煤層氣儲(chǔ)層孔裂隙多尺度滲透率預(yù)測(cè)和流固耦合模型.pdf

1、我國(guó)煤層氣資源儲(chǔ)量豐富、分布區(qū)域相對(duì)集中，其開(kāi)發(fā)利用對(duì)解決能源供應(yīng)不足，降低煤礦開(kāi)采安全事故，減少溫室氣體排放，緩解生態(tài)環(huán)境惡化具有重要意義，因此合理規(guī)劃煤層氣井布局，提高煤層氣的產(chǎn)能，成為目前煤層氣開(kāi)發(fā)中急需解決的問(wèn)題。本文通過(guò)煤樣的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、CT掃描實(shí)驗(yàn)及滲透特性實(shí)驗(yàn)，得到了煤樣力學(xué)性能參數(shù)、孔裂隙結(jié)構(gòu)特征和滲透率的變化規(guī)律，進(jìn)而通過(guò)理論分析分別建立了煤層氣生產(chǎn)過(guò)程中的氣-固兩相耦合模型和氣-液-固三相耦合模型，并通過(guò)數(shù)值模擬分

2、析了不同因素對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響規(guī)律，為煤層氣開(kāi)采的深入研究具有一定的參考價(jià)值。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴開(kāi)展了裂隙煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征實(shí)驗(yàn)。通過(guò)煤樣的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)得試樣的彈性模量和泊松比并得到含裂隙煤樣。進(jìn)行裂隙煤樣的CT掃描實(shí)驗(yàn)，得到了裂隙煤樣斷層掃描圖像。裂隙與高密度雜質(zhì)的分布不均勻，主干裂隙與分支裂隙共同構(gòu)成了試樣內(nèi)的三維裂隙網(wǎng)絡(luò)，且試樣斷層的孔隙率在6~8.5％之間。⑵開(kāi)展了裂隙煤樣的滲透率反演模擬。首先通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的M

3、ATLAB程序?qū)鄬訄D像還原為試樣形式，并記錄試樣孔裂隙結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)；然后將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入COMSOL Multiphysics軟件中，反演計(jì)算出煤樣的滲透率。試樣的宏觀滲透率是試樣中微元體的綜合體現(xiàn)。試樣的孔隙率越大，則相應(yīng)的滲透率越大。試樣中最大滲透率到104mD，最小滲透率為10mD。同時(shí)，孔隙的分布情況也影響著整體滲透率的大小。在滲流過(guò)程中，基質(zhì)與孔裂隙間存在大量且頻繁的介質(zhì)交換。⑶設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)試樣的滲透率測(cè)試系統(tǒng)，并開(kāi)展了裂隙煤

4、樣的滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)。各試樣的滲透率分布在100mD~1000mD之間，這與反演得到的試樣整體滲透率十分接近，在同一量級(jí)。由于試樣內(nèi)裂隙與節(jié)理分布情況的不同，導(dǎo)致了各試樣的實(shí)驗(yàn)滲透率與計(jì)算結(jié)果略有不同。試樣的滲透率隨著圍壓的增大而逐漸降低；隨著孔隙壓力的增大而逐漸增加。相較于圍壓對(duì)滲透率的影響，孔隙壓力對(duì)滲透率的影響較小。測(cè)試結(jié)果顯示滲透率對(duì)圍壓的響應(yīng)變化率是孔隙壓力的1.3~1.4倍。⑷建立了氣-固耦合的煤層氣流動(dòng)模型。在考慮孔隙體積模

5、量以及壓縮系數(shù)變化的基礎(chǔ)上，建立了孔隙率-有效應(yīng)力和滲透率-有效應(yīng)力動(dòng)態(tài)模型；進(jìn)而分析了在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，孔隙壓力引起的有效應(yīng)力變化和基質(zhì)收縮引起的解吸應(yīng)變對(duì)滲透率的影響，并成功預(yù)測(cè)了單軸應(yīng)力狀態(tài)下煤層滲透率的變化規(guī)律。同時(shí)將本文提出的滲透率模型與已有模型進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明將文中模型應(yīng)用于模擬煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程是可行和準(zhǔn)確的。⑸討論了不同控制因素對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣效率的影響。利用 COMSOLMultiphysics數(shù)值計(jì)算了氣-固耦合

6、模型，得到了孔隙壓力、滲透率在時(shí)間上和空間上的變化規(guī)律，并分析了固體變形、吸附變形、彈性模量、泊松比、滲透率、孔隙率、含氣量、儲(chǔ)層壓力、井口壓力等一系列參數(shù)變化對(duì)煤層氣產(chǎn)氣率、累計(jì)產(chǎn)氣量和滲透率的影響規(guī)律。⑹建立了氣-液-固三相煤層氣流動(dòng)耦合模型。首先通過(guò)Tezaghi一維固結(jié)問(wèn)題，驗(yàn)證了COMSOL Multiphysics在求解流固耦合問(wèn)題上的合理性和準(zhǔn)確性。其次，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示兩者匹配度較好，同時(shí)模