微割理及其网络拓扑空间下煤层气渗流特征研究

摘要

煤储层中存在大量的宏观裂隙、显微裂隙和孔隙，它们对煤层气的运移起着至关重要的控制作用。其中显微裂隙作为联系孔隙和宏观裂隙的桥梁，是煤层气在煤储层中的主要渗流场。
　　在自然界原始应力作用下，煤层气以承压状态赋存在煤储层中，是一个动态平衡过程，可以看作是静止的状态。井下采掘、气井排水降压等人为活动改变了原始压力平衡的条件，导致水和煤层气在煤储层中发生相应的物理化学过程。煤储层中气体穿过基质运移到割理/裂隙中的流动机制可以分为如下三个相互联系的过程：①随着煤层压力的降低，气体从煤基质孔隙的内表面上发生解吸；②煤基质和显微裂隙间的浓度差和压力差导致气体穿过基质和微孔扩散到显微裂隙中；③在压力差作用下，气体以达西流的方式在割理和裂隙中渗流。
　　从分形理论和空间拓扑关系出发，采用Weierstrass-Mandelbrot(W-M)随机函数构建自仿射粗糙裂隙/割理及网络数字模型。基于煤储层的数字模型，采用 Lattice Boltzmann Method(LBM)中D2Q9格子模型模拟流体的运移行为；并结合有限元数值分析方法验证模拟结果。
　　任意多孔介质中水文弯曲度的定量量测和计算是准确评估多孔介质渗透性能不可或缺的工作，但其含糊的定义和多孔介质形貌边界的高度复杂性导致水文弯曲的计算困难。本文从运动学角度出发，引入局部水文弯曲度的概念提出了一种新的计算方法。结合倾斜光滑管道、U型管道和余弦管道的数值模拟结果验证了该计算方法，在此基础上，以随机圆无覆盖填充的复杂网络模型再次验证了任意多孔介质水文弯曲度的计算模型。
　　依据裂隙表面粗糙效应对渗流的作用方式将其分为端面曲折率、水文弯曲度和局部稳定粗糙度因子。综合考虑各参数的物理含义及其对渗流的作用机制提出了粗糙几何裂隙模型三重效应的渗透率模型。研究中，采用多次迭代的方法获取原始裂隙的端面曲折率及其对应的残差面裂隙形貌，结合残差面端面几何参数和残差面裂隙LBM模拟结果计算局部粗糙度因子，估算粗糙裂隙的渗透率，对比实验结果综合验证三重效应渗透率模型。最后依据自仿射粗糙割理输运属性的尺度不变性和尺寸效应再次验证了裂隙渗流三区域现象的存在，确定了不同区域的尺度渗透率估算模型。
　　煤储层中面割理和端割理在连通性、发育程度和表面光滑性等方面有较大的差别，导致煤储层的渗透率表现出明显的各向异性。一般情况下，面割理相比与端割理具有发育程度好、表面更光滑、连通性好的特点，因此沿面割理方向的煤储层渗透率最大。之后从煤储层割理形貌和统计数据出发，结合端割理与面割理之间的拓扑关系，采用W-M随机函数构建煤岩割理网络模型。模拟不同压力方向上的渗流特征，研究煤储层渗透率的各向异性，为煤层气产能评估和井网布设工作提供部分参考。

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致谢

1绪论

1.1选题背景

1.2国内外研究现状

1.3研究内容、方法及创新点

2煤储层结构特征及渗流数值模拟技术

2.1煤储层结构特征

2.2渗流数值模拟技术

2.3小结

3任意多孔介质水文弯曲度测定方法

3.1水文弯曲度的定义和多孔介质基本渗流规律

3.2定量量测水文弯曲度的新方法

3.3数值模拟结果与讨论

3.4小结

4自仿射粗糙裂隙中流体输运属性的尺度不变性和尺寸效应

4.1粗糙裂隙及数值模拟方法

4.2粗糙裂隙三重效应渗透率模型分析验证

4.3结果和讨论

4.4小结

5煤储层中割理网络拓扑空间下煤层气渗流特征

5.1割理网络结构特征

5.2割理网络模型构建

5.3割理网络渗流模拟及分析验证

5.4小结

6结论与展望

6.1主要结论

6.2未来工作展望

参考文献

作者简历

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