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煤层气非均匀介质中扩散渗流耦合数值研究

杜肖  
【摘要】:基于扫描电镜、压汞、低温液氮吸附及扩散性等实验测试成果,分析了不同深度煤样孔径结构及孔隙大小。通过对实验数据的拟合得出扩散系数,分析影响煤层气扩散的因素,依据气体分子平均自由程与扩散孔径尺度的关系确定不同的扩散模式。研究发现微孔不利于气体运移,因此煤中微孔含量与扩散系数呈负相关;过渡孔是气体扩散的主要空间,过渡孔发育的好坏直接影响气体的扩散能力,因此过渡孔含量与气体的扩散系数呈正相关;中大孔内几乎是气体渗流的区域,中大孔含量与扩散系数之间的离散性大。当压力较小达到枯竭压力时中孔内出现Fick型扩散,因此扩散系数与中大孔含量之间无明显相关性,最终从实际应用和数值研究的角度将煤层气扩散模式近似为Fick性扩散。对羊泉矿气煤煤样的渗透性试验获得了渗透率在不同温度和压力影响下的演化规律,在不同温度条件下,煤岩渗透率总体上与有效应力呈负指数关系。若地应力恒定,则储层流体压力越高,越有利于煤层渗透性发育。气煤渗透率与有效应力之间具有明显的负对数相关关系,相关系数都在0.8以上,显示气煤煤样非均质性相对较弱。依据渗流实验的结论引入孔隙度动态演化模型,其中通过煤基质颗粒的吸附膨胀和渗流系统和扩散系统的质量交换实现渗流与扩散的耦合,结合前人研究成果建立非均匀介质中煤层气运移多场耦合数学模型,并将实验获取的参数用于煤层气扩散渗流耦合数值模拟。 文中将所建立的模型输入COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟计算,数值模拟的结论与实验相比较,结果相互吻合,因此本次数值计算的结果是可靠的。数值计算的结果定量化地揭示了增大煤层气储层的渗透率以及降低储层压力梯度是保证安全生产以及煤层气稳定产出的有效途径。


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