井下煤层气抽采产能预测模型研究

论文摘要

井下煤层气的抽采不仅是治理煤矿瓦斯灾害的有效方法,同时也是煤层气资源开发的一种不可或缺的方式。2007年,我国井下煤层气的抽采量已经达到4.4×1010m3,但井下煤层气开发始终形不成一个稳定的、规模发展的产业链,这与井下煤层气供气量的稳定性有相当大的关系,要解决井下煤层气供应量的稳定性,必须要有一定储量的煤炭资源和煤层气资源。我国煤炭资源和煤层气资源相当丰富,已经具备了煤层气的资源条件,但尚需解决的是煤炭采（掘）前煤层气预抽产能的预测问题,即:1)在预期的抽采时间内,从一定的煤炭资源里可以采出多少煤层气资源?2)如何确定达到国家相关标准所规定的矿井抽采基本条件所需的抽采钻孔工程量、抽采时间以及相应的抽采钻孔的合理布置方式?这两方面的问题即是产能预测所需要解决的问题,只要解决了产能预测的问题,就可以对特定区块的煤层气资源进行有序开发,即可提供稳定的气量,为煤层气链条产业的发展提供有保证的物质基础,同时又可为井下煤层气抽采钻孔的合理布置、提高抽放效果、缩短抽放时间提供依据,进而实现矿井的安全生产。煤层气渗流理论已经有了很大的发展,许多学者对煤层气的渗流也进行了大量的研究,但有关井下煤层气产能预测方面的研究较少。1)大部分学者仅仅对单孔煤层气抽采量进行了许多研究工作,但对抽采钻孔组（群）的产能预测研究较少;2)传统的煤层气抽采模型是建立在抽采过程中渗透率不变的情况下,但根据现场生产实际表明,在抽采过程中煤层的渗透率是不断变化的,现有模型不能够满足生产实际;3)对抽采范围影响因素的研究较多,但有关抽采影响范围随时间的变化规律没有一个明确量化的方法。本论文针对目前产能预测中存在的问题,以达西渗流定律为基础,建立了抽采过程中渗透率变化的井下煤层气产能预测模型,并采用数值模拟的方法对井下煤层气抽采钻孔组（群）的产能进行了预测、研究。本论文主要的工作和结论如下:1)建立了在煤层气抽采过程中,抽采影响半径和渗透率变化规律的模型;2)在达西定律的基础上,建立了煤层气运移的数值模型,并进行了解算;3)编制开发了煤矿井下煤层气抽采数值软件;4)对井下抽采钻孔组（群）的产能进行了预测、分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 课题研究的目的
• 1.3 煤层气（瓦斯）流动理论研究概况
• 1.3.1 线性瓦斯流动理论
• 1.3.2 非线性瓦斯流动理论
• 1.3.3 地球物理场效应的瓦斯流动理论
• 1.3.4 多煤层系统瓦斯越流的流固耦合理论
• 1.4 煤层气产能预测国内外研究现状
• 1.4.1 国外研究进展
• 1.4.2 国内研究进展
• 1.5 存在的问题及研究内容
• 1.5.1 存在的问题
• 1.5.2 本文的主要研究内容
• 1.6 本文的研究方法和技术路线
• 2 抽采过程中煤体渗透率的变化规律
• 2.1 抽采过程中煤体的变形规律
• 2.1.1 含煤层气煤的变形特性
• 2.1.2 煤吸附煤层气后发生的应力变化特征
• 2.1.3 有效应力对煤体变形的影响
• 2.1.4 抽采过程中煤体的变形规律
• 2.2 煤层气抽采过程中渗透率的影响因素及变化规律
• 2.2.1 有效应力变化对煤层渗透率的影响
• 2.2.2 煤基质收缩对煤层渗透率的影响
• 2.2.3 Klinkenberg效应对煤层渗透率的影响
• 2.2.4 煤层气抽采过程中渗透率的变化规律
• 2.3 本章小结
• 3 煤层气产能预测模型的建立
• 3.1 煤层气渗流场方程
• 3.2 井下煤层气抽采钻孔的物理模型及定解条件
• 3.2.1 井下煤层气抽采钻孔的物理模型
• 3.2.2 井下煤层气抽采钻孔的定解条件
• 3.3 抽采影响半径随时间的变化规律
• 3.3.1 钻孔抽采特征分析
• 3.3.2 影响抽采影响范围的因素
• 3.3.3 抽采影响半径随时间变化规律的研究
• 3.4 本章小结
• 4 煤层气产能预测模型的数值解法及程序设计
• 4.1 离散化和有限差分法
• 4.2 煤层气渗流方程的差分离散
• 4.3 计算程序框图
• 4.4 程序设计
• 4.5 本章小结
• 5 井下煤层气抽采数值模拟结果分析
• 5.1 抽采产能预测
• 5.1.1 数值模拟结果
• 5.1.2 一定抽采时间煤体内煤层气压力的分布情况
• 5.1.3 顺层钻孔抽采产能的预测
• 5.1.4 穿层钻孔抽采产能的预测
• 5.1.5 现场应用
• 5.2 煤层气残余含量随时间的变化关系
• 5.3 抽采过程中煤层渗透率变化规律
• 5.4 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢