煤岩渗透率对孔隙压力变化响应规律的试验研究

 利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同有效围压条件下分别充CH4与CO2气体时原煤的渗透率与孔隙压力之间关系的试验研究,以探讨在低孔隙压力的环境下,煤岩渗透率对孔隙压力变化响应的敏感性。研究结果表明：(1) 在低孔隙压力的环境下,煤岩渗透率随孔隙压力的增加呈幂函数递减趋势,其过程可分为渗透率加速变化阶段和稳定变化阶段;(2) 相同孔隙压力、有效围压条件下,充CH4气体的煤岩渗透率高于充CO2时的煤岩渗透率;(3) 采用渗透率变化率Dp以及孔隙压力敏感性系数Cp评价渗透率对孔隙压力的敏感性,得出孔隙压力小于1.0 MPa时,煤岩渗透率对孔隙压力的响应程度较为显著,并基于Cp推导出煤岩渗透率与孔隙压力的函数关系式。     

微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响机制

采用考虑正则化过程的微尺度格子Boltzmann模型研究微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响机制。首先采用漫反射滑移边界条件,并考虑正则化过程构建适用于高努森数下多孔介质中气体流动模拟的微尺度格子Boltzmann模型,基于该模型进行二维裂缝性致密多孔介质中的气体流动模拟,研究微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响,并构建二维并联孔隙模型模拟揭示微裂缝对致密多孔介质气体渗流的影响机制。结果表明:微裂缝的存在能够明显提高致密多孔介质的渗透率,且连通性裂缝的影响更明显;随着压力的升高,微裂缝提高致密介质气体渗透率的作用增强,随着压力减小,基岩与裂缝中的气体流速差别减小,基岩对多孔介质渗透率的贡献增加,当压力极大或极小时,裂缝与基岩中平均流速比趋于定值,微裂缝的影响趋于稳定;微裂缝能够提高致密多孔介质渗透率的主要原因是在压降方向上微裂缝与基岩形成了并联高渗通道。     

变饱和裂隙多孔介质的双渗透率数值模型与参数分析

针对裂隙多孔介质中的变饱和流动与运移,分析了双渗透率数值模型的参数构成与计算特征。双渗透率模型由分别代表裂隙等效连续介质和孔隙介质的两组并列体积单元集合构成,用平均裂隙宽度和平均裂隙间距表达裂隙等效连续介质的参数,用裂隙单元与孔隙单元之间的有效作用面积、有效作用距离和有效渗透系数描述裂隙-孔隙相对流动和运移。裂隙-孔隙相互作用参数取决于概念模型,并与流体动态相关。计算分析表明,裂隙单元与孔隙单元之间的毛细力梯度与重力的共同作用决定裂隙流动、孔隙流动和裂隙-孔隙相对流动的相对大小,流体和溶质的动态受到裂隙宽度变化的显著影响。     

采气–采煤阶段煤岩渗透率演化机制研究

为模拟煤矿现场先采气后采煤的作业过程,利用含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,开展孔隙压力减小的煤岩渗流试验和全应力–应变–渗流试验。通过推导温度升高时煤岩裂隙宽度变化的表达式,进一步构建考虑温度–应力的煤岩渗透率模型,探讨温度与应力作用下煤岩瓦斯渗流演化机制。新建的煤岩渗透率模型包括有效应力、吸附/解吸、热膨胀及热裂四部分影响因素,并使用损伤变量表征裂纹扩容过程中产生的基质膨胀效应(热裂),结果表明:(1)当外应力恒定时,不同温度下渗透率随孔隙压力减小先略有减小而后迅速增大;当孔隙压力恒定时,渗透率随温度增大整体呈先减小后增大的趋势。(2)在煤岩全应力-应变–渗流试验过程中,渗透率随轴向应力的增大呈先减小后增大的趋势;煤岩弹性模量及峰值强度与温度之间呈负相关关系。(3)新建渗透率模型的计算值和实测值基本一致,可较好表征渗透率随孔隙压力及有效应力的演化规律。(4)基于内膨胀应力的定义,探讨温度与应力作用过程中内膨胀变形对渗透率的贡献。在温度恒定时,渗透率随内膨胀因子的增大而减小;煤岩裂隙宽度与损伤相关,在温度突变系数增大过程中渗透率随之减小。     

基于显微红外光谱技术的岩石微观渗流特性研究EI北大核心CSCD

岩石的渗流特性决定了石油开采效率,对于储层的定量评价具有重要意义。为了解岩石中孔洞裂缝以及不同介质对其渗流性能的影响规律,利用显微红外光谱成像技术,对岩石样品进行光谱成像试验,根据样品的光谱图像和吸光度A值,将该岩石截面划分为孔隙裂缝区域、孔隙与岩石介质过渡区域、白云岩介质区域;据此建立能够精确表征真实岩石结构的有限元模型,对其微观渗流特性进行数值模拟研究。研究结果表明:(1)该岩石样品的特征吸收波段为2 500~2 700 cm^(-1),说明样品介质主要为白云岩;(2)同一平面的二维流动中流体的动力黏度越大,流体在孔道中的流动速度越小;(3)多孔白云岩介质的渗透率较小时,流体主要以沿裂隙孔道的自由流动为主,而介质中渗流运动较弱;随着介质渗透率的增大,多孔介质中的流体渗流运动逐渐明显;(4)孔喉尺寸较小的孔道,毛细管阻力较大,孔道中流体不发生流动;孔喉尺寸扩大后,优势水流路径数量增加,岩石截面中流体流动范围增大,流动速度变大。此研究结果可以为石油开采中储层改造方案的制定提供科学依据,从而有效提高石油开采效率。     

基于显微红外光谱技术的岩石微观渗流特性研究

岩石的渗流特性决定了石油开采效率,对于储层的定量评价具有重要意义。为了解岩石中孔洞裂缝以及不同介质对其渗流性能的影响规律,利用显微红外光谱成像技术,对岩石样品进行光谱成像试验,根据样品的光谱图像和吸光度A值,将该岩石截面划分为孔隙裂缝区域、孔隙与岩石介质过渡区域、白云岩介质区域;据此建立能够精确表征真实岩石结构的有限元模型,对其微观渗流特性进行数值模拟研究。研究结果表明:(1)该岩石样品的特征吸收波段为2 500~2 700 cm~(-1),说明样品介质主要为白云岩;(2)同一平面的二维流动中流体的动力黏度越大,流体在孔道中的流动速度越小;(3)多孔白云岩介质的渗透率较小时,流体主要以沿裂隙孔道的自由流动为主,而介质中渗流运动较弱;随着介质渗透率的增大,多孔介质中的流体渗流运动逐渐明显;(4)孔喉尺寸较小的孔道,毛细管阻力较大,孔道中流体不发生流动;孔喉尺寸扩大后,优势水流路径数量增加,岩石截面中流体流动范围增大,流动速度变大。此研究结果可以为石油开采中储层改造方案的制定提供科学依据,从而有效提高石油开采效率。     

地下各种压力之间关系式的修正

目前在钻井工程中普遍采用的地下各种压力之间的关系式是不严格的，研究把岩石视为多孔介质，从多孔介质的角度出发，重新建立上覆岩层压力，孔隙流体压力、基岩应力之间的关系式，该式包含了岩石作为多孔介质的一个重要参数孔隙度Φ。     

多孔介质渗流行为的数值模拟研究

采用分形布朗运动模型对多孔介质进行定量描述,建立了层流条件下多孔介质内部渗流的理论模型并进行了数值模拟,分析了流体在多孔介质内部的流动特性。研究结果表明,多孔介质内部的孔隙结构对其渗流特性有着重要的影响。分形多孔介质内部的速度分布呈现非均匀现象,流线不再是常规通道内的直线,流线出现了扭曲。另外,多孔介质内部流动的雷诺数Re对其渗透率的影响存在一转折点。当Re1时,分形多孔介质的无量纲渗透率几乎保持不变,但随着雷诺数Re的增大,渗透率逐渐降低。此外,随着孔隙率的增大,分形多孔介质的渗透率单调增大。     

煤岩结构多尺度各向异性特征的SEM图像分析

 多孔介质微、细观结构的非透明一直是阻碍深入认识深部条件下岩体损伤及煤与瓦斯突出机制的难题。为此,基于小波多分辨分析,提出一种复杂孔隙介质微、细观结构的可视化及多尺度、各向异性的精细描述方法。为验证方法的可行性,对不同地区的6种煤岩试样进行扫描电镜观测;应用小波多尺度变换、图像分割、以及图像重建技术对煤样的SEM图像进行“亚像素”尺度分析;利用小波细节系数重建煤基质的水平、垂直、对角占优的微观孔隙图像;计算微孔的孔喉、孔穴随特征尺度的分布密度,以及微孔与节理的孔隙度与分形维数。用小波多分辨分析方法分割的宏观孔隙具有微米量级,微孔具有纳米尺度。各煤样的宏观裂隙的孔隙度与分维数均大于微观孔隙;孔喉特征尺度分布均具有相似的单峰形式,峰值点决定流体运移的阻力;孔穴的特征尺度分布呈现出单峰、或多峰形态,代表流体的储存能力。研究成果为深入认识复杂孔隙结构对岩体非线性力学行为的影响,提供几何边界、结构参数基于显微图像分析的可行方法。     

随温度升高煤岩体渗透率减小或波动变化的细观机制

 采用在线加热同步观测煤岩样孔隙结构演变的实验方法,对常温～350 ℃时的贫煤和花岗岩试件进行细观结构演化研究,得出以下结论：(1) 相同条件下,兼具固体颗粒和纯孔隙的子网格受温度作用更为明显,孔隙变化更大。由于该孔隙为多孔介质的吼道孔隙,故孔隙大小的变化会对煤岩渗透率造成显著影响;(2) 温度升高时,花岗岩和大部分贫煤样品的渗透率具有先增大后减小的特性,少数贫煤样品的渗透率呈现单调下降趋势;(3) 煤岩样孔隙率越小,其孔隙率单调降低的临界温度点越低。热力耦合作用下同步分析煤岩体细观结构的演变,进而探求其宏细观对应规律,已成为岩石渗流力学研究的重要趋势。     

液氮冷浸煤岩孔隙损伤和渗透率演化特性研究

为研究冷冲击对煤岩的损伤和增透作用,在液氮冷浸前后对煤岩试样进行核磁共振和渗透率测试,通过T2分布、T2谱面积和渗透率的变化来反映煤岩孔隙损伤和渗透率变化情况,并利用传热学理论,研究煤岩温度降与煤岩损伤以及渗透率演化之间的关系。研究结果表明,液氮冷浸能够提高煤岩孔隙数量、孔隙体积和渗透率;煤岩渗透率随冷浸时间的演化表现出先增大后逐渐稳定的趋势;温度降主导着煤岩损伤和渗透率的演化,温度降越大,煤岩损伤越严重、渗透率增幅越大,且温度冲击得到的渗透率与温度降的大小成正比关系,当煤岩温度降达到最大,损伤终止、渗透率不再增加;利用液氮对常温煤岩进行冷浸,最终得到煤岩渗透率增幅为50%～150%。     

基于岩土介质三维孔隙结构的两相流模型

地下储层中岩土介质一般具有较低的孔隙连通性,宏观流动模拟一般忽略微观尺度的孔隙连通性,通过渗透率、弯曲度等参数反映储层的整体特性。但岩土介质的多孔性及孔隙间复杂的连通性,使得宏观描述流体在岩土介质中流动不能反映其内在流动特征。孔隙结构模型的建立可以反映岩土介质中孔隙的几何形态及空间连通性,为解释流体在复杂多孔介质中的流动特性提供有效手段。通过考虑岩土介质孔隙尺寸分布、孔隙孔喉空间相关性、孔隙连通性等特征参数,建立了反映不同岩土介质连通性、各向异性特征的等效孔隙网络模型。等效孔隙网络模型通过水力特征参数等效的方式反映岩土介质三维微观孔隙结构,通过渗透率计算验证了模型的有效性。此外,基于建立的孔隙结构模型,开发了孔隙尺度动态两相流计算模型,模型可以反映孔隙内弯液面的动态运动过程,直观反映多孔介质中的优势渗流,可以为不同孔隙尺度岩土介质提供表观渗透率、击穿曲线、相对渗透率曲线等宏观计算参数。将孔隙尺度两相流模型应用于页岩气开采中水力阻滞特性研究,结果表明:页岩基质的残余饱和度约为30%,随着平均配位数的增加,残余饱和度显著降低。     

基于岩土介质三维孔隙结构的两相流模型

地下储层中岩土介质一般具有较低的孔隙连通性,宏观流动模拟一般忽略微观尺度的孔隙连通性,通过渗透率、弯曲度等参数反映储层的整体特性。但岩土介质的多孔性及孔隙间复杂的连通性,使得宏观描述流体在岩土介质中流动不能反映其内在流动特征。孔隙结构模型的建立可以反映岩土介质中孔隙的几何形态及空间连通性,为解释流体在复杂多孔介质中的流动特性提供有效手段。通过考虑岩土介质孔隙尺寸分布、孔隙孔喉空间相关性、孔隙连通性等特征参数,建立了反映不同岩土介质连通性、各向异性特征的等效孔隙网络模型。等效孔隙网络模型通过水力特征参数等效的方式反映岩土介质三维微观孔隙结构,通过渗透率计算验证了模型的有效性。此外,基于建立的孔隙结构模型,开发了孔隙尺度动态两相流计算模型,模型可以反映孔隙内弯液面的动态运动过程,直观反映多孔介质中的优势渗流,可以为不同孔隙尺度岩土介质提供表观渗透率、击穿曲线、相对渗透率曲线等宏观计算参数。将孔隙尺度两相流模型应用于页岩气开采中水力阻滞特性研究,结果表明：页岩基质的残余饱和度约为30%,随着平均配位数的增加,残余饱和度显著降低。     

基于物质点方法饱和多孔介质动力学模拟(Ⅲ)——两相物质点方法

在传统物质点方法的基础上发展了用于饱和多孔介质动力学分析的两相物质点方法(two-phase material point method,tMPM)。由于饱和多孔介质由固体骨架与孔隙流体组成,两相物质点方法通过引入两套物质点,分别表征固体骨架变形与孔隙流体流动。应用饱和多孔介质u-U形式控制方程,推导了两相物质点方法控制方程离散形式,以固相与液相位移作为基本未知量。采用同传统物质点方法相同的时间积分形式,两相物质点方法成功模拟了饱和多孔介质中固体骨架与孔隙流体间的相互作用;并且通过数值算例中两相物质点方法解与有限元参考解的比较验证了两相物质点方法的正确性。     

温度与孔隙压力耦合作用下煤岩吸附–渗透率模型研究

为模拟瓦斯抽采过程中温度与孔隙压力对煤岩吸附及渗透特性的影响,利用等温吸附装置、含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,开展等温吸附试验及不同温度下孔隙压力降低的渗流试验。建立修正的双L吸附模型和考虑温度–孔隙压力耦合作用的煤岩渗透率模型。通过试验结果及试验比对验证其合理性。结果表明:在本文试验条件下,煤岩瓦斯累积解吸量随瓦斯压力降低呈逐渐升高趋势。当温度恒定时,煤岩渗透率在降压过程中呈先降低后升高的趋势。当孔隙压力恒定时,煤岩渗透率在升温过程中呈先降低后升高的趋势。修正后的双L吸附模型比原吸附模型拟合效果更好,能很好反映不同温度下煤岩吸附量与气体压力的变化关系。煤岩瓦斯解吸过程中产生的基质收缩应变随孔隙压力降低而升高。新建渗透率模型与试验数据具有较好的一致性,可以更好的表征不同温度条件下的煤岩渗透率演化规律。     

基于非平衡状态的煤层中气体运移规律研究

煤层气开采过程中,由于裂隙与基质渗透率性能差异性较大,导致储层在长时间内都将处于非平衡的动态调整阶段。然而,目前大多数的试验和渗透率模型只考虑某一固定气体压力的影响,这极大地限制了对非平衡状态下储层气体流动的研究。为此,基于储层为双重孔隙介质的概念,考虑开采过程中基质–裂隙不同的孔隙压力、解吸变形和力学作用对裂隙开度演化的影响,提出了一种预测气体在非平衡状态下的渗透率模型,并用现场数据进行了验证。进一步将渗透率模型代入气体流动方程,采用有限元软件分析了岩芯内基质–裂隙的孔隙压力和渗透率随时空的演变规律。研究结果表明：在岩芯解吸过程中,(1)岩芯内裂隙气体压力受扰动范围大于基质气体压力;(2)基质–裂隙气体压力和渗透率沿岩芯长度呈现非线性分布;(3)基质–裂隙渗透率变化趋势相同。     

含瓦斯煤岩固气耦合动态模型与数值模拟研究

首先在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,推导出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过分析含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率在不同变形阶段的变化特点,在前人的研究成果基础上,建立了含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率的动态模型。假设含瓦斯煤岩是一种各向同性的弹塑性材料,同时考虑瓦斯吸附的影响,得出了含瓦斯煤岩的应力场方程和渗流场方程,建立了能描述固气耦合情况下煤岩骨架可变形性和瓦斯气体可压缩性的含瓦斯煤岩的固气耦合模型。最后通过给定模型的定解条件和相关参数,利用有限元方法建立了相关的数值计算模型,并得出了含瓦斯煤岩固气耦合模型的数值解。研究成果对进一步充实和完善含瓦斯煤岩固气耦合理论有一定意义。     

含水煤岩裂隙压缩特征及渗透特性研究

为研究深部煤岩开采过程中含水率、有效应力与裂隙压缩性对煤岩渗透率的影响规律,利用HCA型高压容量法吸附装置和含瓦斯煤热-流-固三轴伺服渗流装置分别进行不同含水率条件下煤岩的等温吸附试验和渗流试验。在此基础上建立考虑含水率与裂隙压缩性综合作用的煤岩渗透率模型,并分析煤岩在不同含水率条件下,煤岩有效压缩性系数与渗透率的响应机制。结果表明:(1)气体压力恒定为1.0MPa时,煤岩轴向应变与径向应变随有效应力的增大而增大;而在有效应力不变,煤岩含水率变化的过程中,其轴向应变与径向应变随含水率增大逐渐减小,瓦斯流量也随含水率的增大而减小。(2)随着气体压力的增大,煤岩瓦斯吸附量先增大后趋于平缓,在气体压力持续增大的过程中,吸附量逐渐趋于饱和,等温吸附曲线的变化逐渐趋于平缓。(3)在同一含水率条件下,煤岩渗透率随有效应力的增大而减小。当有效应力恒定时,水分对煤岩的渗透率的大小具有抑制作用,即含水率增大过程中渗透率呈减小趋势。不同含水率下煤岩的吸附变形量与有效压缩性系数之间呈负相关,且有效压缩性系数随含水率的增大而减小。(4)建立了考虑含水率和裂隙有效压缩性综合作用的煤岩渗透率模型,其中渗透模型计算值的与实测值基本吻合,可较好地表征不同含水率条件下煤岩渗透率随有效应力升高的变化规律。     

水源热泵回灌井悬浮颗粒运移和沉积物理特性试验模型研究

针对地下水源热泵系统阻塞机制研究开发的砂层阻塞模拟试验系统,利用砾石颗粒作为多孔介质,以粉煤灰颗粒作为悬浮物,研究悬浮颗粒在砾石中运移和沉积时相对浓度与孔隙体积的关系。通过试验可知:(1)在3种不同流速试验条件下,悬浮颗粒在砾石介质中的运移和沉积主要经历了浓度的增加、骤减和平稳段,总体趋势是相同的,主要区别在于浓度的峰值有所不同,流速越大所对应的峰值越大,反之亦然。(2)给出的渗透率衰减模型对预见试验中悬浮颗粒的迁移所引起的孔隙率下降是有效的。(3)把理论分析方法同试验曲线比较后发现,余尾效应在本次试验中并没有出现,试验值和理论值具有较好的吻合性。     

水源热泵回灌井悬浮颗粒运移和沉积物理特性试验模型研究

 针对地下水源热泵系统阻塞机制研究开发的砂层阻塞模拟试验系统,利用砾石颗粒作为多孔介质,以粉煤灰颗粒作为悬浮物,研究悬浮颗粒在砾石中运移和沉积时相对浓度与孔隙体积的关系。通过试验可知：(1) 在3种不同流速试验条件下,悬浮颗粒在砾石介质中的运移和沉积主要经历了浓度的增加、骤减和平稳段,总体趋势是相同的,主要区别在于浓度的峰值有所不同,流速越大所对应的峰值越大,反之亦然。(2) 给出的渗透率衰减模型对预见试验中悬浮颗粒的迁移所引起的孔隙率下降是有效的。(3) 把理论分析方法同试验曲线比较后发现,余尾效应在本次试验中并没有出现,试验值和理论值具有较好的吻合性。