水—煤层气在低渗透煤层中运移规律的数值模拟研究

论文摘要

煤层气作为一种洁净的新能源,具有广阔的开发前景。由于我国煤层多为低渗透煤层,且大部分煤层含水,而水的存在直接影响了煤层气的产出率,因此对水-气两相流在煤层中的耦合运移研究显得尤为重要。本文采用实验室实验与数值模拟相结合的方法,对水-气两相流的渗流机理、影响因素、数学模型等进行了进一步的研究,其结果表明:随煤样围压的增大或含束缚水饱和度的增加,均使气体流量减小,气体渗流的非线性部分有增大的趋势;当煤层中产生自由移动水时,随含水饱和的增加,气体、水的相对渗透率分别呈指数形式衰减和递增。在建立了气-水两相流在煤层中运移的控制方程基础上,应用COMSOL Multiphysic软件对水-气两相流在煤层中的运移规律进行了模拟分析,其结果与选取的现场实测数据吻合性较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本文研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 煤层气运移的实验研究现状
• 1.2.2 煤层气运移的机理研究现状
• 1.2.3 煤层气渗流数学模型及数值模拟研究现状
• 1.3 本文的研究内容及技术路线
• 1.3.1 本文的研究目标
• 1.3.2 拟解决的关键问题
• 1.3.3 本文的技术路线
• 2 水-气两相流的渗流规律实验研究
• 2.1 煤储层双重介质结构
• 2.1.1 储气层基质孔隙特征
• 2.1.2 储气层裂隙特征
• 2.2 气-水两相流运移规律研究
• 2.2.1 达西定律
• 2.2.2 Klinkenberg
• 2.2.3 启动压力梯度效应
• 2.2.4 扩散效应
• 2.2.5 “水锁”效应
• 2.3 水-气两相流体渗流规律实验研究
• 2.3.1 实验的原理及理论依据
• 2.3.2 实验装置及实验方法
• 2.3.3 实验仪器
• 2.3.4 实验步骤
• 2.3.5 实验煤样参数
• 2.3.6 实验结果分析
• 3 水-气两相流固耦合渗流模型的建立
• 3.1 基本假设条件
• 3.2 水-气两相流渗流控制方程
• 3.2.1 煤颗粒表面解吸过程的解吸方程
• 3.2.2 基质系统向裂隙系统扩散过程的 Fick 扩散定律
• 3.2.3 气-水两相流渗流的运动方程
• 3.3 辅助方程和状态方程
• 3.4 煤岩变形场方程
• 3.4.1 太沙基有效应力原理
• 3.4.2 煤岩变形场方程
• 3.4.3 流场与变形场的耦合媒介
• 3.5 流场与变形场定解条件
• 3.5.1 渗流场的定解条件
• 3.5.2 煤岩变形场的定解条件
• 4 水-气两相流在煤层中运移的数值模拟研究
• 4.1 COMSOL Multiphysic 简介
• 4.2 模型的选取
• 4.3 水-气两相流运移的定解条件
• 4.4 模拟求解参数
• 4.5 模型求解及结果分析
• 4.5.1 有效饱和度变化规律的模拟
• 4.5.2 水-气两相流相对渗透率变化规律的模拟
• 4.6 气-水两相流渗流速度分析
• 5 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间已发表的学术论文及科研成果