多孔介质中的流动、传热与化学反应

矿业工程中的许多生产实际问题都可以归结为多孔介质中的传递问题。多孔介质分布广泛,研究其中的流动、传热与化学反应问题具有重要的实际应用和科研价值。评述了多孔介质中流动、传热与化学反应的研究现状,分析了3个过程之间的相互关系。指出流动作为一种输运方式,携带物质和热量沿流动方向进行迁移,引起物质浓度和温度分布的改变,对传热和化学反应过程产生影响;传热通过改变温度分布,引起流体物理性质和化学性质的改变,进而影响流动和化学反应;化学反应通过消耗反应物和生成产物,改变多孔介质的孔隙结构,改变孔隙流体的物理化学性质,改变固体和流体的传热性质,进而影响流动和传热。分析表明,化学反应作为发生在微观尺度上的过程,对宏观的流动和传热过程具有明显的影响,要对这种影响进行定量描述必须发展新的跨尺度的分析、测试和计算方法。     

近水平煤层顶板应力-承压水耦合响应分析

采用应力-渗流耦合的数值计算方法,分析承压含水层下采煤过程中渗流场、应力场演化规律,分析了工作面推进过程中岩石破断规律,探讨岩层交界面、天然断层、裂缝对岩石裂缝扩展路径的导向作用,孔隙水压力分布、水头分布的变化规律,预测承压流体涌入工作面的可能性,为煤矿灾害预警和优化开采提供参考。     

煤粉在支撑裂缝中的运移与沉积规律

针对煤储层压裂过程中易产生大量煤粉问题,应用LD-1A导流能力测试系统进行了支撑裂缝中不同流速、不同煤粉含量的流体流动物模实验,分析了流体在变流速、恒流速和间断流动下,煤粉在支撑剂充填层中的运移、沉积及产出规律。实验表明:煤粉运移具有一定的临界流速,不同条件下,临界流速差别较大,在20~40目石英砂支撑裂缝中,过60目煤粉临界流速可达5.20 cm/min,而过140目煤粉临界流速为2.01 cm/min;流体流速、支撑剂粒径、煤粉粒径、煤粉含量、排采制度等多重因素共同控制煤粉产出量;煤粉容易沉积在支撑裂缝中堵塞支撑剂构建的孔隙,对支撑裂缝导流能力的伤害严重。压裂后有效排出煤粉,可减小堵塞伤害;排采过程中控制流体流速,有利于减少煤粉运移及产出。     

近水平煤层综采工作面顶板应力-渗流耦合响应分析

我国煤炭资源开采面向大深度、高地应力、高岩溶水压及地温方向发展,煤矿面临灾害种类繁多。采用应力-渗流耦合的数值计算方法,重点分析承压含水层岩体下采煤过程中渗流场、应力场演化规律,分析了工作面推进过程中岩石破断规律及岩层交界面对岩石裂缝扩展路径的导向作用和对孔隙水压力分布、水头分布的变化规律,预测承压流体涌入工作面可能性。     

煤粉运移与沉积对支撑裂缝渗透率动态影响规律

煤粉沉积导致的支撑裂缝渗透率的伤害是影响煤层气排采效果的重要因素之一。基于毛细管束模型,结合Carman-Kozeny公式建立了考虑煤粉运移与沉积的支撑裂缝渗透率演化模型,并利用煤岩导流性能测试系统进行了不同条件下的煤粉侵入支撑裂缝实验,验证了模型的正确性,探讨了煤粉沉积特性对支撑裂缝内煤粉分布规律及渗透率时空演化的影响。研究结果表明:沿煤粉运移方向,支撑裂缝内沉积煤粉体积分数逐渐减小,大量煤粉沉积在裂缝入口端,导致裂缝入口端孔隙堵塞程度较大,裂缝内孔隙堵塞程度较小,支撑裂缝渗透率沿煤粉运移方向减小,且随着煤粉运移时间增加,支撑裂缝内悬浮煤粉质量浓度先快速上升到峰值,随后保持不变,沉积煤粉体积分数不断增大,支撑裂缝内孔隙的堵塞程度增大,支撑裂缝的渗透率不断减小。煤粉沉积系数与弥散系数是影响支撑裂缝内煤粉分布规律及渗透率的重要因素,且随着煤粉沉积系数增大,煤粉运移越困难,支撑裂缝入口端沉积煤粉量增大,运移至支撑裂缝内的煤粉量减小,支撑裂缝内悬浮煤粉质量浓度与沉积煤粉体积分数减小,煤粉占据孔隙体积变小,支撑裂缝渗透率增大;而煤粉弥散系数越大,煤粉越容易运移,运移至支撑裂缝内的煤粉量越大,支撑裂缝内悬浮煤粉质量浓度与沉积煤粉体积分数越大,煤粉占据孔隙体积越大,支撑裂缝渗透率越小。     

低场核磁共振技术在煤孔隙结构精准表征中的应用与展望

煤的孔隙结构对于瓦斯、水等流体的运移起关键作用,煤储层资源评估和致裂效果评价均有赖于高效的测孔技术。在众多的测孔技术中,低场核磁共振是近年来应用广泛的煤孔隙结构无损、快速、精准测试技术。该技术通过检测多孔介质中的饱和含氢流体(甲烷、水、油等)的核磁共振驰豫信号,反映孔隙结构及孔隙流体分布等信息。通过核磁共振弛豫谱分析可以得到煤的孔隙度、孔径分布、孔连通性、孔隙流体、润湿性和渗透率等物性特征,评价致裂增透效果;通过二维核磁共振可以区分水、甲烷等不同含氢流体及同一含氢流体的不同相态;通过核磁共振成像可以使煤内部的孔隙分布与流体运移可视化。高温高压核磁共振分析仪可以模拟深部原位煤层环境,实现水力压裂、注气驱替、瓦斯吸附/解吸、应力变形等过程煤心的实时分析与成像。介绍了核磁共振弛豫法和冻融法的测孔原理及相应的设备系统,总结了基于核磁共振的煤孔隙结构及流体特性分析体系,涉及了弛豫分布曲线到孔径分布曲线的转换、孔隙流体的划分、孔隙润湿性评价等关键问题,进而阐述了高温高压低场核磁共振测试系统在煤炭开发领域的最新应用进展,未来低场核磁共振技术将向着模拟原位煤层环境、结合大数据与机器学习以及煤矿现场应用...     

水力压裂分段射孔簇多裂缝空间偏转模拟研究

深部致密油气储层水力压裂工程形成复杂缝网形态是影响油气采收率的关键因素，需要准确评估和优化压裂裂缝扩展行为。水平井多射孔簇分段压裂涉及储层和孔隙-裂隙内流体之间的热扩散、流体流动与岩体基质变形，热扩散效应和多物理场耦合作用是深部致密岩体压裂的典型特征；同时，压裂缝网扩展与裂缝间的扰动作用有关，压裂工艺中的射孔簇间距、起裂顺序等造成平行裂缝发生不同程度的非稳定扩展。理解多物理场耦合、裂缝间扰动等内外因素的影响机制，对有效评估压裂缝网具有重要意义。综合考虑深部储层的热-流-固耦合效应，研究水力压裂缝网三维扩展之间的应力阴影效应和多裂缝扰动偏转行为。研究建立水平井分段压裂的工程尺度三维数值模型，利用典型工况计算分析了压裂裂缝三维扩展的热扩散效应影响、不同射孔簇间距以及不同压裂方案（顺序、同步、交替压裂）下裂缝网络的扩展扰动行为。结果表明：深部致密油气储层压裂裂缝扩展引起的应力扰动区域在多裂缝中存在叠加、覆盖行为，形成应力阴影效应、造成裂缝空间偏转；水平井多射孔簇间距的减小，将增大应力阴影区，加剧裂缝间相互干扰；相比多射孔簇顺序压裂，同步压裂将增大应力阴影区，交替压裂可减小应力阴影区，交替压裂...     

深化反循环工艺研究，促进钻探科技快速发展

1反循环的特点及在勘查中的作用 反循环的本质是流体介质携带孔内物质沿钻具的内部通道排出孔外。反循环通道及断面积由钻具结构参数确定，保证了流体介质的高速上返，并在钻具的保护下流动，不对孔壁产生扰动。     

基于二维裂缝扩展的二氧化碳注入砂岩透镜体封存模拟

为保证砂岩透镜体中超临界二氧化碳封存的安全性，对裂缝萌生、扩展、演化过程进行了研究。建立透镜体地质模型和数值计算模型，分析超临界二氧化碳流体在裂缝中的运移机理；利用ABAQUS数值模拟软件建立流-固耦合模型，进行裂缝扩展模拟。结果表明:在有初始裂缝时，裂缝扩展呈现出长、快、曲的趋势；在无初始裂缝时，裂缝扩展呈现出短、慢、平的趋势；在初始裂缝角度为0°、30°情况下，裂缝的宽度、面积随孔隙水压力的变化较为一致，整体上呈线性递增趋势；在初始裂缝角度为60°情况下，裂缝的扩展主要取决于初始注入点和运移通道的选择。     

边底水裂缝性气藏布井方式和注气对开采效果影响实验研究

为了探索布井方式和注气对边底水裂缝性气藏开采效果的影响和作用机制，以孔隙型和孔隙/裂缝型岩心为基础，将不同岩心串联形成边底水裂缝性气藏物理模拟模型，在此模型上开展布井方式和注气对气藏开采效果影响评价实验，探究了水侵影响气藏采收率的作用机制。同时，为了保证仿真模型与目标气藏地质结构和空间特点相似，研制了基质/孔隙、基质/裂缝型岩心。结果表明，当岩石渗透率较低时，水相毛管力急剧增大，难以发生“水封气”现象，由此引起的气体动态储量减小。因此，在边底水裂缝性气藏内远离裂缝发育的低渗区布井开采效果要优于高渗区布井。当气井位于裂缝性气藏低渗区时，气井生产过程中高渗区部分气体会沿裂缝运移到低渗区，致使高渗区压力降低，水侵量增加。此外，由于高渗区气体压力较低，“水封气”储量较小，因而该区域上实施注气开采效果较差。     

岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟研究

为了研究岩体孔隙-裂隙双重介质渗流过程中速度变化、压力分布和不同形状裂隙影响的规律,采用COMSOL数值模拟软件对不同断裂形状的多孔介质块进行了渗流数值模拟,得到了裂隙速度场、基质块孔隙压力场和不同形状路径渗流影响的规律。结果表明:随着压力差的增大,沿裂隙路径上速度场发展最快,裂隙成为主要的渗流途径;基质块孔隙压力梯度分布均匀,压力分布在断裂的基质块中是连续的,但等压面的弯曲表明了裂隙和孔隙的不同流动状态;裂隙形状影响着流动特性,4种类型裂隙出口边界通量的大小关系为:圆角135°夹角90°夹角45°夹角,模拟结果有助于可视化地研究双重介质的渗流规律。     

渗透作用下井周孔隙压力分布数值模拟研究

钻井过程中,钻井液中的水在渗透作用即压差和化学势差作用下进入泥页岩井壁,或者泥页岩中的流体流入井筒,引起地层孔隙压力变化,改变井壁周围应力分布。为了研究渗透作用对井周孔隙压力的影响,建立了力学-化学耦合作用下井壁周围孔隙压力分布模型,采用有限差分法求解该模型,得出井壁周围孔隙压力分布规律,模型参数对孔隙压力的影响,为泥页岩井壁稳定研究提供依据。     

矿浆在球磨介质中的流体力学

矿浆在球磨机中的传输对球磨机的滞留量、滞留时间以及粉碎速率影响很大，进而影响磨矿功耗和产品的粒度分布。而对工业磨机，滞留时间分布和滞留量是不能事先预测的，因为对运转着的磨机，尤其是工业磨机，不可能用直接法测量其矿浆负荷。本文采用流体力学理论解决了矿浆传输问题。首先，采用离散元法预测了球介质的运动。然后，用一种叫示踪单元法的流体流动技术，处理穿过球荷孔隙的矿浆流。这种技术可能是唯一能够跟踪矿浆自由面的数值技术，因矿浆面随介质运动而波动。结果可预测矿浆的径向及轴向运动，进而可以得到磨机内矿浆物料和球介质的详细描述。这种模型预测情况在半工业试验中得到了证实，并且这种新方法是建立在流体流动物理学基础之上的，属纯理论模型。结果表明，对于工业磨机，在给矿固体含量一定的情况下，可以成功地预测滞留量。     

海上注热污水开采井传热量研究

流体在井筒中流动时，由于注入流体与地层存在温差，就有热量的传递。井筒传热量的定量计算显得特别重要，根据传热学和两相流原理，分析了环空注热污水加热降粘射流泵举升过程中注入水与产液沿井筒径向传热过程，采用传热学原理，对各部分传热系数的计算进行了推导。     

原地溶浸开采中的多过程耦合作用与反应前锋运动:1.理论分析

原地溶浸开采受到孔隙介质中的流体流动、矿物溶解、水溶液组分扩散等多过程的耦合作用,其动力学过程可用溶解反应前锋运动来研究。从流体流动、溶解反应与扩散的耦合和反馈作用建立了反应前锋运动的动力学模型,分析了反应前锋的形态稳定性及其主要影响因素。流体流动与溶解反应的正反馈作用可导致复杂的反应前锋形态并对原地溶浸开采有重要影响。     

新场气田须四下亚段岩屑砂岩储层评价

须四下亚段岩屑砂岩储层的含气测井响应特征为一高三中一低一负。新场须家河四段下亚段岩屑砂岩储层类型划分为孔隙型和裂缝孔隙型。孔隙发育较好的孔隙型储层具有一定的勘探价值,由于无裂缝沟通,渗透能力较差,一般需要经过有针对性的储层改造,才能获得较好产能。裂缝-孔隙型储层,基质孔隙发育,裂缝发育,可获得较好产能。利用P1/2正态统计法、泊松比与体积压缩系数重叠法和核磁差谱移谱法可以有效地判别储层流体性质。     

控制煤层沼气涌出最适宜的注水量

研究含有瓦斯的煤层和水相互作用的机理时表明,煤层的全部裂缝和孔隙中充满了水,而且压入到这些裂缝和孔隙中的水可减少从煤层中涌出的瓦斯量。这时,如果煤层的全部裂缝和孔隙,以及孔隙中部分的吸附体积都充满了水时,则可达到最大效果。实际上注入到煤层中的水量,由于各种原因而经常受到限制,因之降底了煤层注水效果。为了提高注水效果,必须掌握吨煤储量的注水量。在普洛科比耶夫斯克煤管局《诺戈拉得斯克》煤矿和《中央》煤矿夫努特列思尼Ⅱ层,普洛科比耶夫斯克Ⅱ层和别兹面内煤层对距离煤壁10米范围内     

有关巨厚及超厚煤层试井的研究

基于流体渗流的基本微分方程和流体在煤层中渗流压降公式,讨论了巨厚煤层、超厚煤层打开后流体的半球形流动、球形流动方式,以及如何识别半球形球形流动阶段,并指出半球形球形流动特征在双对数图上是一条斜率直线,在球形流直角坐标系中是一条m斜率直线,同时结合现场实例对全部打开或部分打开巨厚超厚煤层试井出现的各个流动阶段进行说明。研究结果表明,部分打开巨厚特厚煤层试井大多数情况下半球形流动阶段会出现,但是部分径向流阶段不一定出现;同时建议巨厚特厚煤层部分打开后做注入/压降试井。     

实验尺度下的煤岩水力压裂数值模拟研究

为研究煤岩水力压裂的过程,及其受初始破裂单元和流体注入速度的影响,通过实验图像建立了煤层水力压裂的天然裂缝网络模型。再结合现有的牵引分离准则及流体流动模型建立了煤岩水力压裂数值模拟模型,通过ABAQUS进行数值模拟计算。讨论了煤岩水力裂缝的形成以及数值模拟中的初始破裂单元设置和流体注入速度对裂缝扩展的影响。结果表明:(1)实验尺度的水力压裂实验研究和数值模拟研究的边界效应应该被考虑;(2)煤岩水力压裂过程中,裂缝发育可能贯穿于整个压裂过程中;(3)初始破裂单元个数的增加,煤岩水力压裂的流体压力曲线上的起裂压力逐渐降低,甚至可能低于扩展压力;(4)流体注入速度越大,煤岩水力压裂的起裂压力和破裂压力越大,而流体注入速度对煤岩水力裂缝扩展的影响存在一定的波动性,应综合考虑。     

致密油藏压裂开发流固耦合数值模拟

为揭示了致密油藏在压裂与开采过程中孔缝介质的变形规律,研究流固耦合作用对致密油藏生产动态的影响,本文基于致密砂岩储层孔缝多重介质变形力学机制,阐述了致密油藏压裂与采出过程中的流固耦合作用,针对不同开发阶段孔缝介质变形及流体渗流特征,建立了相应的物性参数动态变化模型及多相流渗流数学模型,并编制了致密油藏压裂、开采数值模拟软件对典型致密油区块进行了数值模拟。结果表明,压裂液注入过程中,基质孔隙膨胀,孔、渗物性增大;高于开启压力时,天然裂缝开启并逐步延伸;高于破裂压力时,岩石破裂形成人工裂缝,储层渗透率大幅升高。在生产过程中,随着地层流体压力的降低,基质孔隙收缩,裂缝开度变窄;当低于闭合压力时,裂缝闭合导致储层渗透率显著的降低。