多场耦合作用下的煤层气运移机理研究

摘要

煤层气是一种自生自储的非常规天然气，主要以吸附状态储存于煤层。高效开发煤层气能提高我国能源供应安全等级，调整我国的能源消费结构，解决煤矿开采中的安全隐患，推动我国经济和社会的持续健康发展等方面具有十分重要的意义。
　　不同于常规气藏，煤岩储层孔隙结构复杂，尺度多样，气体主要以吸附的形式储存于煤层。煤层气的开采过程中存在多种运移机制，如解吸、扩散、渗流等，采用常规的达西渗流定律已经不能描述煤层气的运移机理。虽然国内煤层气开发经过二十多年的发展，在储层特征、钻完井及储层增产技术等方面已经取得了不少成果，但是煤层气开采的理论研究却明显滞后于现场开发实践，因此需要从基础理论上深化认识我国煤层气的吸附、解吸、渗流、扩散等规律。
　　本文通过调研国内外煤层气的开发技术，通过室内实验对煤岩储层孔隙结构特征、吸附解吸规律和岩石力学性质等煤岩储层工程地质特征进行了研究，结合不同尺度煤岩吸附压降实验，验证了煤岩三重介质的孔隙特征，建立了相应的煤层气流动数学方程。在实际的煤层气开采过程中，储层孔隙压力降低将促使气体解吸，同时也会改变了煤层骨架有效应力，使煤体骨架的发生变形，导致煤体孔隙度、渗透率等物性参数的变化，影响煤层气的实际流动过程。因此，利用经典的三孔双渗模型还不足以描述实际的煤层气运移过程，必须充分考虑渗流场、应力场的动态耦合过程。本文根据理论分析与数值模拟相结合的方法，考虑了地应力的对煤层气解吸、煤层渗透率和孔隙度的相互影响，建立了煤层气运移的流固耦合数值模型。
　　在实际生产过程中，煤层中地层水的存在会对煤层气的解吸渗流产生一定的影响。此外，施工过程中入井液与煤岩接触后会对煤层气的运移状态产生较大的影响。因此，通过实验测试了液体对煤岩渗透率和解吸的影响，得到了气水两相有效渗透率、液体对渗透率和解吸量的伤害程度等关键参数，明确了液体对煤岩储层气体运移过程的影响。在实验研究和理论模型的基础上，建立了液体作用下的煤层气流固耦合模型。
　　通过本文的研究，所取得的主要成果如下:
　　1)晋城地区煤岩的孔隙度和渗透率较低，煤岩微孔的峰值孔半径主要分布在2-6nm之间。在煤岩饱含水的状态下，孔隙中的水很难完全排出，影响煤层气的解吸扩散渗流。煤岩的泊松比较高、弹性模量较低，应力敏感较强。
　　(2)通过自主研制的煤岩解吸附装置，测试不同尺度干煤样以及液体作用下煤样中甲烷的解吸规律。通过干煤样实验发现煤岩粒径越小，吸附速率越快;不同尺度煤岩吸附12h后，单位质量甲烷吸附15.8mL/g～34.2mL/g;吸附的前10min吸附量约占总吸附量的40％～60％。与干煤样解吸相比，液体作用下煤层气在压力从0.6 MPa降落到0.1MPa时解吸量最大，排液有助于煤层气的解吸。通过研究得出不同液体对煤层渗透率的伤害程度，以及液体对煤层气解吸量和解吸过程的影响。通过晋城地区煤样耦合应力和地层水作用下煤层气运移规律实验发现，有效应力作用将会降低煤层气的解吸能力和速率，降低的程度要高于注地层水的影响;应力作用下注地层水后，煤样的解吸量和解吸速率分别为无应力作用下干煤样的25.3％和27.8％，解释了煤层气实际产量较低的原因。
　　(3)在煤层气吸附解吸实验数据的基础上，根据煤岩的孔隙结构特征，研究了煤层变形、气体渗流、气体吸附规律之间的内在关系，在常规的渗流方程基础上，在考虑地应力对煤层气解吸渗流的影响和煤层气解吸对煤基质收缩的影响基础上，建立了解吸-扩散-渗流效应的煤层气多场流固耦合数学模型。根据煤岩裂缝开度变化实验，推导了应力作用下的动态孔渗模型，对煤层气的开采进行了模拟研究。借助于有限元数值模拟分析了煤层气解吸运移过程中的煤层孔隙压力分布、压力梯度下降速度、渗透率变化及煤层气解吸速度等参数的变化情况。研究表明:在煤层气的开采过程中，地层压力降低，地应力使煤层中的孔隙和割理产生了一定的闭合，这样造成孔隙度降低，减小了气体在孔隙和割理中的渗透率。但随着开采时间的增加，由于气体解吸，煤基质收缩和滑脱效应，近井地带的渗透率反而有一定程度的上升。随着开采的进行，煤层的压力梯度不断的下降，但下降速度逐渐变慢，近井端的气体能大量解吸，远端的气体无法大量动用，模拟结果与实际煤层气生产规律相吻合。
　　(4)地层水和压裂液进入煤岩的微裂缝和割理后会，会产生明显的水相圈闭现象，堵塞气体解吸和渗流的通道。压裂液中的表活剂会改变煤岩的润湿性，导致压裂液和地层水的返排困难;同时也会吸附在煤岩表面，降低煤层气的解吸扩散渗流能力。在煤层气运移流固耦合数学模型的基础上，根据液体对煤层气解吸扩散渗流的实验研究，建立了液体作用下的煤层气运移流固耦合数学模型，通过有限元数值模拟分析液体对煤层气压力传播和产量的影响。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究的背景和意义

1．2 煤层气开采现状

1．2．1 煤层气资源与分布

1．2．2 国内外煤层气产业发展现状

1．3 国内外研究现状

1．3．1 煤层气吸附解吸机理

1．3．2 煤层气渗流机理研究现状

1．3．3 煤层气流固耦合研究现状

1．3．4 液体对煤层气运移影响的研究现状

1．4 研究内容及技术路线图

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法和技术路线

1．5 论文创新点

第2章 煤层气的开采机理

2．1 煤岩储层的基本特征

2．1．1 孔隙特征

2．1．2 煤岩割理

2．1．3 煤层气的赋存机理

2．2 煤层气的吸附解吸特征

2．2．1 煤层气的吸附特性

2．2．2 煤层气的解吸特性

2．2．3 等温吸附方程

2．2．4 吸附等温曲线

2．3 煤层气的扩散机理

2．3．1 Fick定律

2．3．2 努森扩散

2．3．3 双孔扩散模型

2．4 煤层气的渗流机理

2．5 本章小结

第3章 煤层工程地质特征研究

3．1 煤层气地质

3．1．1 晋城煤层特征

3．1．2 煤层分布特征

3．1．3 流体分布及其性质

3．2 煤层物性

3．3 煤岩孔径分布特征

3．4 煤层的地层压力

3．5 煤层地应力

3．6 煤层岩石力学特征

3．5．1 煤层岩石力学特性

3．5．2 煤岩单轴岩石力学性质测试

3．5．3 煤岩有效应力系数实验

3．7 煤岩的润湿性

3．8 煤岩的应力敏感性

3．8．1 基质应力敏感性实验评价

3．8．2 人工造缝岩样应力敏感性实验评价

3．9 本章小结

第4章 煤层气运移的流固耦合模型

4．1 煤岩的吸附解吸实验

4．1．1 煤岩吸附解吸实验装置

4．1．2 吸附解吸附实验步骤

4．1．3 煤层气的吸附规律

4．1．4 煤层气的解吸规律

4．2 煤岩三重孔隙介质静态物理模型

4．3 动态孔隙度和渗透率模型研究

4．3．1 应力下煤岩裂缝宽度变化实验

4．3．2 煤岩割理张开实验

4．3．3 经典的煤岩动态孔渗模型

4．3．4 动态孔渗数学模型推导

4．4 煤层气运移的流固耦合控制方程

4．4．1 基本假设

4．4．2 煤体变形控制方程

4．4．3 煤层气的运动方程

4．4．4 煤层气滑脱现象

4．4．5 启动压力梯度影响

4．5 本章小结

第5章 煤层气流固耦合模型数值模拟

5．1 多场耦合数学模型的数值解法

5．1．1 有限元方法的基本原理

5．1．2 偏微分方程的弱形式

5．1．3 煤层气流固耦合数学模型求解

5．2 煤层气运移流固耦合模型数值模拟

5．2．1 三重介质微观模拟

5．2．2 二维平面流动模拟

5．2．3 二维径向流动模拟

5．2．4 三维径向流动模拟

5．3 地应力对煤层气运移的影响

5．3．1 气体压力分布

5．3．2 渗透率变化

5．3．3 煤层气产量

5．3．4 地应力差值的影响

5．4 宏观裂缝对煤层气运移的影响

5．4．1 裂缝角度的影响

5．4．2 裂缝开度的影响

5．4．3 裂缝密度的影响

5．4．4 复杂裂缝形态的影响

5．5 本章小结

第6章 液体作用下的煤层气运移机理研究

6．1 液体对煤层气渗透率的伤害

6．1．1 实验过程

6．1．2 实验结果与分析

6．2 液体作用下的煤层气解吸-扩散实验

6．2．1 实验样品

6．2．2 实验过程

6．2．3 实验结果及分析

6．3 水相圈闭伤害实验

6．4 气水两相渗透率实验

6．5 应力和地层水与煤岩耦合作用下煤层气运移规律

6．6 液体对煤层气运移的影响

6．6．1 液体对煤层气运移影响的机理分析

6．6．2 液体作用下的煤层气流固耦合模型

6．7 液体作用下的煤层气流固耦合数值模拟

6．7．1 外来液体对煤层气运移的影响

6．7．2 气水两相流固耦合模型

6．8 本章小结

结论与建议

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果