微波加热开采煤层气解吸渗流过程数值模拟研究

摘要

我国拥有丰富的煤层气资源，煤层气的开采不仅可以减轻国内能源缺乏的状况，同时可以预防瓦斯灾害和减少环境污染。但我国煤层气“高储低渗”的特点致使无法形成大规模工业化开采。
　　普遍认为，温度是改善煤层气渗透性能的一个关键因素。应用煤层气地质学、渗流力学和数学物理方法等理论，针对低渗透煤层的特点，根据煤层气的解吸、渗流变化规律及双重介质的三场耦合作用机理，建立了微波加热条件下煤层气热-流-固耦合渗流的数学模型，详细推导了该数学模型的全隐式数值求解方法，并根据模型和工程实际数据进行了模拟分析。给出了开发微波加热开采煤层气藏储层数值模拟思路。
　　利用传热学、热力学、弹性力学、渗流力学和岩石力学理论建立了微波加热时煤层气热-流-固耦合扩散渗流数学模型，给出了弱解积分方程，利用COMSOL Multiphysics软件进行了煤层气微波加热单井开采的数值模拟。模拟结果表明，在微波加热开采条件下，煤层气渗流压力较未微波加热开采降低更为明显，渗流产量提高。模拟结果与实验相吻合，由此证明了数学模型的正确性及微波加热开采煤层气是合理的。
　　本文研究为低渗透煤层微波加热开采煤层气研究提供了可靠的理论研究和技术支持，同时对环境保护、煤矿安全生产也具有实用价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究内容及方法

2 煤层气赋存运移基本原理及微波加热基本原理

2．1 煤层气的储层特征

2．1．1 煤储层的孔隙结构

2．1．2 煤储层的渗透性

2．2 煤层气的储集机理

2．2．1 吸附气储集机理

2．2．2 游离气储集机理

2．2．3 溶解气储集机理

2．3 煤层气运移机理

2．3．1 煤层气的解吸机理

2．3．2 煤层气的扩散机理

2．3．3 煤层气的渗流机理

2．4 微波加热原理

2．4．1 微波能转化过程

2．4．2 内热源升温模型

2．5 本章小结

3 微波加热过程煤层气解吸渗流规律的数学模型

3．1 微波加热开采煤层气温度场数学模型

3．2 煤岩耦合变形场数学模型

3．3 煤层气非等温扩散渗流场数学模型的建立

3．3．1 微孔隙中气体的输运

3．3．2 裂缝中气体的输运

3．4 煤岩温度场、煤层气渗流场和煤岩变形场之间耦合条件

3．4．1 煤岩骨架变形对煤层气渗流影响的关系式

3．4．2 煤层气渗流对煤岩体变形影响的关系式

3．4．3 温度场，应力场对煤层气渗流的影响关系式

3．4．4 耦合模型定解条件

3．4．5 耦合模型简化数学模型

3．5 有限元解法

3．6 本章小结

4 微波加热条件下煤层气解吸渗流规律的数值模拟

4．1 微波加热煤体渗流规律的数值模拟

4．1．1 微波加热煤体温度场分布规律

4．1．2 微波加热煤体应力场分布规律

4．1．3 温度作用下煤体压力场、渗透率规律

4．2 单井煤层气解吸渗流过程的数值模拟

4．2．1 数值模拟原始参数

4．2．2 单井有限元模型

4．2．3 单井开采储层温度场变化规律

4．2．4 单井开采储层渗流压力场变化规律

4．2．5 单井开采储层渗流速度场

4．2．6 单井煤层气预计解吸量

4．3 多井开采井间干扰对煤层气渗流规律的影响

4．3．1 井间干扰条件下温度场分布

4．3．2 井间干扰条件下渗流压力场分布

4．3．2 井间干扰下煤层气渗流流速场

4．4 程序设计与实现

4．4．1 程序的编写思路

4．4．2 程序运行过程显示

4．5 本章小结

5 结论

参考文献

作者简历

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