多井开采条件下煤层气渗流数值模拟
《2024年煤层气定向羽状水平井开采数值模拟方法研究》范文
《煤层气定向羽状水平井开采数值模拟方法研究》篇一一、引言随着能源需求的增长和传统能源资源的日益枯竭，煤层气作为一种清洁、高效的能源资源，其开采技术及开采效率成为了国内外学者研究的热点。
煤层气定向羽状水平井技术作为一项新兴的开采技术，以其高效、低成本等优点受到了广泛的关注。
然而，煤层气赋存条件的复杂性以及地质环境的多样性使得其开采过程存在诸多不确定性。
因此，对煤层气定向羽状水平井开采进行数值模拟方法的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、煤层气概述煤层气是一种主要存在于煤层中的天然气资源，其成分以甲烷为主。
煤层气的开采对于提高煤炭采出率、减少矿井瓦斯事故、保护环境等方面具有重要意义。
然而，煤层气的赋存条件复杂，且常伴随着煤层渗透性差、储层压力低等问题，使得其开采难度较大。
三、定向羽状水平井技术定向羽状水平井技术是一种新型的煤层气开采技术，其通过在煤层中钻设多条水平分支井眼，形成羽状井网，以提高煤层气的采收率。
该技术具有以下优点：一是能够适应煤层非均质性的特点，提高采收率；二是可以降低开采成本，提高经济效益；三是能够减少对环境的影响。
四、数值模拟方法研究针对煤层气定向羽状水平井开采过程，本文提出了一种基于有限元方法的数值模拟方法。
该方法通过建立煤层气的流动模型、储层模型以及生产模型，对煤层气的流动规律、储层特性以及生产过程进行模拟。
具体步骤如下：1. 建立煤层气的流动模型。
根据煤层气的赋存条件、流动机理以及储层的非均质性等特点，建立煤层气的流动方程。
2. 建立储层模型。
根据地质资料和现场试验数据，确定储层的物理参数（如孔隙度、渗透率等），并建立储层的数值模型。
3. 建立生产模型。
根据定向羽状水平井的生产过程，建立生产模型，包括井眼轨迹、产量预测等。
4. 数值模拟。
利用有限元方法对建立的流动模型、储层模型以及生产模型进行数值模拟，得到煤层气开采过程中的压力分布、流量变化等数据。
5. 结果分析。
根据数值模拟结果，分析煤层气开采过程中的问题及优化措施，为实际开采提供指导。
致密煤层气藏三维全隐式数值模拟
产 气 高 峰 的 到 来 。对 比该 井 的 开 采 资 料 ， 拟 结果 是 合 理 的 ， 型能 正 确 反 映致 密 煤 层 气 藏 中流 体 的运 移 特 征 。 模 模
其 中 ， 一Ｐ ～７ｌ ，ｚ ， 。 ｉ —ｇ
在 煤 层 气藏 排 水 降压 开 采 过程 中 ， 着储 层 压 随 力 的下 降 ， 层 煤 体 承 受 的 有 效 应 力 大 幅度 增 加 。 储 而随着 有效 应力 的增 加 ， 隙宽度 变小 ， 裂 导致 渗透 率 降低 。如 果仅考 虑 有效 应 力 的 压 缩效 应 ， 用如 下 采
层 在原 始状 态 下 １ ０ 被 水 所 饱 和 ， 含游 离气 及 ０ 不 溶解 气 ； 考虑 重力 、 毛管 压力 的影 响 以及 流体 的可压
附状 态储 集在 基质 微 孔 隙 中 ， 且煤 层 气 的开 采 是 而 通过 排水 降压 实现 的 ， 水 饱 和 度 一 直处 于 较 高 的 含 水平 。任 晓 娟 等 （ ９ ７ 、 凡 等 （ ０ １ 、 克 明 等 １９ ） 吴 ２０ ） 周 （０ ３ 通 过 对 低 渗 透 气 藏 气 体 渗 流 特 征 的研 究 表 ２ ０） 明： 当含 水饱 和度 较高 时 ， 渗透 气藏存 在启 动 压力 低 梯度 。李 允等 （ ０ ４ 分 析启 动压 差 、 形 介 质 和 滑 ２０ ） 变 脱 效应对 低渗 气藏 渗 流 规 律 的影 响 时 ， 认 识 到 束 也
层 气渗 流 问题 的数 值模 拟 。我 国煤 层 普遍存 在 低渗
煤层气数值模拟技术进展
该案例通过建立煤层气生产模型，利用数值模拟技术预测了煤层气的产量。通过模拟，发现不同开采 条件和工艺对煤层气产量有显著影响。根据预测结果，制定了相应的生产计划和决策，为提高煤层气 产量和经济效益提供了重要支持。
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03 煤层气数值模拟技术的应 用
煤层气的储层描述
储层参数确定
通过数值模拟技术，可以确定煤层气 的储层参数，如孔隙度、渗透率、含 气量等，为后续的开采方案设计提供 基础数据。
储层非均质性分析
煤层气的储层存在非均质性，数值模 拟技术可以对这种非均质性进行分析 ，了解其对煤层气开采的影响。
煤层气的开采方案设计
井网优化
通过数值模拟技术，可以对煤层气的开采井网进行优化设计，确定最优的井位、 井间距和井深等参数。
排水采气方案设计
数值模拟技术可以模拟不同排水采气方案的效果，为实际开采提供参考。
煤层气的生产动态预测
生产动态预测
通过数值模拟技术，可以对煤层气的 生产动态进行预测，了解不同开采阶 段的生产情况。
优化开采策略
型。
煤层气吸附模型
基于物理化学原理，建立煤层 气在煤颗粒表面的吸附模型， 包括Langmuir模型和 Freundlich模型等。
煤层气解吸模型
基于物理化学原理，建立煤层 气从煤颗粒表面解吸的模型， 包括扩散模型和动力模型等。
煤层气扩散模型
基于物理化学原理，建立煤层 气在煤层中的扩散模型，包括 Fick扩散定律和Dufour扩散定
目前，基于高性能计算机和云计算平台的大规模并行计算 技术在煤层气数值模拟中得到了广泛应用，为大规模煤层 气开采提供了强大的计算支持。
05 煤层气数值模拟技术的实 际案例分析
煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析
煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析孟召平;张娟;师修昌;田永东;李超【摘要】煤矿采空区岩体渗透性是煤矿采空区煤层气抽采设计的基本参数.从煤矿采空区岩体变形-破坏特征分析入手,通过理论分析研究了岩体渗透性与应力之间的耦合关系和模型,揭示了采空区岩体应力-应变和渗透性分布规律.研究结果表明:不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,采空区岩体渗透性决定于岩体破坏程度和断裂的张开度,基于采空区岩体应力-应变导致断裂开度变化,推导了采空区岩体渗透系数与应力之间的三维关系与模型;应用FLAC3D计算软件,对采空区岩体应力-应变-渗透性进行了数值模拟计算,分析了采空区岩体的变形破坏的分区分带特征,在纵向上自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带;在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、卸载应力区和岩体应力恢复区;揭示了采空区岩体渗透性分布与采空区岩体应力-应变和破坏规律相一致的特征.无论是垂直渗透系数比(Kz/Kz0),还是水平渗透系数比(Ky／Ky0),均随着距开采煤层垂直距离的增大,采空区岩体渗透性逐渐减小,且采空区边缘的渗透系数较大,采空区两侧煤柱区岩体渗透性显著降低.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2016(041)008【总页数】9页(P1997-2005)【关键词】煤矿采空区;应力-应变;破坏特征;渗透性【作者】孟召平;张娟;师修昌;田永东;李超【作者单位】中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌443002;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006【正文语种】中文【中图分类】P618.11随着煤层气勘探工作的不断深入，为保证煤层气勘探开发的持续性发展，抽采煤矿采空区煤层气，已成为煤矿区煤层气的重要资源之一。
《煤层气数值模拟技术应用研究》
《煤层气数值模拟技术应用研究》篇一一、引言煤层气（Coalbed Gas）是近几十年来受到国内外学者关注的重要资源。
它对于煤田的开发、煤矿安全生产及环保都有重大意义。
煤层气数值模拟技术则是煤层气开发和开采过程的关键手段，具有精准、快速的特点。
本文旨在探讨煤层气数值模拟技术的原理、应用及研究进展，以期为相关领域的研究者提供参考。
二、煤层气数值模拟技术原理煤层气数值模拟技术主要基于流体动力学、热力学、岩石力学等多学科原理，以数学模型为框架，对煤层气的分布、储集和开采过程进行数值分析和预测。
在模拟过程中，通过设定不同的参数和条件，可以模拟出煤层气的生成、运移、聚集和开采等过程。
三、煤层气数值模拟技术的应用煤层气数值模拟技术被广泛应用于煤田地质勘探、煤层气资源评价、矿井瓦斯防治、煤矿安全生产等多个领域。
在煤田地质勘探中，通过数值模拟可以预测煤层气的分布和储量；在煤矿安全生产中，可以利用该技术分析矿井瓦斯的运动规律，提高安全水平。
四、研究进展1. 模型优化：随着研究的深入，学者们不断优化数值模拟模型，使其更加符合实际情况。
例如，通过引入更精确的物理参数和数学公式，使模型更加精准地描述煤层气的生成和运移过程。
2. 多学科融合：煤层气数值模拟技术已不再是单一学科的领域，而是涉及流体动力学、热力学、岩石力学等多个学科的交叉研究。
多学科融合的研究方式使得数值模拟更加准确、全面。
3. 高效算法开发：为了提高模拟的效率和精度，学者们不断开发新的高效算法。
这些算法包括并行计算、自适应网格等技术，可以大大提高模拟的速度和准确性。
4. 实际应用案例：随着技术的发展，煤层气数值模拟技术在许多煤矿和煤田得到了广泛应用。
例如，某大型煤矿通过使用该技术成功预测了瓦斯涌出量，有效防止了瓦斯事故的发生。
五、未来展望未来，煤层气数值模拟技术将进一步发展，具体趋势如下：1. 更加精细化的模型：随着对煤层气生成和运移机理的深入研究，模型将更加精细，能够更准确地描述煤层气的生成和运移过程。
考虑Klinkenberg效应的多孔介质气体渗流模型
抽采效率明显提高。
为了从本质上更加清楚地认识 Ｋｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇ效
应对气体渗流的影响，在前人研究［９１１］的基础上，本 文基于渗流力 学 理 论［１２］，推 导 出 了 考 虑 气 体 可 压 缩
并将其应用 于 单 一 钻 孔 的 瓦 斯 抽 采 数 值 模 型，对 比
分析了 Ｋｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇ效应对瓦斯压力、渗透率和孔隙 率动态变 化 的 影 响 规 律；刘 清 泉 等［８］建 立 了 煤 体 孔
隙裂隙二重介质 ＰＭ 渗透模型，模拟分析了深部首 采层顺层钻孔预抽消突过程中煤层瓦斯压力及渗透
第１３卷 第３期 ２０１８年２月
中国科技论文 ＣＨＩＮＡＳＣＩＥＮＣＥＰＡＰＥＲ
Ｖｏｌ．１３Ｎｏ．３ Ｆｅｂ．２０１８
考虑 犓犾犻狀犽犲狀犫犲狉犵效应的多孔介质气体渗流模型
茹忠亮１，２，简 阔１，２，马国胜１
（１．山西省晋城市质量技术监督检验测试所，山西晋城 ０４８０００；２．太原科技大学资源与能源学院，山西晋城 ０４８０００）
多孔介 质 中 气 体 渗 流 机 理 是 天 然 气、煤 层 气 抽 采工程中最基础的科学问题。页岩气、煤层气、致密
砂岩气等非常规天然气的储层均为致密多孔介质，
以微米及纳米级孔隙为主，储层渗透率低著［１３］。Ｋｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇ 效应 也 称 为 气 体 渗 流 滑 脱 效 应，１９４１ 年 Ｋｌｉｎｋｅｎ ｂｅｒｇ［４］提出多孔介质中气体的滑脱效应会影响其渗 透率，并给出了渗透率与气体压力之间的关系，很多 学者对此现象进行了研究。刘圣鑫等［５］通过计算分
性及 Ｋｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇ效应的多孔介质气体渗流数学模 型，给出了压 力 边 界 条 件 和 流 量 边 界 条 件 下 多 孔 介 质气体渗流 方 程 的 解 析 解，并 结 合 数 值 算 法 对 所 得 结果进行验证，分析了 Ｋｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇ效应对气体渗流 的影响。
井下煤层气抽采规律数值模拟研究
井下煤层气抽采规律数值模拟研究X王作启(辽河油田公司兴隆台采油厂,辽宁盘锦 124000) 摘 要:地下抽采煤层气是指在采煤前、采煤过程中以及采煤后在井下采煤工作面进行煤层气抽采。
地下抽采煤层气,不仅可以减少煤矿瓦斯灾害,而且可以达到保护环境、利用资源的目的。
论文对某矿胶运顺槽掘进巷道在不同掘进工艺下其煤岩应力场、煤层气渗流场的演化规律进行了数值模拟研究,模拟结果表明距煤壁位置不同,煤层气流动规律随之变化。
煤层中的煤层气压力随着煤壁暴露时间的增加煤层气压力的也随之发生改变,整个煤层气压力在降低。
关键词:煤层气;抽采;煤层气压力 中图分类号:T E 37 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)07—0018—02 煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产业,支撑着国民经济持续高速发展。
煤炭在我国一次能源生产和消费结构中一直占70%左右,煤矿提供了76%的发电能源、工业燃料和动力、60%的民用商品能源、70%的化工原料。
自2000年以来我国煤炭产量持续增长,图1为我国2000年～2008年煤炭产量图(单位亿t )。
图1 2000～2008年全国煤炭生产情况我国不仅是煤炭生产大国同时也是世界上煤矿灾害严重、灾害多的国家,主要灾害有:煤层气灾害、顶板灾害、矿井火灾、水害、冲击地压、尘害、热害等。
图2为我国煤矿事故起数、死亡人数、百万吨死亡率变化趋势图。
图2 我国煤矿事故起数、死亡人数、百万吨死亡率变我国煤矿灾害类型众多,其中瓦斯事故是所有事故中危害性最大的,是名副其实的煤矿安全的“第一杀手”。
近年来的数据表明,国有煤矿发生的一次死亡3人的事故中,采掘工作面事故起数和死亡人数均占75%以上,其中掘进工作面事故起数和死亡人数分别占40.92%和42.62%,2008年17起重大以上瓦斯事故中,掘进工作面发生11起,占65%,25起较大煤与瓦斯突出事故中,16起发生在掘进工作面的占64%。
因此对于采掘应力影响下的瓦斯流动规律的研究工作越发重要[1,2]。
页岩气藏渗流数值模拟及井底压力动态分析
［ 要 ］ 根 据 Ｌ ｎ ｍｕｒ 温 吸 附 方程 和 Ｆｃ 摘 ａｇ ｉ等 ｉ ｋ扩 散 定 律 ，结 合 渗 流 理 论 建 立 了页 岩 气 井 渗 流 数 学 模 型 ，并
对 模 型进 行 了数值 求解 ，绘 制 了 井底 压 力 变化 曲线 ，分 析 了 吸 附 气 解 吸 扩 散 、表 皮 系 数 、Ｌ ｎ ｍｕ 压 力 、 ａｇ ｉ ｒ Ｌ ｎ ｒｕ 体 积对 井底 压 力 的影 响 。 结果 表 明 ，考 虑 吸 附 气解 吸扩 散 ，气 井 井底 压 力 降低 减 慢 ；表 皮 系数 增 ａｇ ｉ ｎ ｒ 大 ， 井筒 附近 污染 严 重 ，压 力 降低 加 快 ；Ｌ ｎ ｍｕ 压 力 接 近 原 始 地 层 压 力 ， 井 底 压 力 降低 最 慢 ；１ ｎ ｍｕ ａｇ ｉ ｒ ． ｇ ｉ ａ ｒ
条 件 ，初步 估计 我 国页岩气 资源储 量 约为 （ ５ Ｏ ×１ Ｉ。 １ ～３ ） ０ Ｔ ，具 有广 阔 的开发前 景＿ ］ Ｉ ５ 。
页岩气 藏 中吸附气 存在 吸 附解 吸 动态平衡 ，游离气 具有 浓度 扩散 和达西 渗流 特征 ，张金 川【 全 面 分 副 析页 岩气成 藏机 理和 气体相 态转 换 ；段永 刚＿ 根 据页岩 气 吸附解 吸动态 平衡 ，建 立了页 岩气 双重介 质 压 ９ 裂 井渗 流数 学模 型 以及无 限导 流压裂 井 评 价模 型 ；Ｇｒｇ ｒ ． ｎ ［ ｅ ｏ ｙＲ Ｋｉｇ】 导 出 泥盆 系页 岩气 藏 物质 平 衡 叩推 方 程 。这些 文献 大多 考虑 了页 岩气 吸附解 吸动 态平衡 ，而 未考虑 解 吸气扩 散特征 。下 面笔 者结合 渗 流理 论 ，应用 Ｌ ｎ ｍｕｒ 温吸 附方程 、Ｆ ｃ 散定律 等 建立 了页岩气 在 地层 中的渗 流数学 模型 。 ａ ｇ ｉ等 ｉ ｋ扩
二氧化碳置换煤层气(CO_2-ECBM)地质工程中多相渗流和相态转化过程分析与数值模型
二氧化碳置换煤层气（CO_2-ECBM）地质工程中多相渗流和相态转化过程分析与数值模型二氧化碳（CO<sub>2</sub>）地质封存（CCS）目前是被看作一种用来控制温室气体行之有效的技术手段。
但由于单纯的CO<sub>2</sub>地质储存成本高昂,能耗较大,无法长期有效开展。
因此,人们更多的将目光从CCS转为CCUS,即CO<sub>2</sub>捕获,利用与封存一系列过程,在原有CCS工程的基础上增加了利用的环节,利用CO<sub>2</sub>开展地质工程,同时实现CO<sub>2</sub>的利用和封存。
在众多的CCUS技术当中,CO<sub>2</sub>增强型煤层气开采（CO<sub>2</sub>-ECBM）越来越受到人们的重视。
所谓CO<sub>2</sub>-ECBM,是指向煤层中注入CO<sub>2</sub>,利用CO<sub>2</sub>在煤层中可吸附性强于甲烷（CH4）,使得吸附在煤层表面的CH4气体从吸附态转为游离态,在增加煤层气采收率的基础上同时实现CO<sub>2</sub>地质储存。
由于煤层一般埋深较浅,为提高采收率多采用水平井,CO<sub>2</sub>以液相形式注入,在注入过程中,特别是在井筒内受到围岩的热传递,极易发生相态变化。
由于CO<sub>2</sub>气液两相密度差极大,相态转化所影响的不只是局部区域,而是会波及很远,局部的相态转化可能就会带来整个井筒内温度和压力分布的重构,继而造成其他区域的相态转化,可谓“牵一发而动全身”。
相变过程影响井底和储层的温度、压力,进而影响CO<sub>2</sub>的注入能力和开采效率。
考虑变质量流影响的煤层气水平井数值模拟研究
处可简化为斜三通 ， 根据伯努利方程
＋ １ Ａ ｘ （ ） Ｐ Ｏ ｌ ｉ
Ｄ ２ ｇ Ｐ ｇ 。２ ｇ ２ ｇ
可得 ：
（ １ ） （ ２ ）
Ｐ ｇ 。 ２ ｇ
＋
一
ｄ ，
‘
２ ｇ
：
嗨 Ｐｗ ｉ＋ ｐ ｇ 。 ２ ｇ 。
值模拟研 究。研 究结果表明 ， 由于煤层 气羽状分 支水平 井筒变质量流 对 气、 水产量存 在影 响，
导 致 不 同 时刻 的 主 支 井筒 单 位 长 度 入 流 量 分 布 曲 线 分 别 呈 上 凸 型 和 下 凹 型 ， 且 水 平 井 筒 指 端 与 跟 端 之 间的 压 差 呈 先 增 加 后 减 少的 趋 势 ， 故 羽 状 分 支 水 平 井 筒 变质 量 流 在 煤 层 气 水 平 井 产 能 动 态 评 价 中不 可 忽 略 不 计 。 关键词 ： 煤层 气； 水平井 ； 井 筒 变质 量 流 ； 混合压降 ； 数 值 模 拟 中图分类号 ： Ｔ Ｅ ３ １ ９ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ６— ６ ５ ３ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ １ ０ ６— ０ ４
擦 压 降和 加速度 压 降影 响 的煤 层 气 羽 状 水 平井 开 采 数学 模 型 ， Ｋ ｅ ｉ ｍ 等 对 煤 层 气 多分 支 井 的分 支
煤层气开发数值模拟-CMG
CMG煤层气数值模拟软件介绍加拿大计算机模拟软件集团煤层气模拟的基本概念 层气模拟 本概2煤层构造和煤层气流动机理 原生孔隙：基质 次生孔隙：割理（裂缝）3煤层中的流动状态CH4 CO2 N2 煤层气 次开采 煤层气一次开采 CO2 提高采收率 (CO2-ECBM) N2 提高采收率 (N2-ECBM) 烟道气提高采收率4煤层气一次开采机理 通过排水降低割理压力 煤层气从基质中解吸附出来 扩散到节理/裂缝当中 煤层气从基质中解吸附出来，扩散到节理 煤层气和水流动到井筒 在裂缝中为达西流动 • 面割理和端割理 • 面割理和端割理的垂直连接部分 在大型裂缝中的达西流动或者管流 • 大型节理 大型 • 次生裂缝z1 在生产油管和井筒中的管流 裂缝渗透率受基质影响CH4Coal Matrix煤层割理和裂缝CH4 CH4 H2O CH45CH4CH4Slide 5 z1zll, 2012-3-14提高煤层气采收率机理ECBM烟道气CO2分离 注入N2N2 CH4 出售煤 深部煤层绿色电厂CO2CH4CH4CH4• 提高煤层气采收率 • 温室气体( (GHG) )封存6煤层属性：多重孔隙度系统 原生孔隙度系统（煤层基质） 微孔隙度 (< 2 nm) 中孔隙度 (2 – 50 nm)+ 非常低的流通能力：渗透率在微达西范围 只有扩散流动 次生孔隙度系统（煤层节理） 宏观孔隙度 (> 50 nm) 天然裂缝 更强的流通能力：渗透率在毫达西范围 达西流动7在GEM中煤作为多重孔隙系统 需要多重孔隙度模型例如 DUALPOR SHAPE GK在裂缝（割理）系统中为标准的达西流动裂缝间距, I,J,K IJK例如 DIFRAC CON 0.2 或 DIFRAC ALL array MATRIX 表示基质系统 FRACTURE 表示裂缝系统 基质中允许非达西流动 煤层气从基质扩散到裂缝（注意：如果基质渗透率被指定为0，那么基质到裂缝之间没有流动。
煤层气开采中的热—湿—流—固耦合机理研究
煤层气开采中的热—湿—流—固耦合机理研究煤层气是清洁能源的重要组成部分,是推动能源生产和消费革命的重要载体。
在我国,煤层气资源储量丰富,但储层环境复杂,导致煤层气开采效率低下。
煤层气开采是多物理场耦合作用的过程,随着开采工作的深入和特殊工艺的发掘,温度场、湿度场、渗流场和变形场等之间的交叉耦合作用越来越明显,成为严重制约我国煤层气产业发展的重要因素。
因此,开展煤层气开采中的多场耦合问题研究具有重要的科学背景与工程意义。
本文针对煤层气储层的结构特征和气体的储存与运移特点,综合运用试验测试、理论分析和数值模拟等科学方法,深入探讨了煤层气在运移和开采过程中的热-湿-流-固多场耦合机理。
取得了以下主要进展和结论:(1)原煤的渗透率随气压指数增大,随围压指数减小,但随温度的演化呈现不同趋势。
针对平顶山矿、长治矿和金佳矿的原煤试样,开展了围压、气压和温度耦合下的气体渗透行为试验研究。
结果显示,渗透率随气压的增大呈指数增大趋势。
低围压下,指数增长形式明显;高围压下,增长形式趋于线性。
渗透率随围压的增大呈指数减小趋势。
当围压较低时,煤样渗透率对围压变化非常敏感,渗透率随着围压的增大迅速减小,随后趋于稳定。
原煤的渗透率随温度的升高大多呈减小趋势,但也有出现先减小后增大的趋势。
(2)分别建立热开裂、热挥发、热吸附和热膨胀等物理过程的理论模型并进行实验验证,从本质上揭示了热-湿耦合下渗透率演化的微观机理。
基质热开裂促进基质中微孔的增生,增大基质渗透率,同时导致基质整体膨胀,降低裂隙渗透率。
建立裂隙水膜的挥发模型,阐明水分挥发直接作用于裂隙网络,从而增大裂隙渗透率的物理机制。
气体热解吸导致基质收缩,增大双渗透率。
煤的热膨胀抑制基质-裂隙双渗透率。
(3)提出一种新型双孔渗透率模型,理论上将渗透率随温度的演化形式分为三大类;定义热刺激指标KT,可有效评价温度对渗透率的刺激效果。
理论推导了包含热-湿-流-固耦合效应的基质-裂隙双孔渗透率模型,统一描述了大量渗透率试验结果,并对渗透率演化的类型进行归纳和评价。
应力作用下煤层气非稳定耦合渗流模型及数值模拟
应 力作用下煤层气非稳 定耦合渗流模型及数值模拟
狄 军 贞 殷 志 祥 ０刘建 军 ， ，
（． １ 辽宁 工 程 技 术 大 学 土建 学 院 ， 宁 阜 新 １３ ０ ；． 汉 工 业 学 院 多孔 介 质 力 学 研 究所 ， 北 武 汉 ４０ ２ ； 辽 ２ ０ ０ ２武 湖 ３ ０ ３ ３辽 宁 工 程技 术 大 学 实 验试 训 中心 ， 宁 阜 新 １３ ０ ：Ｐ １．１Ｔ ８ ５ ６ ８１ ；Ｄ ４
文献标识码：Ａ
众 所周 知 ． 煤储 层是 由煤体 骨架 、 煤层气 与水 所 共 同构 成 的三相介 质系 统 ，煤 层气 主要 以吸 附状 态
存 在于 煤 的内表 面 。 在煤 层气 开发之 前 ， 只有将煤 割
１ １应 力场 方程 ．
其 中 ， 为有效 应力 ， 为 总应力 ， Ｐ为孔 隙 流 体压 力 ， Ｋ ｏ ｅ ｅ 张量 ６ 为 ｒｎ ｋ ｒ
作者简介 ： 狄军贞 （９ ９ ， ， １ ７ 一） 男 甘肃甘谷人 ， 辽宁Ｔ程技术大学土木
建 筑 丁 程 学 院在 职博 士 研 究 生 ， 师 。 讲 主要 研 究 方 向 ： 多孔 介 质 渗 流力 学 与 水 污 染 防 治 。
用 为低 述 线 渗 流 速 度 … 方 稃 为 ： ， ： 一 （） １ （ ， — ， Ｇ） （） ６
运移 属 于气一 固耦合 问题 ，而该 问题 要用 气 一 固耦
合方 程来描 述 。 在建立 方程前 首先 引入 几个假设 ： ① 煤岩 体 是 各 向同 性 的线 弹性 材 料 ；② 煤 层 气 满 足
维普资讯
第 １ 卷 ４期 ９ ２０ ０ ７年 ８月
文章编 号 ：０４ ９ ７ （０ ７０ —０ ６ ０ １０ — １７ ２０ ）４ ０３ — ３
煤层气数值模拟讲解
1.煤层气藏开发生产特点煤层气藏开发一个最显著的特点是需要进行前期脱水降低煤层压力。
煤层气吸附在煤基质孔隙表面，只有当煤层压力低于临界解析压力，煤层气才会从煤层基质孔隙解析出来扩散到煤层裂缝。
脱水时间长短取决于煤层气饱和度。
煤层气饱和度定义为某压力下煤层气含量与该压力下煤层气吸附能力的比值。
饱和度为1的煤层气藏称为饱和气藏，饱和气藏煤层气随着煤层脱水而产出。
饱和度小于1的煤层气藏称为欠饱和气藏，欠饱和气藏需要经过长期脱水后才开始产气。
在我现在工作的煤层气藏，有些井脱水十几天后就开始产气，单井高峰日产气量能达到三万方以上。
有些井则需要一年甚至几年的脱水后才产气。
不同煤层气田以及同一煤层气田不同生产井的生产动态可能差别很大，煤层气田典型生产井产量可以分为三个阶段，第一阶段井只产水，不产气。
第二阶段井开始产气，一直到气量达到最高值，产水量逐渐下降。
第三阶段产气量和产水量一起下降。
由于煤层地质属性的不同，井的生产动态会变化很大。
比如有些低渗井产气量从开始就递减，而且递减缓慢。
有些井只生产干气，不产水。
煤层气井的生产动态主要受煤层含气量，煤层含气饱和度，煤层渗透率，相对渗透率，孔隙度等的影响。
煤层气是以吸附状态吸附在煤基质孔隙中，吸附量与煤的类型，煤灰含量，煤湿度以及煤层压力有关，在相同温度，煤灰含量和湿度条件下，压力越大，煤吸附的气量越多。
常规砂岩气藏中的气体储藏在砂岩孔隙中，在相同压力条件下，煤层储气量要大于砂岩储气量。
煤层气吸附能力与压力的关系曲线称为解析等温线。
每个压力点对应该压力下煤的最大吸附量，也称为饱和吸附量。
许多煤层吸附气处于未饱和状态，也就是说在初始压力条件煤的实际吸附气量小于该压力下的饱和吸附气量，煤层在生产时只产水，不产气。
只有当压力降到临界解析压力，气才会从煤基质中解析出来，煤层才开始产气。
（临界解析压力为煤的气吸附量与煤吸附能力相同时对应的压力）。
开发煤层气田需要将井的井底压力快速降低到最低值，这样才能快速降低地层压力，缩短脱水时间，提高产气量。
煤层气数值模拟及应用研究
有极少 数模 型编制 为煤 层气 数值模 拟软件 并得 到 了 广泛 的应用 。 目前 比较 通用 的软件 详见 表 ｌ 。
表 １ 主 要 的 煤 层气 数 值 模 型 软 件
开发单位 软件名称
模型
备注
ＵＳ Ｎ Ｗ ｓ Ｄ Ｉ Ⅱ 非稳态多组分模型 ＭＥ
ｓＨ Ａ 非平衡 吸附 Ｃ ＡＧＡ 多组分模 型 ０Ｉ Ｓ 组分模型 、三孔／ ＣＭＴ ０ Ｅ 双渗模 型 Ｇ Ｍ Ｅ 组分模 型 应用最广 孔渗动态变化 （ Ｐ Ｍ模 型） ＆
（煤 是 煤 质 孔 系 和Ｉ 系 组 【 ｇ （ ） 、， ｑ ｑ １ 由煤 基 质微 孑 隙统 和害Ｉ 统 一 ＋ Ｊ ｖ ｒ ） 理 且 垲 Ｂ ｍ ｇ ｇ＋ － （ 层 由 基 微躲 统 割 系统 至 Ｉ 理 为 流； 璧温 动介 ： 层 在 原 始 状 态 下 割 理 被 水 （ ）煤 等 曼 ＝ｆ 旦地） ３Ｂ ｔｇ ￣ ｅ ３
摘
要 ：我 国煤层 气资源 十分丰 富 ，煤层 气的开发 利 用具有 重要 的战 略 意义 。煤层 气数值模 拟通
过对气井气、水产量数据的历史拟合 ，获得更加客观准确的煤层 气储层参数 ，从 而为制定煤层气 开发 方 案和预 测煤 层 气井 的长期 生产 动 态提供 科 学依据 。
关键 词 ：煤层 气 数值 模拟 韩 城
煤层气数值模拟在对生产井气 、水产量数据的 历史拟合 的基础上 ，获得更加客观准确的煤层气储 层参数 ，预测煤层气井 的长期生产动态 ，同时为井 网布置 、完井方案 、生产工作制度优化 、气藏动态 管理等提供科学依据。
１０ ０ ％饱 和 ，不 含游 离 气及 溶 解 气 ； （）水 是 微 可 ４
第９ 第 １ 卷 期 ２１ ０２年 ２月
煤层气储层裂隙阵列侧向测井响应数值模拟与分析
ｌ ｅ ｒｙ ｒ ｌ ｔ ｄ ｔ ｈ ｏ ｏ ｉ ｆｆ ａ ｔ ｒ ｎ ｈｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｉ ｆｐ ｒ ｕ ｄ Ｗ ｉ ｉ ｎ ｌ ｎ ｒ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ａ ｒ ｙ ｉ ａ ｌ ｅ ａ ｅ ｏ ｔ ｅ ｐ ｒ ｓｔ ｏ ｃ ｕ ｅ ａ ｄ ｔ ｏ ｄ ｃ ｉ ｔ ｏ ｏ ｅ ｆ ｉ ． ｔ ｄ ｐ ａ ｇ ｅ ｉ ｃ ｅ ｓｎ ， ｈ ｒ ａ ｎ ｙ ｒ ｖ ｙ ｌ ｈ
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向测 井 响应 。研 究表 明 ：阵 列侧 向测 井修 正 的视 电导 率与 裂 隙孔 隙度 、 裂 隙流体 电导 率基 本 为线
性 关 系；随 裂 隙倾 角增 大，阵列侧 向视 电阻率升 高；随基 块 电阻率增 大 ，阵列侧 向视 电 阻率增加 ； 高角度 裂 隙（ ） 阵列侧 向 测井深 浅视 电阻率呈 现正 差异 ，而基 块 电 阻率较 大的低 角度 裂 隙（ ） 组 的 组 的 响应 可 呈现 负差异特 征 ；相 同裂 隙孔 隙度 下 ，裂隙 密度增 加可 能使 裂隙组 的 阵列 侧 向视 电 阻率增
ｉ ｏ ｔ ｎ ｏ ｅ ｆ ｒ ｔｏ ｆｔ ｅ ｅ ｆ ｃ ｉ ｅ ｓｒ ｒ ｇ ｌ ｃ ｆ ｙ ｒ ｃ ｒ ｏ Ｔｈ ｔ ｄ ｇ ｒ ｓ ｏ ｓ ｓｏ ａ ｔ ｒ ｓ ｍｐ ｒａ ｔ ｒｔ ｏ ｍａ ｉ ｎ ｏ ｆｅ ｔ ｔｏ ａ ｅ ｂ ｏ ｋ ｏ ｄ ｏ ａ ｂ ｎ． ｅｓ ｕ ｙ ｏｆ ｏ ｅ ｐ ｎ ｅ ｆｆ ｃ ｕ ｅｉ ｆ ｈ ｈ ｖ ｈ ｌ ｒ
动态煤层气开采过程数值模拟与优化设计
动态煤层气开采过程数值模拟与优化设计煤层气是一种地下天然气，是通过在煤层中压缩、吸附与解吸而形成的一种天然气资源。
煤层气的开采过程对其固有属性和地质条件有很强的依赖，同时也受到工程开采技术和设备装备等因素影响。
因此，为了更好地开采煤层气，并实现其可持续利用，必须进行数值模拟和优化设计研究。
一、煤层气开采过程数值模拟对于煤层气开采过程的数值模拟，通常采用有限元方法进行模拟。
在模拟过程中，需要考虑煤层孔隙度、渗透率、煤层气吸附解吸等参数。
该方法的数学模型通常包括连续介质的力学模型、多相流模型以及热力学模型等。
1. 连续介质力学模型在煤层气开采过程中，需要考虑地层的力学性质。
这可以通过连续介质力学模型进行建模。
其中，地层的应力状态是重要的参数。
在考虑应用有限元方法进行模拟时，地层的应力状态通常可以按照线性、非线性等不同形式进行建模。
2. 多相流模型在考虑煤层气开采过程的模拟时，还需要考虑气、液相同时存在的情况。
这可以通过多相流模型进行建模。
在建模时，可以采用质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程等不同方程进行描述。
3. 热力学模型在考虑煤层气开采过程的模拟时，还需要考虑气的温度变化。
这可以通过热力学模型进行建模。
在建模时，可以采用热能守恒方程、质量守恒方程以及理想气体状态方程等不同方程进行描述。
二、优化设计对于煤层气开采过程的优化设计，主要包括井网结构设计、注采方案设计和生产运营方案设计等。
1. 井网结构设计井网结构是指煤层气开采时地下各个井之间的联系结构。
井网结构设计的主要目的是最大化地提高煤层气开采效率，并减少煤层气开采过程的成本。
在进行井网结构设计时，需要考虑煤层气在地下的分布状况、开采技术和设备装备等因素。
2. 注采方案设计注采方案指开采过程中液态水和气体之间的注入和回收。
注采方案设计的主要目的是使液态水和气体之间达到最佳配比，以达到最高的采收率。
在进行注采方案设计时，需要考虑地层的物理性质、煤层气的产量和采收率等因素。
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１ 引 言
煤 层气作 为 当今世 界 的一 种新 能源 ， 已成 为近
牧藕 日期 ｌ２ ０ ７—３ ：修回日期：２０ —１ —３ ０６—０ １ ０６ ０ １
基 金项 目 ｌ国家 自然 科学基 金 重大项 目（０ ９ ２５ ５４ ０７ ）
年来 天然 气勘 探开 发 的热 点 。 ００年 美 国年煤 层气 ２０ 产 量 占天 然气 总量 的 １％／。在 开采 过程 中仍 有很 ５ ¨ 多 问题 需 要解 决 ，影 响煤层 气 单井 产 量 的主要 因素 包 括煤 岩 渗透 率 、 隙度 、 附能力 以及含 气量 等 。 孔 吸
定 成果 。
３ 多井开采煤层 气渗流控制方程
３１ 基本假设 ．
（）假 设煤 层气 符 合如 下状 态方程 ： １
Ｐ （） １
模拟，建立了多井开采条件下，煤层气不定常渗流模 型 ；孙可 明和 梁 冰 进 行 了低 渗透煤 层气 开采 与注 Ｊ
气增产流 固耦合理论及其应用 的研 究 ，肖晓春等 【 】 ４ ￣ 也做 了有 关 煤 层 气 运 移 规 律 方 面 的理 论 和 实 验 研 究 。但这 些理 论和 实验 研 究在 缺乏 足够 的煤 层 气 多 井 开 发试 验 时很难 论证 多 井开 采技 术 的优 势 ，而数
多井开采 条件 下煤层气 渗流数值模 拟
肖晓春 ，潘一 山
（ 辽宁 工程 技术 大学 力 学 与工程 科 学系 ，辽 宁 阜新 １３０ ） ２０ ０
摘要 ：多井 开采 技术 开发煤层气在我 国还处在初 步尝试阶段 ，对该技术 的理论研 究 尚且不足 ，而数值模拟手段可
为煤层气 多井试验 开采提 供一定的理论指导 。建 立多井开采条件下煤层气 的渗流 方程，利用有 限元方法模拟多井 开采煤层气 时压力场 的变 化情 况 ，利用建立 的煤层气 渗流运动方程研究非线性渗流 条件 下煤层气 速度场 的变化情 况 。总结多井开采条件 下煤层 气井群渗流场和产气量 的变化规律 ，模拟结果可显示 多井 开采 的优势 ，并对提高煤 层气产量及煤层气工业化 开采具有 一定的理论指导意义 。
关键词 ：采矿工程 ；渗流方程 ；单井、多井条件 ；地层压力 中图分类号 ：Ｔ ２ Ｄ ８１ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ６ １（０ ７０ ０ ７ ０ ０— ９ ５２ ０ ）５— ９ ７—０ ５
ＮＵＭ ＥＲＩ ＣＡＬ Ｉ ＵＬＡＴＩ ＳＭ ｏＮ ｏＦ ＣｏＡＬ． ＢＥＤ ＥＴＨＡＮＥ Ｍ Ｓ ＥＥＰ ＧＥ ＦＬｏＷ ＵＮＤＥＲ ＵＩｒ ． ＥＬＬ Ｍ ＩＷ ＥＸＰＬｏＩ Ｌ ｏＮ Ｔ ＴＩ ＣｏＮＤＩ ｏＮＳ ＴＩ
ＸＩ ＡＯ ａ ｈｕ Ｘｉｏｃ ｎ， ＰＡＮ ｓ ｎ Ｙ ｈａ
（ ｐ ｒ ｎ Ｍｅｈ ｎｃ ｎ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｃｅｃｓ ｉｏ ｉｇＴｃｎｃ ｌ ｎｖ ｒｉ ，Ｆ ｘｎ ｉｏ ｉｇ １３０ ，Ｃ ｉ ） Ｄｅ ａｔ ｔｆ ｃａ ｉ ａ ｄ ｇｎｅｉ ｉｎｅ ，Ｌａ ｎｎ ｅｈ ｉ ｉ ｓｙ ｕ ｉ，Ｌａ ｎｎ ２ ０ ０ ｈｎ ｍｅ ｏ ｓ Ｅ ｎＳ ａＵ ｅ ｔ ａ
初 值条 件 为
啦
（） ５
式 中 ： ＯＰ 为 煤 层 孔 隙度 函数 ， ｋｐ 为 煤 层渗 透 （） （）
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・７ ９ ８・
岩 石 力 学 与 工 程 学 报
姗
年
为提 高煤层气 井单井产量 ，常 用的方法有洞穴 完井 、 压 裂 改造 或水 平井 等方 式 ，改 善井 底渗 流 条件 ，有 效 降低 井底 流压 等 ，而 多井 开采 技 术 能与上 述手 段 有 效地 结合 并提 高 产气量 。 目前 ，国外 已经 开始 采 用 多井 开采 煤层 气 技术 ， 并且 已经 取得 了突 破性 进 展 ，而 我 国的煤 层气 开采 还 处于起 步阶段 ，主要 以 单井开采为主 ，没有形成规模开采 。刘日武等Ｉ ２ 研 究 了多 井开采 条 件下 煤层 气 不定 常渗 流 问题 的数 值
＝
（） ｐＪ
（）不 考 虑温度 变 化 ，即 为常数 。 ３
３ 多井条件煤层气渗流控制方程 ． ２
煤层 气渗 流 运动 方程 为
２ 多井开采煤层气研究现状
定 向钻 井方 式 ：简 单地 说就 是通 过地 下 竖井 和 沿煤 层 方 向的横 井 开采 煤层 气 ， 即通 过抽 水 减压 ，
的优 势 ，因此 ，本 文利 用 建立 的煤 层气 渗流 数 学模 型 ，研 究 了多井 开采条 件 下 ，煤 层 气流 速 、压 力场 的变 化 ，对 提 高煤 层气 产量 及煤 层 气工 业化 开采 具
有 一 定 的理 论指 导意 义 。
Ｖ ＝一 （ ）ｒｄ ｆ ｋ ｐ ｇａｐ
（） ３
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第２ ６卷
第 ５期
２０ ０ ７年 ５月
岩石 力 学与 工程 学报 Ｃ ｉｅｅＪ ｕ ｎ ｌ ｆＲ ｃ ｃａ ｉｓａ ｄ Ｅ ｇｎ ｅｉｇ ｈｎ ｓ ｏ ｒａ ｏ ｋＭｅｈ ｎｃ ｎ ｎ ｉｅ ｒ ｏ ｎ
Ｖｌ ．６ ＮＯ ５ ０ ２ １ ． Ｍａ ， ２０ ｙ ０７
ｉ ｄ ｓｒ ｌ ａｉ ｎ ｍｉ ｉ ｇ ｎ ｕ ｔ ａｉ ｔ ｎ ｎ ． ｉ ｚ ｏ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： ｍ ｎ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒｎｇ； ｐｅ ｅ ｂ ｅｅ ｕａｉ ｄｓ ｉ ｉ ｇ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｍ ｒ ａ ｌ ｑ ｔｏｎ； ｓｎｇ ｅ・ ｌ ｄ ｍｕ ｔ・ ｌ ｃ ｎｄ ｔｏ ｓ； ｓｒ ｔ ｍ ｒ ｓ ｕ ｅ ｉ ｌ・ ｗｅｌａ ｌｉｗｅ ｌ ｏ ｉｉ ｎ ｎ ・ ｔａｕ ｐ ｅ ｓ ｒ
煤层 气渗 流连 续方 程 为
Ｖ ）＝ （ 警。
煤 层 气渗 流控 制方 程 为
（） ４
解吸煤储层中的煤层气进行采集。两者的区别在于，
传统 方法 只采 用竖 向钻井技术（ 图 １。利 用 这一 技 见 ）
术采集煤层气 的国家以美国和澳大利亚等国为主 。
鲁 ｐ
率 函数 ， 鸟 为 内部源 项 。 。
ｅ ｅ ｎ ｅ ｏｄ Ｔ ｅ ｉ ｌｕ ｎ ｅ ｏ ｌ ｓ ｃ ｈ ｎ ｓｏｎｔ ｅｄ ｓｒｂ ｔｏｎ ｏ ｒ ｓ ｕ ｅｆｅｄ ｉ ｔ ｉｄ ｕｎ ｅ ｈ ｌ ｌ ｍｅ ｔｍ ｔ ｈ ． ｈ ｎｆ ｅ ｃ ｆｗｅｌ ｐａ ｅｃ ａ ｇｅ ｉ ｔｉ ｕ ｉ ｆｐ ｅ ｓ ｒ ｌ ｓｓｕｄ ｅ ｄ ｒｔ ｅ ｗｅ ｌ ｈ ｉ
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