深部低透气性首采层煤与瓦斯气固耦合模型

立足于消除煤层渗透及扩散特性对于煤与瓦斯气固耦合模型的干扰,在分析首采煤层所处应力状态特点的基础上,建立更符合煤体的孔隙裂隙二重介质特性的修正的P-M渗透率模型,提出考虑解吸–扩散效应及Klinkenberg效应的煤与瓦斯气固耦合模型,详细阐述多物理场之间的耦合作用关系。应用该模型模拟分析深部首采层顺层钻孔预抽消突过程中煤层瓦斯压力及渗透率的演化规律。模拟结果表明,Klinkenberg效应对低渗透煤层瓦斯运移的促进作用显著,并随着瓦斯压力减小促进效果增大;煤体绝对渗透率的动态变化是骨架压缩效应及基质收缩效应的竞争结果,瓦斯压力开始减小时,骨架压缩效应首先起主导作用,渗透率减小,瓦斯压力持续降低时,基质收缩效应逐渐取代其成为主导作用,渗透率增大。     

煤层瓦斯渗流非线性运动规律实验研究

以焦作矿区赵固二矿采集加工的原煤煤样为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热–流–固–力耦合实验装置,在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度膨胀变化量的基础上,对煤样渗透率与有效应力之间的变化关系以及煤样中瓦斯运动规律进行实验研究,建立受载煤体渗透率与有效应力关系方程及描述煤层瓦斯非线性渗流规律的运动方程。研究结果表明:(1)渗透率随有效应力增大而呈非线性递减关系,具有负指数变化规律;(2)在围压和轴压固定情况下,研究不同孔隙压力梯度下瓦斯渗流规律,得到瓦斯渗流速度在煤体变形作用下呈现非线性特征,同时将所建方程与实验数据进行拟合,由相关度可知,实验结果与拟合结果相一致,表明所建立的运动方程与研究方法是合理的。     

低渗透介质渗透性试验研究

在核废料地下处置、能源地下储存和深埋地下工程中,低渗透率岩石的渗透性测试是难点问题.通过研制的低渗透率岩石渗透仪,在氮气形成稳态渗流的条件下,对锦屏大理岩进行渗透特性研究.比较气体渗流偏微分方程中考虑气体Klinkenberg效应的渗透率精确解和通过拟压力法得到的渗透率解,表明渗流偏微分方程中考虑气体Klinkenberg效应的计算方法在理论上和试验数据处理结果上更为优越.研究结果表明:(1) 低渗透率岩石渗透仪稳定、误差小,可以进行致密岩石的低渗透率测定;(2) Klinkenberg效应对低渗透率岩石的气体渗透影响显著,考虑Klinkenberg效应的数值模拟方法可以很好地模拟气体渗透;(3) 锦屏大理岩的渗透率为10-20 m2左右.     

地应力场中含瓦斯煤岩变形破坏过程中瓦斯渗透特性的试验研究

 利用典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿突出煤层原煤制备型煤试件,应用自行研制的含瓦斯煤样三轴瓦斯渗流试验装置,进行含瓦斯型煤试件的全应力–应变过程瓦斯渗透特性变化规律的试验研究。研究结果表明：恒定瓦斯压力时,在某一围压下,峰前渗流速度随轴向应力先减小后缓慢增大,到达峰值应力后,随轴向应力的减小而增大。全应力–应变过程曲线与渗流速度–轴向应变曲线具有较好的对应关系。煤样的峰值渗流速度随围压的增加而减小,呈现较明显的线性关系。对比试验表明,在一定的围压和瓦斯压力范围内,保持瓦斯压力不变增加围压可减小煤样渗透率,保持围压不变增加瓦斯压力可增大煤样渗透率。研究结果对于利用地应力场抽采瓦斯、通过瓦斯涌出量预测煤岩的变形破坏具有现实指导意义。     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

轴向应力加卸载过程含瓦斯水合物煤体渗透率变化规律研究EI北大核心CSCD

瓦斯水合固化及采掘扰动对瓦斯水合物–煤体介质体系渗透率影响是瓦斯水合固化防突技术应用的关键问题。为此,采用基于出口端流量的稳态法,利用应力–渗流–化学耦合作用含瓦斯水合物煤体三轴试验机,开展含瓦斯煤体渗透试验(3种含水率和3种粒度)及轴向应力加卸载过程含瓦斯水合物煤体渗透试验,分析水合物生成、加卸载过程有效应力及饱和度对煤体渗透率影响规律并初步探讨其影响机制。研究发现,瓦斯水合物形成后,煤体渗透率明显下降,降低幅度为79%~99%;含瓦斯水合物煤体渗透率与有效应力在加卸载过程符合指数函数关系,卸载过程渗透率变化存在3种模式,分别为少量恢复、部分恢复和卸载增透;加卸载过程含瓦斯水合物煤体渗透率损失率、损伤率均随饱和度增大呈增大趋势。试验发现,瓦斯水合物的形成堵塞煤体渗透通道,限制由瓦斯压力降低导致的瓦斯运移补充,有望快速降低瓦斯压力,缩短石门揭煤工期。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用

 介绍自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,该装置主要由伺服加载系统、三轴压力室、水域恒温系统、孔压控制系统、数据测量系统以及辅助系统等6个部分组成,其最大轴压为100 MPa、最大围压为10 MPa、最高加热稳定温度为100 ℃,试件尺寸为f 50 mm×100 mm。该装置具有如下特点：(1) 所进行的试验能反映地应力、瓦斯压力、温度等对含瓦斯煤渗透率的综合影响;(2) 实现伺服液压控制加载功能,能进行多种形式的加载;(3) 实现“面充气”,更加逼真地反映实际煤层瓦斯源的情况;(4) 设计有导向装置,实现加压活塞杆和支撑轴的对位,避免在加压过程中产生晃动,使得试件受压均匀而稳定;(5) 数据采集使用更加灵敏、精确度更高的各类传感器;(6) 设计有大型水域恒温系统,并安装有水域循环水泵,加热过程更加均匀;(7) 具有研究含瓦斯煤渗透性、变形特性等多种功能。采用该装置进行含瓦斯煤在不同围压、不同温度条件下的渗透试验,结果表明含瓦斯煤变形存在4个阶段,其抗压强度随着围压的增加而增大;含瓦斯煤渗流流量在应力–应变过程中存在阶段性变化且随着温度的升高呈现总体减小的趋势。该装置可用于含瓦斯煤热流固耦合渗流领域的研究,为进一步深层次揭示煤层瓦斯运移规律和研究煤层瓦斯抽采技术提供理论基础。     

三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型研究

为研究低渗煤岩在应力加卸载作用下损伤破坏过程渗透性变化规律,基于"立方体"结构模型,综合考虑三轴应力加卸载煤岩损伤、有效应力及吸附/解吸作用引起的煤岩割理与基质变形,建立三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型,并基于试验结果对渗透率模型进行验证。研究结果表明:(1)所构建的渗透率模型,不仅可以较好地反映三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率变化规律,而且也可以反映有效应力对损伤煤岩渗透率的影响远大于吸附解吸作用的规律。(2)当煤岩应力水平低于峰值强度时,在恒定围压、持续加轴压应力作用下煤体处于压缩状态,瓦斯渗透率降低;在卸围压、持续加轴压应力作用下,煤体内部开始产生损伤破坏,瓦斯渗透率缓慢上升;使得煤岩在加卸载失稳破坏前,瓦斯渗透率整体呈"V"字型发展趋势。(3)不同初始围压条件下,煤岩加卸载破坏失稳后渗透率增大程度随着初始围压的增大而增大;不同瓦斯压力条件下,煤岩的初始渗透率随着瓦斯压力的增大而增大。研究结果可以为我国采煤工作面瓦斯高效抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

低渗透岩石三轴压缩过程中的渗透性研究

 采用岩石全自动三轴伺服仪,对低渗透花岗岩进行考虑渗透水压作用的三轴渗流–应力耦合试验。基于试验结果,研究花岗岩在不同围压和渗压下的渗透特性,分析岩石应力、应变变化过程中渗透率随围压、渗压和体积应变的变化规律。试验结果表明：岩石的应力–应变关系具有典型的脆性特征,渗压相同围压不同时,岩石强度随围压增大而增加;围压相同渗压不同时,较低的渗压对低渗透岩石强度影响不明显。岩样体积应变经过压密和扩展2个阶段,最大体积压缩应变随着围压的增加而增加,而岩样渗透率最小值并未出现在最大压密处,而是出现在体积应变拐点前,约在最大压密体积应变的95%处,并给出渗透率与体积应变的关系式。     

Analysis of coupled gas flow and deformation process with desorption and Klinkenberg effects in coal seams

Coupled gas flow and solid deformation in porous media has received considerable attention because of its importance in pneumatic test analysis, contaminant transport, and gas outbursts during coal mining. Gas flow in porous media is quite different from liquid flow due to the large gas compressibility and pressure-dependent effective permeability. The dependence of gas pressure and gas desorption on gas permeability has a significant effect on gas flow, but has been ignored in most previous studies. Moreover, solid deformation has a direct impact on the porosity, which also leads to desorption or sorption of methane in the coal seam. In this study, a coupled mathematical model for solid deformation and gas flow is proposed and is implemented using a finite element method. The numerical code is used to solve the gas flow equation with Klinkenberg effect, and is validated by comparison with available analytical solutions. Then, it is used to simulate the coupled process during gas migration in a deformable coal seam. The numerical results indicate that the desorption and Klinkenberg effects and mechanical process effect make a significant contribution to gas flow in the coal seam. Without considering the desorption and Klinkenberg effects and the coupling action of mechanical process, the gas pressure in the coal seam would be underestimated.     

地球物理场中煤层气渗流控制方程及其数值解

 为探索地球物理场中原地煤层气运移能力对煤层气储集和富集能力的影响,以地应力场、地温场中煤层气连续性方程、气体状态方程、吸附方程、渗流方程为基础,建立了应力、温度影响下的煤层气渗流控制方程。方程体现了地应力和地温对煤层气压力、含量、渗透率和孔隙率的影响,其中,应力和温度通过影响煤层气压力影响吸附量,通过影响煤层气压力和孔隙率影响游离量;温度还通过影响吸附常数b影响吸附量;不同的应力、温度组合条件下,渗透率的变化机制不同。通过Kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度下煤的甲烷等温吸附实验、不同温度及有效应力下煤体中甲烷渗流实验以及煤的孔隙率、工业分析等实验,研究应力、温度影响下的煤层气渗流特征。不同温度下煤的甲烷等温吸附实验表明,吸附常数a随温度变化不明显,b随温度升高而下降;不同温度、不同有效应力条件下煤的甲烷渗流实验表明,小有效应力条件下,煤体中甲烷渗透率随温度升高而升高;大有效应力条件下,渗透率随温度升高而下降。以实验数据和原始地质资料为基础,采用有限差分法,进行了地球物理场中原地煤层气渗流运移能力的一维、二维数值模拟。计算表明：研究区现今原地煤层气渗流运移导致的煤层气散失甚微,低渗煤层具有良好的储集和富集能力,但不利于后期开采,卸除地应力和升高温度是提高煤层气抽采率的有效途径。     

不同含水饱和度低渗透岩石气体滑脱效应研究

低渗透岩石气体滑脱效应的研究是油气开采与存储领域十分重要的内容,但目前关于低渗透岩石气体滑脱效应的研究大多是在气体单相流下进行的,对于气–液两相流时,液体对气体滑脱效应的影响,所做的研究不足。因此,利用研发的低渗透岩石惰性气体渗透性测试系统,对含水饱和度为0~70%的低渗透砂岩,进行了不同含水饱和度的低渗透岩石气体滑脱效应及有效渗透率变化规律的研究,试验结果表明:(1)二次公式k_g=k_∞(1+b/q-a/p~2)可以较为准确的解释低渗透岩石的气体滑脱效应,准确性明显高于Klinkenberg公式。(2)含水饱和度对低渗透岩石的气体滑脱效应有明显影响,气体滑脱效应随着含水饱和度增大而减少,在含水饱和度超过50%时,气体滑脱效应几乎完全被限制。(3)由于水的作用,含水的低渗透岩石随着围压增大,气体滑脱效应减少,这与克氏理论的结论相反。(4)含水饱和度对低渗透岩石的有效渗透率影响显著,随含水饱和度的增大有效渗透率减少,且围压越大,低渗透岩石的有效渗透率对含水饱和度变化越敏感。(5)低渗透岩石的有效渗透率与含水饱和度符合幂函数关系,即k_∞=k_0(1-S_w)~c。     

不同渗透压力下盐岩的渗透率测试研究

地下盐腔被广泛应用于核废料地下处置、石油天然气地下储存和二氧化碳封存,由于盐岩的低渗透性,目前很难通过试验获得其渗透率。通过稳态法对3种不同成分盐岩进行渗透特性试验研究,获得盐岩的渗透参数,并对拟压力法和考虑克氏效应的2种渗透率计算方法的结果进行对比研究。结果表明：(1) 盐岩的渗透率与孔隙度极低,孔隙度为0.3%～3.0%,纯盐岩渗透为10－20 m2左右,而含杂质盐岩渗透率更低,为10－20～10－21 m2;(2) 对盐岩的气测渗透率进行测试,进气压力为1～5 MPa时,Klinkenberg 效应影响明显,当渗透力超过5 MPa后,岩体在渗透力作用下会产生损伤,渗透率升高;(3) 通过对比,考虑Klinkenberg效应的方法较拟压力法在盐岩渗透率计算中更为理想。     

水分对煤体瓦斯吸附及径向渗流影响试验研究

 为了解水力化钻孔周围煤体瓦斯径向渗流特性,利用自行研制的径向瓦斯渗流试验系统,对青东煤矿突出煤层试样,进行干燥煤样、液态水润湿煤样、吸附瓦斯后高压注水煤样的等温解吸及径向稳态渗流试验。结果表明：(1) 相同平衡压力下,高压注水煤样等温吸附量高于干燥煤样,均显著高于液态水润湿煤样的吸附量。(2) 随含水率增加液态水润湿煤样等温吸附量逐渐降低,呈对数函数关系,得出各系数随吸附压力变化的拟合函数。(3) 相同覆压下,高压注水煤样瓦斯渗透率显著高于干燥煤样渗透率,液态水润湿煤样渗透率略低于干燥煤样渗透率;且液态水润湿煤渗透率随含水率增加而降低,在低瓦斯压力阶段尤为显著。根据试验结果分析水分对径向瓦斯渗流特性的影响机制,并指出水力化钻孔径向瓦斯流动经过原始解吸渗流区、压力水抑制解吸渗流区、液态水自然润湿解吸渗流区3个区域。     

流固耦合作用下深部煤层气井群开采数值模拟

针对深部煤层处在较高地应力和孔隙压力环境下，煤层渗透率降低和瓦斯运移表现出非达西渗流及受煤岩体变形耦合作用明显的特点，建立反映深部低渗透煤层特征和瓦斯流动特性的气水两相流流固耦合模型。以耦合模型为基础，通过数值模拟对深部低渗透井群开采煤层气进行较系统地研究，得到不同渗透率和不同井群间距条件下开采煤层气的储层压力、气和水产能大小、压降漏斗、水饱和度、甲烷浓度和井群干扰的变化规律，考虑较高地应力储层变形影响的流固耦合模型的模拟结果比不考虑耦合作用的结果偏小，对于深部煤层气开采必须重视耦合作用对产量造成的不利影响，制定合理的生产制度和布井方案，尽可能保证储层渗透特性受弱化的程度最小。研究成果对深部低渗透煤层气开采有重要意义。     

考虑Klinkenberg效应的压实膨润土渗气特性研究

利用非饱和三轴渗气仪研究了压实高庙子膨润土的渗气特性。发现当渗气系数小于10~(-14) m~2时,压实膨润土中的Klinkenberg效应较为显著,渗气系数会随气压力的增大而降低;气体滑脱因子随Klinkenberg渗气系数与体积含气率之比的变化满足幂函数关系,试验得到的二者之间关系与干密度、含水率无关,并与Klinkenberg理论模型相近;Klinkenberg渗气系数与体积含气率在双对数坐标中呈线性关系,其斜率与含水率基本无关。基于试验规律,建立了考虑Klinkenberg效应的高庙子膨润土非饱和渗气系数的数学模型。     

蠕变对含瓦斯煤渗透率影响的试验分析

 以重庆市松藻煤电公司石壕矿原煤制备的型煤试样为研究对象,设计含瓦斯试样的三轴蠕变及渗流试验方法和步骤。利用试样瓦斯渗透仪试验装置,在不同温度条件及不同有效应力水平下,对型煤试样进行三轴蠕变及渗透性试验,获得大量蠕变前后不同有效应力和不同温度条件下的渗流试验数据,研究蠕变对试样渗透率的影响规律。研究结果表明：在相同温度与有效应力条件下,蠕变后试样渗透率降低,下降幅度为25.2%～38.7%;在三轴应力条件下,随着有效应力增大和温度升高,蠕变前后试样渗透率逐渐降低,探讨两因素对渗透率的影响机制;定义渗透率损伤率来表示蠕变使得试样渗透率减小的程度,当温度一定时,渗透率损伤率与有效应力符合线性关系,该渗透率损伤率随有效应力增加而增加,且温度越高,增加的速率越大;在不同温度及有效应力耦合作用下,蠕变对渗透率的影响程度不同。研究结果对进一步认识瓦斯运移规律具有一定的意义。     

低渗煤储层气体滑脱效应试验研究

 在千米深度下赋存煤层气的煤层是致密的多孔介质,煤层的渗透率低,对于致密的多孔介质渗流,滑脱效应十分显著,而滑脱效应又可以增加煤储层的渗透性能。采用试验研究的方法对吉林和阜新两地的低渗煤样进行滑脱试验,研究围压和孔隙对煤层气滑脱效应的影响,分析不同围压和孔隙水压力下滑脱渗透率对气体渗透率的影响,找到滑脱效应对不同低渗储层气测渗透率的有利影响的围压范围,验证低渗煤样中气体滑脱效应存在的普遍性。对弄清煤体内部结构特性和煤层气在煤层中的滑脱流动机制,实现低渗储层煤层气工业化开采具有一定的理论价值。