煤渗透率改进模型及煤中气体流动三维数值模拟研究

发布时间：2020-07-22 09:36

【摘要】：煤层气作为一种清洁的能源越来越受到各产煤国的重视。煤层气开采过程是流体(气体和水)在煤中吸附/解吸、扩散和层流的复杂流动过程。因此研究气体在煤中的流动规律不仅有助于认识气体在煤中的流动过程,对煤层气开采也具有积极的指导意义。通过分析煤渗透率室内实验、煤渗透率模型和煤中气体流动数值模拟的研究现状,本文认为目前针对煤渗透率模型的研究仍存在不足。以此为切入点,通过引入煤的各向异性和煤基质内膨胀应变系数,本文对煤渗透率模型进行了改进,对单组分气体在煤中流动的控制方程进行了修正,应用有限差分法建立了控制方程的三维有限差分数值模型,在该数值模型的基础上开发了用于研究单组分气体在煤中流动规律的数值模拟程序,应用该程序对煤渗透率室内实验和煤层气干气开采过程进行了数值模拟。本文以面孔隙率为出发点,通过引入煤的各向异性和煤基质内膨胀应变系数,推导了有效应力变化和气体吸附过程中煤渗透率的演化模型。该模型独立于任何边界条件,可根据具体的边界条件化简成相应的表达式,因此与针对特定边界条件推导的渗透率模型相比,该模型具有更广泛的适用范围。根据煤层气开采和煤渗透率室内实验的实际边界条件对模型进行了展开,得到了单轴应变、恒定围压、恒定有效应力和恒定孔隙压力四种边界条件下的各向异性和各向同性模型表达式,应用其它已发表文献中的煤渗透率室内实验数据对恒定围压、恒定有效应力和恒定孔隙压力三种边界条件下的各向同性模型表达式进行了验证。验证结果表明,在恒定围压边界条件下,假设内膨胀应变系数为常数,模型计算值与渗透率实验数据的吻合度很高,但在恒定有效应力和恒定孔隙压力边界条件下,假设内膨胀应变系数为常数使模型计算值与渗透率实验数据出现显著偏差。在前述建立的煤渗透率模型的基础上,提出了应用渗透率实验数据反演内膨胀应变和内膨胀应变系数的方法,得到了恒定围压、恒定孔隙压力和恒定有效应力三种边界条件下两者的变化规律。在恒定围压边界条件下,内膨胀应变和内膨胀应变系数随孔隙压力的上升而增大,且内膨胀应变与孔隙压力的关系依然符合Langmuir方程。在恒定孔隙压力边界条件下,CH4和气态CO2的内膨胀应变和内膨胀应变均随围压的上升而减小,超临界态CO2的内膨胀应变和内膨胀应变系数几乎不受围压影响。在恒定有效应力边界条件下,随着孔隙压力的上升,内膨胀应变不断增大,内膨胀应变系数先下降再上升。本文和其它文献资料的结果表明,内膨胀应变的影响因素有孔隙压力、围压、气体类型、煤的结构以及煤的有机显微组分,这些因素中,需要特别注意的是围压。围压的上升会引起内膨胀应变的下降,进而使渗透率上升,这部分增加的渗透率会抵消由围压上升造成的渗透率下降。因此那些未考虑围压对内膨胀应变影响的渗透率模型的计算值将小于实验测得的渗透率。此外,分析不同边界条件下内膨胀应变系数的变化范围发现当应力大于5mpa时,内膨胀应变系数的变化范围较小,因此煤层气开采过程中该系数可假设为常数。以建立的各向异性煤渗透率演化模型为切入点,对单组分气体在煤中流动的控制方程进行了修正,得到引入各向异性特性的煤中气体流动控制方程,应用有限差分法建立了控制方程的三维非均匀网格有限差分数值模型,并对差分格式的相容性、稳定性和收敛性进行了分析。结果表明,差分方程与原偏微分方程相容,差分格式稳定和收敛的条件一致,即当体孔隙率不小于内膨胀体积应变时,差分格式稳定且收敛。根据建立的单组分气体在煤中流动的有限差分数值模型,应用c++语言开发了用于研究单组分气体在煤中流动规律的数值模拟程序“sgfc”,该程序可用于模拟单组分气体的稳态法渗透率实验、瞬态法渗透率实验和煤层气干气开采过程。sgfc模拟结果与瞬态法渗透率实验数据的拟合度较高,说明sgfc可以模拟真实渗透率实验中单组分气体在小尺度煤样中的流动过程。sgfc隐式算法与商用煤层气开采模拟程序模拟结果的拟合度也较好,间接说明sgfc也可以模拟真实煤层气开采中单组分气体在大尺度煤层中的流动过程。因此,本文应用sgfc模拟得到的结果与结论可靠。应用sgfc对恒定围压边界条件下稳态法和瞬态法渗透率实验的模拟结果表明,模型中心渗透率可视为煤样的“真实”渗透率。两种实验方法的渗透率模型计算值与模型中心渗透率随孔隙压力的变化曲线完全重合。在低孔隙压力阶段,两种方法的渗透率“实验”值与模型中心渗透率的偏差较大。随着孔隙压力的继续升高,两者的偏差逐渐减小。但是在高孔隙压力阶段,稳态法的渗透率“实验”值与模型中心渗透率基本重合,瞬态法的渗透率“实验”值与模型中心渗透率的偏差始终存在。在同一孔隙压力下,稳态法渗透率“实验”值比瞬态法渗透率“实验”值更接近模型中心的渗透率,这说明在本文设置的条件下,应用sgfc模拟稳态法实验得到的结果比模拟瞬态法实验的结果更准确。应用sgfc对恒定围压边界条件下稳态法和瞬态法渗透率实验对实验条件的敏感性进行了模拟,分析了各条件对两种方法的影响规律与影响机理。分析结果表明,煤样内部的吸附过程能否达到平衡是两种实验成败的关键,而使吸附过程达到平衡的关键是实验时间。所以充足的实验时间对两种实验均至关重要。进气流量与出气流量之差是反映稳态法渗透率实验结果准确性的重要指标,两者之差越小说明实验结果越准确。上游罐与下游罐气压差的变化率是反映瞬态法渗透率实验结果准确性的重要指标,该变化率越接近零说明实验结果越准确。通过总结稳态法与瞬态法实验以及敏感性分析的模拟结果,对两种实验方法提出了一些改进建议。对两种实验方法均适用的建议有:在条件允许的情况下应尽可能保证充足的实验时间;在实验时间相同的前提下,高孔隙压力实验结果比低孔隙压力实验结果的准确性高,小加压步长实验结果比大加压步长实验结果的准确性高,短煤样实验结果比长煤样实验结果的准确性高。对于稳态法渗透率实验,还需注意:在实验时间相同的前提下,使用较大的进气端与出气端气压差能够提高实验结果的精度;在实验时间充足的情况下,应使煤样尽可能达到吸附平衡,并应用式(1.1)计算渗透率;实验过程中进气流量和出气流量应同时记录。对于瞬态法渗透率实验,还需注意:在实验时间相同的前提下,减小上游罐容积或增大下游罐容积可以提高实验结果的准确性。应用sgfc对垂直井煤层气干气开采过程的模拟结果表明,在开采过程中,孔隙压力、ch4含量和开采流量不断衰减,渗透率则出现明显上升。同一位置孔隙压力和ch4含量的衰减幅度并不同步,孔隙压力的降幅大于ch4含量的降幅。在开采初期,开采流量的衰减速度较快,衰减至初始流量的50%只用了259d,不到1000d流量就衰减至500m3/d以下,此时整个开采区域有近80%的煤层中还有近45%的ch4未被开采。所以单纯降压开采的效率较低,需要引入水力压裂和注气驱替等增强开采技术方法提高煤层气开采效率。由于本文通过引入各向异性和内膨胀应变系数对煤渗透率模型进行了改进,所以应用sgfc对垂直井煤层气干气开采对渗透率各向异性和内膨胀应变系数的敏感性进行了模拟与分析。分析结果表明,渗透率各向异性和内膨胀应变系数对垂直井煤层气干气开采不仅有显著影响,且影响程度也有显著且复杂的变化。渗透率各向异性对孔隙压力、渗透率和ch4含量的影响程度存在一个“波峰”,对开采流量的影响则存在一个“波谷”。内膨胀应变系数对孔隙压力、渗透率和ch4含量的影响随开采的进行不断增强,对开采流量的影响呈非单调变化。本文只模拟了渗透率各向异性对垂直井煤层气开采的影响,没有模拟水平井煤层气开采过程中渗透率各向异性的影响。由于垂直层理面方向的渗透率通常较小,所以层理面垂直方向与水平方向之间的渗透率各向异性将更加显著。由此可以推断,对于渗透率各向异性更加显著的水平井煤层气开采,对渗透率各向异性的考虑不当将对数值模拟结果产生严重的负面影响。此外,增大内膨胀应变系数对煤层气开采有正面作用,减小煤层应力和割裂煤体可以增大内膨胀应变系数。虽然获得了一些有意义的结论与认识,但是本文仍存在问题与不足,例如:未开展煤渗透率室内实验研究,sgfc无法模拟煤层气开采过程中的水气两相流动过程,未深入对比非耦合模拟与耦合模拟的结果,以及未开展水平井煤层气开采的数值模拟工作等。这些问题与不足正是作者未来要攻克的学术难题,在条件允许的前提下,作者希望能够在这几个方面继续开展更深入地研究。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE312;TE37

【共引文献】