受载含瓦斯煤水气两相渗流规律与流固耦合模型研究

发布时间：2017-04-13 04:27

  本文关键词：受载含瓦斯煤水气两相渗流规律与流固耦合模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤层瓦斯既是威胁井下安全作业的重大危险因素,又是一种清洁的高热值能源。煤储层中水的存在使瓦斯的单相流动变为复杂的水气两相流,研究瓦斯和水的两相流对瓦斯抽采和煤层气开采具有重要意义。基于煤的孔隙裂隙双重特性,本文分析了煤体的结构特征、瓦斯和水的赋存状态及瓦斯扩散机理,为深入研究水气两相渗流理论奠定了基础。本文中实验所用煤样取自山西晋煤集团苇町煤矿,利用自主设计的实验系统进行等温吸附实验和水气两相渗流实验,得出以下主要结论:①饱和水煤样的甲烷吸附量明显降低,Langmuir体积明显下降,Langmuir压力有所增加,随着平衡压力的增加,水分对甲烷吸附量的损害趋于减小并最终稳定。②根据水气相渗曲线,在等渗点右侧,水的相对渗透率远大于甲烷,水的流动占据主导作用;在等渗点左侧,甲烷的相对渗透率大于水,甲烷的流动占据主导作用,并且这种变化呈现非线性关系。③在残余水状态下甲烷相对渗透率趋于稳定时,甲烷的相对渗透率只有0.14~0.34,煤样中的水分对甲烷渗透率造成了极大的损害。④残余水饱和度在43.25%~77.91%之间,水气两相共渗范围较窄,表现出低孔低渗的特征,显示出极强的亲水性。水气两相流动过程中,孔隙压力和饱和度的变化会导致孔隙度和相对渗透率的动态变化,基于煤体的Warren-Root模型,提出孔隙度动态模型和相对渗透率演化模型。煤体中液态水和瓦斯的流动都遵从广义达西定律,且吸附态瓦斯服从Langmuir平衡方程,游离态瓦斯服从气体状态方程,将上述方程代入连续性方程得到水相和气相的流动控制方程。根据多孔介质弹性理论,在太沙基有效应力原理的基础上,联立平衡方程、几何方程和本构方程,建立了考虑吸附作用的煤体变形场控制方程。渗流场方程和变形场方程相结合就是完整的受载含瓦斯煤水气两相流固耦合数学模型。利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对数学模型进行求解,得到了不同时刻孔隙压力、含水饱和度、孔隙度及相对渗透率的变化规律,研究结果显示:①原煤达到平衡状态所需要的时间远远大于型煤;②初期孔隙压力变化较大,后期趋于减小直至达到平衡状态;③通过对平衡状态下气相相对渗透率的分析,模拟结果和残余水状态下的实测气相渗透率具有较好的一致性。
【关键词】：受载含瓦斯煤 水气两相 渗流规律 流固耦合 数值模拟
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 研究背景及意义11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 煤层瓦斯流动理论研究现状11-14
• 1.2.2 流固耦合力学理论研究现状14-15
• 1.2.3 受载含瓦斯煤水气两相渗流特性研究现状15-17
• 1.2.4 存在的问题17
• 1.3 主要研究内容17-18
• 1.4 论文技术路线18-21
• 2 煤储层的结构特征及水气储运形态21-33
• 2.1 煤储层的结构特征21-23
• 2.2 瓦斯和水的赋存状态23-29
• 2.2.1 瓦斯的吸附解吸机理24-25
• 2.2.2 等温吸附理论25-28
• 2.2.3 煤吸附水的机理28
• 2.2.4 水分对瓦斯吸附特性的影响28-29
• 2.3 瓦斯在煤体中的扩散机理29-30
• 2.4 水气两相渗流机理30-31
• 2.5 本章小节31-33
• 3 受载含瓦斯煤水气两相渗流特性实验研究33-49
• 3.1 煤样制备及参数测定33-35
• 3.1.1 煤样的制备33-35
• 3.1.2 煤样参数测定35
• 3.2 饱和水煤样的三轴压缩实验35-37
• 3.2.1 实验目的及内容35-36
• 3.2.2 实验结果分析36-37
• 3.3 饱和水煤样的等温吸附实验37-41
• 3.3.1 实验目的及原理37
• 3.3.2 实验装置37-38
• 3.3.3 实验步骤38-39
• 3.3.4 数据处理及结果分析39-41
• 3.4 水气两相相对渗透率测定实验41-47
• 3.4.1 实验目的及原理41
• 3.4.2 实验装置41-43
• 3.4.3 实验步骤43
• 3.4.4 数据处理及结果分析43-47
• 3.5 本章小节47-49
• 4 受载含瓦斯煤水气两相流固耦合渗流模型的建立49-63
• 4.1 基本假设条件49-50
• 4.2 气液固耦合作用下的渗透率变化50-54
• 4.2.1 孔隙度动态模型50-51
• 4.2.2 相对渗透率模型51-54
• 4.3 变形场控制方程54-56
• 4.3.1 太沙基有效应力原理55
• 4.3.2 煤体变形场方程55-56
• 4.4 渗流场控制方程56-60
• 4.4.1 连续性方程56-57
• 4.4.2 气相流动控制方程57-59
• 4.4.3 水相流动控制方程59-60
• 4.5 模型的定解条件60-61
• 4.5.1 变形场的定解条件60
• 4.5.2 渗流场的定解条件60-61
• 4.6 本章小节61-63
• 5 受载含瓦斯煤水气两相渗流数值模拟研究63-73
• 5.1 COMSOL Multiphisics介绍63-64
• 5.2 COMSOL Multiphysics建模过程64-66
• 5.3 模型求解及结果分析66-71
• 5.3.1 原煤试样模拟结果分析66-68
• 5.3.2 型煤试样模拟结果分析68-71
• 5.3.3 实验结果验证71
• 5.4 本章小节71-73
• 6 结论与展望73-75
• 6.1 主要结论73-74
• 6.2 展望74-75
• 参考文献75-81
• 作者简历81-83
• 学位论文数据集83

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