下能提高煤的产气量。在添加外源菌种的条件下,增产比例可达115%,而通过添加营养物质增产比例可达144%。     

煤层气田老井网立体开发方式探讨

为提高煤层气开发区块储量动用程度,当单井产量进入递减期后,需进行开发方案调整,通过调层或补层等措施实现增产稳产。在时间上,认为投产时应优先开发主力煤层,待进入递减期后,对次主力煤层进行补层合采;在空间上,结合开发动态,利用层次分析法,确定影响产量的主控指标及其权重,再对不同煤层求取各指标差值,归一化处理后精细确定井区的主力煤层分布特征;通过对地质储量与采出气量进行网格化处理,求取剩余储量分布特征,最终通过主力煤层分布与对应的剩余储量分布的叠加,确定最佳的开发顺序;并针对不同的开发顺序优化压裂和排采工艺。提出的煤层气老井网内立体开发方式,在樊庄区块郑村井区已取得好的应用效果,提高了煤层气采收率,实现了区块长期稳产,对多煤层发育的区块,该技术具有推广借鉴意义。移动阅读     

基于干扰试井的煤层气储层优势渗流方向研究

为获得晋城矿区某区块3号煤层的储层连通性及其优势渗流方向,为矿区煤层气规模开发方案制定与调整提供依据,利用干扰试井技术对该区块井网内的煤层气井进行井间干扰测试。选定一口井为激动井,其周围5口井为观测井,组成干扰试井测试井组,测试并分析煤层气储层的连通性及其优势渗流方向。结果表明：激动井W-160井与观测井W-156井、W-166井间的煤层气储层连通性,优于其与观测井W-161井、W-157井以及W-164井间的储层连通性,即该区块煤层气储层的优势渗流方向为NE-SW向。将测试成果与生产实际相比对,验证了其正确性。试验证明了干扰试井测试可有效识别煤层气储层的连通性及优势渗流方向。     

深度学习在煤层气测井解释中的应用研究

将常规储层测井解释方法应用于煤层气储层测井解释,其效果存在一定的折扣。为了改善传统方法在煤层气测井解释中出现的问题,将深度学习的思想引入测井解释,提出受限玻尔兹曼机的数量、受限玻尔兹曼机隐含层神经元数量、分类阈值的确定方法,利用深度信念网络进行煤层识别及煤层气含气量的预测。实验结果表明：首先,在交会图法效果不好的情况下,通过深度信念网络进行煤层识别,继而对识别结果进行适当校正,煤层识别成功率可达到90%以上;其次,经过多种方法的对比,利用深度信念网络进行煤层气含气量预测的效果,要好于BP神经网络、多元回归统计以及Langmuir方程三种方法。深度学习改进了传统的BP神经网络,具备更强的复杂函数泛化能力,适用于煤层气测井解释,并具有进一步的推广价值。     

煤层气吸附量动态变化模型研究

基于吸附势理论、气体状态方程,建立了煤储层压力与煤体吸附半径、孔隙半径与煤体吸附量、储层压力与煤体吸附量之间的关系模型,得出储层压力、吸附量、孔隙半径等多参数耦合的煤层气吸附量动态变化模型,利用潘庄区块煤体结构测试数据以及等温吸附试验结果对模型进行了验证。结果表明:潘庄区块以孔径小于7.7 nm的微孔为主,以孔径7.7 nm为临界点孔容呈先减小后增大趋势;模型计算的吸附量动态变化结果与煤体空气干燥基等温吸附变化结果在趋势上具有较高的一致性,模型的起始点为枯竭压力以及枯竭吸附量,得出潘庄区块枯竭吸附量为3 m³/t。模型不仅能够计算地层条件下不同温度和压力共同作用下煤体对甲烷气体的吸附量,且能够预测煤层气排采过程煤层气吸附量的动态变化,有助于确定煤层气排采工作制度以及提高煤层气采收率。