煤层注氮气置驱瓦斯过程压力场数值模拟

煤层注氮气置驱瓦斯过程压力场数值模拟
王东洋;杨宏民;陈立伟
【摘要】文章建立了煤层气体流动的渗流、扩散、多元气体吸附解吸等多物理场耦合数学模型,基于COMSOL Multiphysics有限元模拟软件和MATLAB仿真软件,模拟和分析了煤层注氮气过程中煤层气体压力场分布规律.结果表明:注气过程中煤层气体压力随时间迅速升高,煤层气体最高压力小于注气压力;煤层注气过程中,煤层压力场分布规律为:同一时刻在煤层水平面上,随距注气口距离的增大,煤层气体压力逐渐降低,同一时刻在煤层垂直平面上煤层气体压力呈现以注气轴为中心向外逐渐降低的趋势.注气后卸压过程中煤层气体压力随时间迅速降低,且模拟条件下煤层中没有形成高压残留.
【期刊名称】《煤》
【年(卷),期】2016(025)007
【总页数】4页(P1-3,39)
【关键词】多物理耦合;煤层注氮;置驱煤层瓦斯;注气压力场;高压残留
【作者】王东洋;杨宏民;陈立伟
【作者单位】河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003
【正文语种】中文
【中图分类】TD712.2
我国绝大部分的高瓦斯和突出矿井开采的煤层属于低透气性煤层，透气性系数只有0.04～0.004 m2/(MPa2·d)[ 1]，透气性系数均小于0.1 m2/(MPa2·d)，绝大部分矿井煤层均属于难以抽采煤层[2]。

为了提高煤体渗透性，开采保护层、水力压裂、煤体致裂增透、高压水射流割缝等技术措施相继应用于煤矿井下，虽然各种技术措施均取得了一定效果，但每一种方法都有其局限性。

20世纪末，美国圣胡安盆地将CO2注入煤层以提高煤层气采收(CO2-ECBM)的实验取得成功[3]，国内外许多专家学者[4-6]先后在实验室进行了CH4、N2、CO2
多元气体的吸附-解吸研究，研究发现，煤对多元气体的吸附-解吸包括“置换”和“驱替”两个方面的作用。

随后在我国晋城进行了地面注CO2的ECMB先导性试验并取得了成功，但由于地面注气压力高达5.5～8.0 MPa[7,8]，井下注气时煤层自由面多，注气封孔难度大，采用高压注气具有突破煤层或封孔抵抗限而诱发瓦斯突出的担忧，因此关于井下注气试验长期以来无人涉足。

而采用数值模拟的方法，不但能够为井下工程实验提供理论指导，而且既安全又可靠。

孙可明、吴嗣跃、杨宏民等 [9-12]根据注气驱替提高煤层气采收率(ECBM)的技术特点，以渗流方程、扩散方程、多元气体吸附方程为基础建立了基本方程，得出了煤层气体浓度分布、以及渗透率与气体浓度之间的定量关系。

但是，注气势必导致煤层压力升高，有没有诱发瓦斯突出的可能？压力升高程度及其分布如何？注气卸压后，煤层瓦斯压力残存情况如何，有没有诱发瓦斯突出的隐患？这些都是在煤层注气置换消突技术进行大量的工程试验研究之前，首先通过实验室物理模拟、数值解算等理论研究手段应该回答的问题。

鉴于此，本文进行了煤层注N2置驱瓦斯过程中的压力场数值模拟。

根据要研究的内容和想要得到的结果，对数学模型进行了设定，需要用到以下主要方程。

1)气体在孔隙中的扩散方程
根据Fick扩散定律，可知CH4、N2在孔隙系统中扩散的质量守恒方程为：
式中：i为气体组分，i=1代表CH4，i=2代表N2或CO2；ci为组分 i的浓度，kg/m3；Di为组分i 的扩散系数，m2/s；Qi为汇源项，反应基质孔隙系统中的吸附态与裂隙系统中的游离态之间的质量交换。

2)气体在裂隙中的渗流方程
假设煤层裂隙中的游离气体的运移均可看作流体渗流过程，则气体在煤体中渗流的质量守恒方程为：
式中：ρi为气体组分 i的密度，kg/m3；q为气体总的渗流速度，m/s；mi为气
体组分i 的含量，kg/m3，包括游离态，不包括吸附态，定义为：mi= φρi(φ为
孔隙率)。

3)多元气体吸附平衡方程
吸附态组分在假想平衡压力下的含量可由广义Langmuir方程表示：
式中：ρia为标准条件下的气体组分i的密度，kg/m3；ρc为煤体密度，kg/m3；ai为各组分在煤层中单独吸附时的极限吸附量，m3/kg；bi为各组分吸附平衡常数，MPa-1；p1、p2分别为气体组分1、2的平衡分压力。

4)上述方程与质量交换方程、气体状态方程、渗流速度方程带入交叉耦合后得到方程(4)。

式中：Mi为气体组分摩尔质量，kg/kmol；Ri为气体常数，kJ/(kmol·k)；T为气体温度，K；μi为动力粘性系数，N·s/m2。

方程(1)和(4)共同构成多组分气体在孔隙裂隙系统中扩散、渗流的连续性方程。

为了更好地分析数值模拟结果，选取过注气轴的水平平面进行研究，数值模型如图1所示。

一方面由于垂直于注气轴方向为无限边界，为了得到此方向的压力变化，另一方面为了防止边界效应对数值模拟的影响，因此把模型的高设置为30 m，且此距离合适且可达到要求；由于注气口和出气口分布在两侧，所以综合考虑模拟需
要和注气驱替甲烷的有效影响半径[13]，把模型的宽设置为3 m。

其它模拟实验条件为：注气口和出气口直径均为94 mm，煤层初始瓦斯压力为0.1 MPa，模型四周为零流量边界，出气口为大气压边界，注气口边界为1.4 MPa的压力边界，煤
体的渗透率选为3.35×10-16m2。

为了考察注气过程中煤层最大气体压力与注气压力的关系，又因为距注气口越近煤层气体压力越大，所以取近注气口处煤层气体压力进行分析，本实验取注气轴方向距离注气口0.5 m处煤层气体压力随时间的变化趋势进行研究，煤层气体压力随
时间的变化规律如图2所示。

可以看出，注气过程中煤层气体压力随时间迅速升高，在注气20 d后稳定在1.20 MPa左右，可见注N2置驱瓦斯过程中煤层气体
压力的最大值小于注气压力。

注气过程中不同时刻煤层气体压力分布云图见图3，可以看出煤层气体压力场分布关于注气轴对称。

因此，本文只对注气轴一侧注气过程中煤层气体压力场模拟结果进行分析。

为了更直观地反映注气过程中煤层气体压力场的分布规律，利用MATLAB仿真软件对煤层气体压力场进行绘图分析。

1)注气轴平面压力场分布
注气过程中在注气轴平面煤层气体压力场分布如图4所示，可以看出模拟条件下，注气过程中同一时刻在注气轴方向和垂直于注气轴方向煤层气体压力均逐渐降低，且在注气20 d后，煤层气体压力达到稳定。

2)垂直注气轴平面压力场分布
由图3可以看出，在模拟条件下，注气过程中同一时刻在垂直注气轴平面内煤层
气体压力呈现以注气轴为中心向外逐渐降低的趋势。

为了考察卸压过程中煤层最大气体压力的卸载情况，取注气轴方向距离注气口0.5 m处进行研究，煤层气体压力随时间的变化规律如图5所示。

可以看出，卸压过
程中煤层气体压力短时间内迅速降低，随后降低速率变缓，注气后9 d煤层最大
气体压力降到0.74 MPa以下，可见注气后的卸压过程中煤层气体压力会很快降到一个安全水平，且煤层中没有形成高压残留。

1)注气过程中煤层气体压力随时间迅速升高，在注气20 d后稳定在1.20 MPa左右，可见注N2置驱瓦斯过程中煤层气体最大压力小于注气压力；
2)注气过程中煤层气体压力场分布规律为：同一时刻在煤层水平面上，随距注气口距离的增大，煤层气体压力逐渐降低，同一时刻在煤层垂直平面上煤层气体压力呈现以注气轴为中心向外逐渐降低的趋势；
3)注气后卸压过程中煤层气体压力短时间内迅速降低，随后降低速率变缓，且煤层中没有形成高压残留；
4)根据注气过程中煤层气体压力变化及分布规律可知，在注气过程中煤层气体压力在短时间内会迅速上升，所以在井下进行注气工程试验时应注意做好安全防护措施；
5)根据注气过程中煤层气体压力场分布规律，可以判定注气后煤层气体压力降到安全范围内所需的时间，以及注气压力的影响范围，为确定合理的注气钻孔间距提供依据。