瓦斯?jié)B流的LB模擬方法及其在瓦斯抽采中的應(yīng)用.pdf

1、流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流是許多領(lǐng)域都涉及到的一類復(fù)雜流動(dòng)，在油氣藏開發(fā)、化工過程、環(huán)境保護(hù)、新能源開發(fā)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。多孔介質(zhì)中流體滲流的研究，通?？梢苑譃榭紫冻叨壬系臐B流研究和表征體元尺度上的滲流研究。
　　在孔隙尺度上，滲流的研究對(duì)象是單個(gè)或若干個(gè)孔隙內(nèi)的流體，通過研究流體在這些孔隙內(nèi)的輸運(yùn)過程獲得流動(dòng)的詳細(xì)信息。本文采用格子Boltzmann方法，利用Matlab語言開發(fā)程序，模擬了流體（氣體）在壓力差作用下，在多孔介質(zhì)孔

2、隙通道中的滲流，獲得了孔隙通道內(nèi)流體的詳細(xì)壓力分布圖、流線圖、速度矢量圖、總能分布圖;待流動(dòng)穩(wěn)定后對(duì)比流場(chǎng)出入口兩側(cè)流體的質(zhì)量流量，驗(yàn)證了質(zhì)量守恒;利用小壓力梯度下的模擬結(jié)果計(jì)算出了多孔介質(zhì)的滲透率，并將多組不同壓力梯度下的模擬結(jié)果與宏觀滲流定律——達(dá)西定律計(jì)算出來的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明格子Boltzmarm方法模擬所得的結(jié)果與根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算出的結(jié)果定量相等，誤差極小，成功地驗(yàn)證了達(dá)西定律;通過對(duì)質(zhì)量守恒以及達(dá)西定律的成功驗(yàn)證，表明

3、所開發(fā)程序的模擬結(jié)果是定量準(zhǔn)確的;同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著壓力梯度的不斷增大，格子Boltzmann方法的模擬結(jié)果與達(dá)西定律計(jì)算出的結(jié)果開始出現(xiàn)偏離，表明只有當(dāng)壓力梯度較小，孔隙內(nèi)流體處于層流狀態(tài)時(shí)，達(dá)西定律才適用，當(dāng)壓力梯度過大時(shí)，孔隙通道內(nèi)的流體進(jìn)入紊流狀態(tài)，達(dá)西定律便不再適用。
　　表征體元(Representative elementary volume，REV)尺度是比孔隙尺度大得多的一種尺度。所謂REV，是指多孔介質(zhì)的一個(gè)控制體積

4、，它包含充分多的微孔，尺寸遠(yuǎn)大于單個(gè)孔的尺寸，但又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于宏觀流動(dòng)區(qū)域的尺度，所以相對(duì)滲流域，REV可以看作是一個(gè)點(diǎn)，多孔介質(zhì)可以看做連續(xù)介質(zhì)。在表征體元尺度上，本文以煤層氣抽采作為所要研究的問題。考慮到煤層氣抽采過程中會(huì)出現(xiàn)吸附瓦斯解吸這一特殊問題，然而現(xiàn)有的格子Boltzmann表征體元尺度滲流模型僅僅只能用于一般的滲流模擬，并不能直接用來解決包含瓦斯吸附解吸的煤層氣滲流問題，因此，本文基于一定的假設(shè)，根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒以及朗格

5、繆爾吸附方程對(duì)現(xiàn)有的格子Boltzmann表征體元尺度滲流模型做出改進(jìn)，使其能用于解決包含吸附解吸的煤層氣滲流問題;另外，考慮到煤層氣抽采會(huì)導(dǎo)致煤體滲透率隨時(shí)間、空間發(fā)生變化，本文總結(jié)前人的研究成果，綜合考慮了有效應(yīng)力、煤基質(zhì)收縮、氣體滑脫效應(yīng)對(duì)煤體滲透率的影響，提出了煤層氣抽采過程中滲透率變化的數(shù)學(xué)模型，每當(dāng)程序運(yùn)行一個(gè)時(shí)間步就依據(jù)此數(shù)學(xué)模型以及新的瓦斯壓力調(diào)整滲透率的值，從而實(shí)現(xiàn)煤與煤層氣的流固耦合;在此基礎(chǔ)上，利用Matlab語言