考虑蒸汽相变煤层气注热开采数值模拟研究

为研究蒸汽相变对煤层气注热开采的影响,首先,基于传热、传质和应力守恒原理,建立考虑蒸汽相变影响的煤层气注热开采热-流-固耦合三相二组分模型;其次,采用有限容积法离散和牛顿-拉夫逊迭代对耦合模型进行求解;最后,利用二维五井注采物理模型,分别对注250℃蒸汽、250℃热水和直接抽采3种方案进行数值模拟研究.结果表明:在设定...     

煤层气注热开采的热-流-固耦合作用分析

如何提高煤层气产量是目前煤层气开采研究中的重要课题。煤层气在煤层孔隙中主要以吸附状态存在,提高煤层温度可以促使气体由吸附态转变为游离态,增加其渗流扩散能力。根据热弹性力学、非线性达西渗流理论和多孔介质热力学原理,对在煤层中注热提高煤层气产量的机理进行了系统研究,建立了包含煤的变形方程、气体渗流方程、热传导方程的热流固多物理场耦合数学模型。在此基础上利用COMSOL Multiphysics数值软件,对耦合模型进行了数值求解,结果表明:注热后煤层温度升高可以促进煤层气解吸、提高煤层渗透率,增加煤层气产量。研究成果可为煤层中注热开采煤层气的工程实践提供相应的理论基础。     

基于流-固-热耦合的深部煤层气抽采数值模拟

为了提高深部煤储层产气规律预测准确性、减小气井设计误差,分析了深部煤储层特征参数随埋深的变化规律,针对目前煤层气研究忽略了温度、地下水等因素问题,基于已建立的深部煤层气抽采流-固-热耦合模型,进行深部煤层气抽采数值模拟,分析不同地应力、初始渗透率、储层压力和温度等深部特征参数以及不同埋深条件下煤层气抽采的储层参数和产气演化规律。结果表明:渗透率变化为地应力增加、温度降低和煤层气解吸引起的煤基质收缩效应与储层压力降低引起的煤基质膨胀效应的综合竞争结果;随着煤层气和水被采出,储层温度降低和煤层气解吸占主导,储层渗透率升高;地应力对深部储层渗透率比例的变化起着主要作用,初始渗透率对产气速率起着控制作用;当煤层埋深小于临界埋深时,产气量随埋深逐渐增加,达到临界埋深后,产气量随埋深逐渐降低;低渗透率是制约埋深超千米的气井高产的关键。     

含湿度效应的煤层注热多物理场耦合模型

煤层注热是近几年提出的一种新型的瓦斯强化抽采方法,在煤层注热过程中,水蒸气湿度的增加会影响煤层瓦斯的抽采效果。为了了解水蒸气的湿度效应对煤层注热过程的影响,在前人研究成果的基础上,运用传热学、渗流力学、弹性力学等相关理论,加入了水蒸气湿度的影响并建立了含湿度效应的煤层注热多物理场耦合模型。模型的建立有助于今后进行数值分析及相关实验室实验。     

注热条件下煤体渗透率演化模型及其数值分析

煤层注热是近几年提出的一种新型的煤层气抽采方法,为了得到煤层注热对煤层气产出的影响规律,需要对注热条件下煤体渗透率变化规律进行研究。基于Warren-Root几何模型,结合弹性力学等理论建立了煤体渗透率模型并对其进行了数值分析。最终得出在注热条件下,注热钻孔周围煤体渗透率的变化规律,为煤层注热多场耦合模型的分析奠定了基础。     

低渗透煤层气注热开采过程效率分析

为获得低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气抽采热效率及能量效率,探索注热参数对煤层气产量的影响,综合运用传热学、物理化学等相关理论,建立低渗透煤层气藏注热开采过程的热效率及能量效率的数学模型,并对所建立的数学模型进行解析求解。     

煤层气解吸-扩散-渗流过程的气-固-热耦合模型

考虑煤层气解吸引起的温度变化及其对后续吸附气体的解吸、游离气体状态的影响,及气体扩散系数的动态变化及修正系数对窜流项的影响,基于孔隙-裂隙双重介质模型建立了煤层中气体解吸-扩散-渗流过程的气-固-热耦合模型,开展了煤层气抽采过程的数值模拟与机理分析。研究结果表明:(1)修正窜流项后的气-固-热耦合双重介质模型相对于窜流项修改前的模型与试验结果更为接近;(2)未修正Langmuir模型考虑了温度降低及其对气体扩散、渗流过程的影响,但没有考虑温度降低对气体解吸量的影响,会导致煤层气抽采量估计值偏大;(3)各向同性模型有可能得到与各向异性模型一致的气体含量曲线,但气体含量分布存在显著差异,渗透率各向异性导致的煤层整体在某方向的渗流优势要大于抽采孔布置形式导致的渗流优势;(4)扩散系数较高时,渗流过程是影响煤层气抽采效率的制约环节,必须考虑渗透率的各向异性特征对气体运移全过程的影响。     

含瓦斯煤热-气-应力耦合模型的应用研究

综合考虑温度、压力对孔隙度、渗透率以及瓦斯流动对热传导的影响,结合质量守恒、力学平衡及能量守恒方程,在实验室对现场所取煤样分析了温度对瓦斯含量的影响,并建立了含瓦斯煤流-固-热三场耦合数学模型。以新疆某矿煤层赋存为背景,将模型导入COMSOL Multiphysics进行了单孔抽采煤层气的数值分析,得到煤层气抽采过程中压力场、渗透场的变化规律,以及温度、压力对渗透率的影响,结果表明:在瓦斯抽采过程中,考虑温度变化对煤层渗透率的影响是必要的。     

基于流-固-热耦合的煤层瓦斯抽采数值模拟研究

为了提高煤层瓦斯抽采效果预测的准确性,揭示瓦斯抽采过程中煤层各参数的变化规律,基于煤岩结构和瓦斯煤层内运移特征,结合岩体力学、渗流力学、传热学相关理论,建立了煤层瓦斯抽采的流-固-热耦合模型,进行了单裸竖直钻井瓦斯抽采数值模拟,结果表明:所建模型解算结果与工程实际相吻合,能够满足工程需要;在瓦斯抽采过程中煤层温度、瓦斯压力和产气速率均随着抽采时间的增加而减小,瓦斯抽采活动对煤层温度的变化有着很大影响;由于瓦斯吸附量减少和温度降低引起的煤基质应变降低值大于煤层压力降低引起应变增高值,瓦斯抽采影响范围内煤体渗透率不断增高,但受煤层瓦斯运移、解吸速度的影响,煤体渗透率增高速率不断减缓。     

考虑启动压力梯度的低渗透煤层瓦斯渗流耦合模型及应用

低透气性煤层瓦斯低速渗流时具有非Darcy渗流的特征,为揭示非Darcy渗流现象的渗流机理,开展了包含非Darcy渗流现象的瓦斯渗流与煤岩变形耦合作用规律研究。根据低透气性煤层瓦斯渗流特征,考虑启动压力梯度作用下的非Darcy渗流规律,研究游离瓦斯渗流、吸附瓦斯扩散流动机理和煤岩变形等过程,建立含启动压力梯度的渗流耦合模型,并利用该模型开展本煤层预抽钻孔数值模拟研究,结果表明,考虑启动压力梯度的模拟结果更符合低渗透煤层瓦斯运移规律,依据模拟结果布置井下钻孔,工作面预抽钻孔抽采瓦斯量为1.09 m3/t,抽采效果理想。     

饱和蒸汽作用下煤体吸附甲烷运移产量规律试验研究

为得到低渗透储层煤层气注蒸汽开采过程煤层气运移产量规律,在实验室试制了蒸汽加热三轴解吸渗透试验装置,并进行了不同饱和蒸汽压力条件下煤样吸附甲烷运移产量测定试验。试验结果表明,在一定的围、轴压下,甲烷运移产量随解吸时间呈现Langmuir变化趋势;在不同的注蒸汽压力条件下,甲烷运移产量随饱和蒸汽压力的增加而增大、增幅减小,煤体温度随蒸汽注入压力不同呈现指数增长形式,在一定时间内由于换热效率降低使煤体达到注热饱和,继续注热无明显效果;煤体注蒸汽后,由于应力急剧增加造成短时期内无甲烷运移产出,随应力的降低和游离甲烷增加,甲烷运移速率呈现指数型增长趋势,甲烷运移最终产量增加,甲烷运移产量较未注热最高可增产46.3%。试验结果可为煤层气注蒸汽开采工艺方案及产量预测提供参考。     

高煤阶煤层气扩散-渗流机理及初期排采强度数值模拟

为了分析排采控制对气井产能的影响,以沁水盆地南部煤层气藏为例,应用分子动力学、岩石力学理论,分析了高阶煤层气扩散、渗流机理;应用Simed软件,分别采用不变渗透率、应力敏感以及考虑割理压缩率变化的S-D渗透率模型,进行了不同煤体结构高阶煤层气井初期排水强度数值研究。研究表明:解吸、扩散、天然裂缝渗流以及压裂裂缝导流等环节需协调作用,才有利于产气;随着排采的进行,扩散系数会逐渐增大,而压裂裂缝导流系数会因有效应力作用、煤粉堵塞等因素而降低;渗透率是影响研究区气井产能的关键因素,渗透率高的产气效果好;构造煤对于初期降液速率较敏感,对较高的导流系数不敏感;原生、碎裂煤对初期降液速率不敏感,但对导流系数较敏感;低渗煤层气井宜采用较低的初期降液速率;高渗煤层气井可以采用较高的初期排采强度持续排出水和煤粉。     

含瓦斯煤THM耦合模型建立

在建立THM耦合模型所需的9条基本假设基础上,综合应用弹性力学、渗流力学、传热学理论,以含瓦斯煤系统为研究对象,建立了体现含瓦斯煤"三场"真正意义上的双向完全耦合数学模型。该模型包括含瓦斯煤应力场、渗流场、温度场方程和各场的定解条件,揭示了含瓦斯煤系统内渗流、变形和变温之间的内在联系。所建的模型是煤层瓦斯传统渗流理论和流固耦合理论的推进。     

移动床中热气体渗流传热与煤热解过程的数值计算

采用热气体对燃烧前的煤颗粒进行渗流炽热预处理,通过理论分析和计算的方法研究移动诃内热气体渗流加热对煤热解反应过程的影响,建立多孔介质渗流传热传质与煤质热解反应相互作用的物理数学模型,研究不同情况下床内颗粒料层中气固温度和煤热解挥发分析出浓度的分布规律,计算结果表明,移动床内煤的热解反应与渗流传热过程密切相关,增大入口渗流速度以及减少给料量,导致热渗透我域扩大,热作用区域内的煤层温度水平提高,热解反应区段向床方向偏移,在热解反应区域,孔隙率对流传质和煤热解过程中有很大的影响,研究结果,对于移动床煤热解反应装置的设计与运行具有一定的参考价值。     

煤层气产能影响因素及开发技术研究

煤储层中气体分子在承压状态下处于吸附-解吸的动态平衡,随着产层打开和压力降低,气体通过解吸、扩散、渗流产出,形成产能。笔者结合生产井数据,分析了渗透率、含气饱和度、临界解吸压力和压裂缝半长对产能的影响。中国煤层具有低压、低渗、低饱和度等特点,致使储层驱动能量不足,在自然条件下气体解吸、渗流困难,所以必须采用有效的开发增产技术。与常规天然气储层相比,煤层气储层更容易受到损害,在进行开发时采取欠平衡钻井、氮气泡沫压裂等储层保护增产技术对于单井产量的提高至关重要。各地区煤储层特征差异显著,在开发时要对不同的开发手段进行适用性与经济性研究。     

武乡南区块煤层气开发的深部地质边界研究

为了开发利用新中标的武乡南区块煤层气资源，对深部煤层气资源的开采提供理论指导，基于地质分析与实验模拟相结合的思路与方法，结合模拟煤储层条件下的等温吸附与渗流实验，预测了深部煤储层含气性与渗透性随着埋深增大的变化特征，并发现了深部不同于浅部的变化趋势，指导了后期煤层气开发的工程实践。研究结果表明:深部煤储层压力与温度共同制约含气量的大小，且深部煤储层含气量发生转折的临界深度为1 820 m，超过这一临界深度含气量逐渐降低；深部煤储层温度与地应力共同制约渗透率的大小，且深部煤储层渗透率发生转折的标志埋深是1 600 m；鉴于深部煤储层低渗的特点，有效地对深部煤储层含气量、渗透率及其可改造性进行分析与探讨，认为煤层气开发的深部地质边界为埋深1 800 m。     

含瓦斯煤的三轴渗透率实验现状研究

煤层瓦斯渗透率是反映煤层内瓦斯渗流难易程度的物性参数,也是瓦斯渗流力学与工程的重要参数。含瓦斯煤的渗透率可由多种方法获取,其中实验室测定是渗透率研究的主要手段之一。为了更加系统地了解国内含瓦斯煤的三轴渗透实验的研究现状,归纳了前人利用型煤、原煤试件进行的不同应力、不同温度及不同瓦斯压力等条件下的渗透实验,总结了各个实验的结论和规律,并对今后含瓦斯煤渗透率实验的研究方向提出见解。     

注气开采煤层气增产机制的研究

依据扩散渗流和多组分吸附平衡理论,研究了注气开采煤层气的增产机制。研究表明,注气增加储层能量,提高储层压力传导系数并产生竞争吸附置换效应,从而提高煤层气开采时的单产量及回收率。中还导出了注气时回收率的计算公式。所得结论对注气开采煤层气设计的评价具有指导意义。     

地应力对煤层气勘探与开发的影响

地应力是指岩土体内一点固有的应力状态, 煤层气是一种以吸附状态为主储存于煤层及其围岩中的非常规天然气。我国煤层气勘探与开发还处于初级阶段,而地应力对煤层勘探与开发有十分显著的影响,其影响主要包括以下三个方面：（1）地应力对煤储层渗透性、储层压力的影响;（2）地应力对煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流的影响。地应力增加,储层压力增大,煤层吸附气体的量增多,但渗透率降低,给煤储层的排水、降压及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难;（3）地应力对天然裂缝目前在地下的附存状态及有效性,以及人工压裂裂缝的形态和延伸方向的影响等。所以十分有必要系统论述地应力对煤层气勘探与开发的影响。