煤層氣儲層孔裂隙多尺度滲透率預(yù)測和流固耦合模型.pdf

1、我國煤層氣資源儲量豐富、分布區(qū)域相對集中，其開發(fā)利用對解決能源供應(yīng)不足，降低煤礦開采安全事故，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，成為目前煤層氣開發(fā)中急需解決的問題。本文通過煤樣的單軸壓縮實驗、CT掃描實驗及滲透特性實驗，得到了煤樣力學性能參數(shù)、孔裂隙結(jié)構(gòu)特征和滲透率的變化規(guī)律，進而通過理論分析分別建立了煤層氣生產(chǎn)過程中的氣-固兩相耦合模型和氣-液-固三相耦合模型，并通過數(shù)值模擬分

2、析了不同因素對煤層氣產(chǎn)能的影響規(guī)律，為煤層氣開采的深入研究具有一定的參考價值。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴開展了裂隙煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征實驗。通過煤樣的單軸壓縮實驗測得試樣的彈性模量和泊松比并得到含裂隙煤樣。進行裂隙煤樣的CT掃描實驗，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開展了裂隙煤樣的滲透率反演模擬。首先通過自主開發(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)導入COMSOL Multiphysics軟件中，反演計算出煤樣的滲透率。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，孔隙的分布情況也影響著整體滲透率的大小。在滲流過程中，基質(zhì)與孔裂隙間存在大量且頻繁的介質(zhì)交換。⑶設(shè)計了標準試樣的滲透率測試系統(tǒng)，并開展了裂隙煤

4、樣的滲透率測定實驗。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。由于試樣內(nèi)裂隙與節(jié)理分布情況的不同，導致了各試樣的實驗滲透率與計算結(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。相較于圍壓對滲透率的影響，孔隙壓力對滲透率的影響較小。測試結(jié)果顯示滲透率對圍壓的響應(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)力動態(tài)模型；進而分析了在煤層氣開采過程中，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)變對滲透率的影響，并成功預(yù)測了單軸應(yīng)力狀態(tài)下煤層滲透率的變化規(guī)律。同時將本文提出的滲透率模型與已有模型進行對比分析，結(jié)果表明將文中模型應(yīng)用于模擬煤層氣井生產(chǎn)過程是可行和準確的。⑸討論了不同控制因素對煤層氣井產(chǎn)氣效率的影響。利用 COMSOLMultiphysics數(shù)值計算了氣-固耦合

6、模型，得到了孔隙壓力、滲透率在時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、儲層壓力、井口壓力等一系列參數(shù)變化對煤層氣產(chǎn)氣率、累計產(chǎn)氣量和滲透率的影響規(guī)律。⑹建立了氣-液-固三相煤層氣流動耦合模型。首先通過Tezaghi一維固結(jié)問題，驗證了COMSOL Multiphysics在求解流固耦合問題上的合理性和準確性。其次，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果顯示兩者匹配度較好，同時模