考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型

为更准确反映抽采过程中的煤层瓦斯(甲烷)运移过程,将煤岩视为孔隙-裂隙双重结构、双渗透率非均匀弹性介质,考虑基质瓦斯渗流作用,结合地下水、瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形和渗透率演化等因素的耦合作用,建立考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型;数值模拟地面瓦斯抽采过程,分析煤层瓦斯运移规律和基质渗流作用对瓦斯抽采的影响。研究表明:基质瓦斯和裂隙瓦斯的压力均随时间的增加而降低,两者差值先增大后减小;在模拟工况下,单位时间内基质瓦斯渗流量仅占流入裂隙瓦斯量的0.5%。基质渗流对瓦斯抽采的产能及储层压力有影响;考虑基质瓦斯渗流的双孔隙双渗透率模型预测的产气速率和储层压力下降幅度均小于双孔隙单渗透率模型。     

寺家庄井田煤储层渗透率表征方法优选

煤储层渗透率是影响瓦斯抽采与煤层气开发的重要参数,快速评价不同结构煤体的渗透率对指导现场工作有重要意义。以寺家庄井田为例,为了优选出表征煤储层渗透率的合适方法,通过裂隙分形维数、声波速度和地质强度指标(GSI)对煤体结构进行定量表征,测试其渗透率,依据表征的难易程度和二者拟合系数进行对比。结果表明:裂隙分形维数与渗透率相关性显著,但是操作较为繁琐且不适用于软煤;声波速度法操作简单,但与渗透率关系不明显;地质强度指标与渗透率具有显著的相关性,操作简单,适用于所有煤体结构。因此,寺家庄井田煤储层渗透率表征的最佳方法为地质强度指标法。     

穿层预抽钻孔倾角与煤层气抽采效果关系的研究

为研究穿层钻孔倾角与煤层气抽采效果的关系,基于钻孔围岩应力分布规律及瓦斯流动规律的相关研究,分别从孔卸压效果、钻孔瓦斯流动情况及钻孔抽采长度三方面探讨了钻孔倾角如何影响煤层气抽采效果,并给出了钻孔倾角对煤层气抽采影响的数学模型。经理论分析及现场试验对比,结果表明:钻孔围岩应力和钻孔倾角间存在三角函数关系,围岩应力分布的不同导致钻孔周围煤层透气性的改变;随钻孔倾角的减小,煤层段钻孔长度增加,钻孔暴露煤体增大,有助于煤体瓦斯的解析。且钻孔与煤层割理交集变大,瓦斯流通通道增加;钻孔倾角对煤层气抽采效果有着不可忽视的作用。     

滑脱流动影响的低渗储层甲烷运移采出规律研究

为了达到低渗储层甲烷抽采过程甲烷采井优化设计和产能准确预测的目的,基于现场测井数据,采用非线性流体数值计算方法,以柳林煤层甲烷试验采区为例,对滑脱流动影响的煤层甲烷采场压力非线性分布和产能预测进行研究。数值计算结果表明:低渗储层甲烷运移采出受气体滑脱流动影响显著,考虑滑脱流动影响时,采场压力衰减区域变大,气体速率变快;对比测井产能历史拟合数据发现,计算所得的滑脱流动影响的产能预测值更加准确。由计算结果验证了单井开采具有采场压力影响范围较小,产能较低等缺点,并得出五采出四压裂的布井方式是既能够准确预测产能又能够更好避免井间干扰效应的最优布井方式。     

基于灰关联分析的顺层钻孔瓦斯抽采有效半径主控因素研究

基于顺层抽采钻孔固气耦合模型,采用COMSOL对钻孔直径、煤层物性参数及抽采参数三类因素进行了模拟分析,并运用灰关联分析方法确定了顺层钻孔瓦斯抽采有效半径的主控因素。研究表明:煤层初始瓦斯压力与煤体初始渗透率为有效半径的主控因素,抽采时间次之,钻孔直径与有效抽采负压的变化对有效半径的影响甚微;提高瓦斯抽采有效半径的首要任务是通过技术手段卸压、增透,其次要把握合理的预抽时间。     

煤与煤层气协调开采的含义及关键问题定量分析

首先介绍人们对煤层气(煤矿瓦斯)的能源价值及其温室效应的认识过程;接着从我国煤与煤层气两种资源开采过程中的一些矛盾引出协调开采问题;然后从采气对采煤的影响和采煤对采气的影响两方面深入探讨煤与煤层气协调开采的含义,即对煤矿区煤层气与煤炭资源统一编制开发利用方案,在追求地面井抽采综合经济效益的同时尽可能减小对后续煤炭资源安全开采的不利影响,在充分利用井巷工程进行井下抽采的同时尽可能提高抽采量、抽采浓度,在保障安全和资源回收率的前提下使煤层气地面井抽采、井下抽采与煤炭资源开采的综合经济效益最大化;最后,对煤层气抽采的几个关键问题做定量分析,包括平行钻孔煤层气抽采率的理论计算,根据回采工作面瓦斯浓度不超限与煤巷掘进过程中不发生煤与瓦斯突出的条件反求预抽煤层气允许的残余含量等,其结果可用于煤与煤层气协调开采设计、评估等定量计算。     

考虑支撑剂嵌入作用的煤岩渗透率模型

为研究煤层气抽采过程中支撑剂和应力耦合作用下的渗透率演化机制,利用吸附理论建立煤岩吸附变形方程,进一步构建考虑支撑剂和应力影响的渗透率模型,并通过试验数据验证其合理性。结果表明:煤岩吸附量与孔隙压力呈正相关的关系,其吸附变形也具有相同变化趋势;嵌入支撑剂的煤岩渗透率远大于常规储层,其中单层砂的增透效果最佳;随有效应力增大,煤岩渗透率呈指数函数形式减小;随孔隙压力的增大,煤岩渗透率呈先减小后趋于平缓的趋势;利用改进的理论模型拟合曲线,其中实测值与模型计算值基本吻合。     

数值模拟结合SF_6示踪法确定煤层钻孔瓦斯抽采有效半径

为准确确定煤层钻孔的瓦斯抽采有效半径,实现最优钻孔设计及最佳抽采效果,根据煤层瓦斯流动理论与煤岩体变形理论,建立钻孔抽采煤层瓦斯的气固耦合数学模型。并利用COMSOLMultiphysics软件,模拟SF6气体在瓦斯渗流场内的运移过程。利用SF6气体示踪法进行现场测试。依据相似定律,结合模拟与实测结果确定钻孔抽采有效半径的范围。以黄陵集团一号煤矿306工作面为例进行试验研究。试验结果表明,模拟结果与实测结果基本吻合;在钻孔直径为94 mm,抽采负压为15 kPa的条件下,预抽30天后,试验工作面抽采有效半径为5.88 m。     

基于褶皱中和面的煤层气藏类型

为了指导煤层气目标区优选和勘探开发,厘清褶皱构造控制的煤层气藏富集规律.通过对褶皱中和面上下煤岩层的应力与应变特征的研究,结合煤层气成藏机制,系统分析了褶皱中和面上下煤层气藏储层应力性质、渗透率、气藏边界和盖层条件,得出了褶皱中和面上下煤层背斜与向斜煤层气藏的赋存规律.将褶皱构造控制的煤层气藏划分为向斜上层聚集低渗型、向斜下层高渗运移型、背斜上层逸散型和背斜下层富集型4种类型,并引用相应类型实例进行了验证.     

型煤峰后渗透特性试验研究

煤层瓦斯渗透率是瓦斯（煤层气）抽采的重要指标之一,通过渗流模拟-吸附解吸试验装置,研究了型煤煤样在不同围压作用下破碎后卸载轴压围压过程中,以及加载至二次破坏过程中煤样渗透率随应力的变化情况。试验表明:型煤峰值强度后的渗透率较初始状态有所增大,峰值强度后卸载围压和轴压,其渗透率均增大。其后,给煤样固定一个围压加载轴压使煤样发生二次破坏,渗透率先减后增,整体呈U型趋势,且煤样发生二次破坏过程中的渗透率整体上要大于初次破坏过程中的渗透率,通过试验研究为矿井瓦斯抽放和煤层气开采提供了一定理论基础。     

多分支水平对接井瓦斯产量预测与参数优化

为增强多分支水平对接井对煤层瓦斯(甲烷)治理效果,提高瓦斯抽采率,采用流体力学、渗流力学相关理论构建多分支水平对接井产量预测模型。以沙曲矿工程地质条件为背景,验证模型的有效性,研究多分支水平井井筒单位长度瓦斯流入量分布情况,分析钻井的形态结构对其产量的影响。结果表明:多分支水平井主井瓦斯流入量呈U型分布,交汇点处瓦斯流入量呈下凹趋势,分支井瓦斯流入量随距交汇点的距离增加而增加;在相同进尺和夹角的情况下,非对称结构钻井比对称结构钻井产量高,增加分支井筒数目,钻井产量减小;钻井产量随着主井和分支井的夹角增大而增高,但增幅不断下降。     

贵州煤层气钻孔抽采数值分析

论述了影响煤层气钻孔抽采的因素,对煤层气钻孔抽采进行数值分析,研究煤层气钻孔抽采时煤层气运移规律,结合实例验证煤层气钻孔抽采作用机理,为加快煤层气钻孔抽采新工艺研发速度,提高煤层气钻孔抽采效率提供参考。     

煤层气开采过程中渗透率模型比较研究

为了得到煤层气开采过程中渗透率的准确预测模型，分析了不同泊松比和孔隙压力下的储层孔隙率变化规律，通过理论分析对4种经典渗透率模型进行了比较研究。研究结果表明: P&M模型和C&B模型对泊松比敏感度较小，改进P&M模型和S&D模型对泊松比敏感度较大；改进P&M模型能有效反映渗透率变化趋势，在p＜1.4 MPa和p＞4.1 MPa时k/k0数值拟合度较高；P&M模型和S&D模型不能准确描述p＜1.4 MPa时k/k0变化情况，而在p＞1.4MPa时k/k0数值拟合度较高；煤层渗透率随孔隙压力增大表现为“U”型趋势，包含低孔隙压力骤减区、中孔隙压力稳定区和高孔隙压力稳步升高区3个阶段，改进P&M和S&D模型更能表现煤层气渗透率随孔隙压力变化趋势。     

气-固耦合作用下煤层气注热开采热量迁移规律数值模拟

为获取气固耦合作用下煤层气注热开采过程热量分布规律,探究煤层内气-固体系吸热量的影响因素,采用自行研制的三轴煤层气解吸热量测试验装置,在实验室中对柱状原煤进行了不同轴、围压条件下煤体甲烷解吸过程温度及热量变化测定,利用温度补偿原理获取了解吸热与解吸量关系理论模型,利用COMSOL Multiphysics软件进行了煤层气注热开采过程热量迁移规律数值模拟.结果表明:解吸热随解吸量呈指数增长趋势;模拟结果显示井间距为60 m时相较于40 m时煤层吸热量更快达到稳定,吸附气体吸热量升高持续时间为井间距40 m时的1.9倍;解吸热量在注热温度为593 K时较注热温度为493 K时增加15.97％,且达到最终解吸热量稳定时间减少21.4％.对比分析得到,在单井注热开采条件下,增大井间距和提高注热温度均可以不同程度影响热量在煤层中迁移、增大解吸热量并促进解吸作用,进而大幅度提升煤层气井筒累计产量.研究结果可为低渗透储层煤层气高效安全开采及煤层气注热开采工艺方案优化提供理论支撑.     

高瓦斯低透气性煤层CO_2相变致裂增透技术研究北大核心CSCD

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效果差,且炸药爆破增透存在危险性大等问题,采用理论分析与计算、数值模拟及现场实验等方法,分析了液态CO_2致裂增透煤层原理及煤层损伤,计算了液态CO_2致裂当量,模拟优化了关键部件释放管几何类型及参数,研究了相变致裂点数对致裂效果的影响。结果表明:CO_2相变致裂利用高压气体冲击破碎煤岩体,增强了煤岩层的裂隙发育及透气性;1 kg液态CO_2相变致裂爆炸的当量相当于398 g TNT炸药;关键部件释放管最优结构为空心圆柱结构,最优长度18 mm,最优直径24 mm,最优压力276 MPa;瓦斯抽放影响半径与致裂管数满足三次函数关系,单孔一点致裂方案能够实现增透促抽;致裂后增透促抽瓦斯效果显著,为安全高效抽采瓦斯提供了有效的技术支撑。     

薛湖矿二_2煤顺层钻孔瓦斯抽放的数值模拟与分析

针对我国煤矿绝大部分煤层属于渗透率低,地质条件复杂、瓦斯抽采效果差的特点,运用了FLUENT仿真软件,结合渗流力学理论,以薛湖矿二2煤层为工程背景,模拟顺煤层钻孔抽采的煤层压力、煤层渗透率、抽采负压、钻孔直径、抽采时间等因素,分析顺煤层钻孔瓦斯抽采规律,为类似顺煤层钻孔抽采设计提供科学依据;通过三种尺寸顺层钻孔工业实验,并从施工难易程度和经济效果以及抽放率的角度,确立了采用Φ75mm钻孔的抽放工艺;同时采用高压注水增大煤层透气性的方式进一步提高煤层瓦斯的抽放量。     

高瓦斯低透气性煤层CO_2相变致裂增透技术研究

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效果差,且炸药爆破增透存在危险性大等问题,采用理论分析与计算、数值模拟及现场实验等方法,分析了液态CO_2致裂增透煤层原理及煤层损伤,计算了液态CO_2致裂当量,模拟优化了关键部件释放管几何类型及参数,研究了相变致裂点数对致裂效果的影响。结果表明:CO_2相变致裂利用高压气体冲击破碎煤岩体,增强了煤岩层的裂隙发育及透气性;1 kg液态CO_2相变致裂爆炸的当量相当于398 g TNT炸药;关键部件释放管最优结构为空心圆柱结构,最优长度18 mm,最优直径24 mm,最优压力276 MPa;瓦斯抽放影响半径与致裂管数满足三次函数关系,单孔一点致裂方案能够实现增透促抽;致裂后增透促抽瓦斯效果显著,为安全高效抽采瓦斯提供了有效的技术支撑。     

煤层双重介质模型及瓦斯抽采合理布孔间距研究

为使瓦斯抽采效果在技术、经济方面达到最佳,研究了瓦斯抽采过程中煤层瓦斯的运移规律和钻孔的合理布孔间距。将煤层视为双孔隙双渗透率弹性介质,推导了煤基质、裂隙渗透率演化方程,综合考虑了瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形等因素的影响,建立了煤层双重介质流固耦合模型,并进行了钻孔瓦斯抽采模拟,分析了钻孔间距对瓦斯抽采的影响。结果表明:不同钻孔间距的瓦斯压力随抽采时间的增加先快速下降再趋于平缓,且钻孔间距越小,瓦斯压力下降越快;随着钻孔间距的增大,O点消突时间逐渐增加,与钻孔间距呈二次方关系;现场试验与模拟结果基本吻合,钻孔间距5 m时瓦斯抽采效果最佳。     

钻孔瓦斯抽采气固耦合模型及其应用

为研究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯运移机制,基于瓦斯渗流扩散方程,探讨钻孔周围不同区域煤体变形和渗透率动态变化,推导出钻孔周围卸压区和非卸压区瓦斯流动耦合方程。根据某矿己15-31010工作面煤体物性参数建立几何模型,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对耦合方程进行数值求解。结合模拟结果分析煤体形变、渗透率动态变化、钻孔周围瓦斯压力之间的耦合关系。对相关参数模拟结果进行现场抽采效果验证。结果表明,在瓦斯抽采过程中,煤体瓦斯压力随着时间推移逐渐降低,沿钻孔中心向四周方向,瓦斯压力在卸压区迅速增加,在非卸压区增速逐渐变缓,最终趋于稳定;煤体渗透率在钻孔周围呈现非对称V字型变化规律;卸压区的煤体变形较大,变形量在远离钻孔的方向上逐渐减小;模拟结果与现场抽采效果基本吻合。     

煤层渗透率各向异性对钻孔瓦斯抽采的影响

为揭示渗透率各向异性对钻孔瓦斯抽采的影响,假设煤层是一种孔隙-裂隙结构的弹性连续介质,构建各向异性渗透率方程;基于多物理场耦合理论,建立考虑气-水两相流的煤层流固耦合模型,结合试验测得的煤层不同方向上的渗透率,模拟确定煤层瓦斯抽采的合理钻孔间距和钻孔布置方向。结果表明:由于渗透率各向异性,在钻孔附近形成椭圆形的压降区域,该区域向煤层边界扩展,逐渐变为鼓形;在模拟工况下,抽采120天内达标的合理钻孔间距应为2.346~2.598 m;钻孔与最大渗透率方向的夹角越大,瓦斯抽采量越大,钻孔布置方向与煤层最大渗透率方向应保持较大夹角。