基于Maxwell-Stefan双扩散模型的煤层气注气数值模拟

基于CT三维重建的煤层气非达西渗流数值模拟王刚;杨鑫祥;张孝强;武猛猛;李文鑫【摘要】为了探究煤层气非达西渗流中各参数对渗流的影响,通过CT三维重建技术,建立了从现场采集到的6种煤样的真实模型.基于建立的真实模型,进行了在30种不同压力梯度下的煤层气渗流数值模拟试验.模拟试验结果表明:(1)在微观尺度下(＜100 μm),模拟得到的渗流速度与压力梯度符合Forchheimer高速非线性渗流规律;(2)渗透率随有效孔隙率的增长并不是绝对的,在有效孔隙率较大时会出现局部波折的情况,在相同压力梯度下,渗流速度总的趋势随有效孔隙率、渗透率、非达西系数的增大而增大;(3)非达西系数随着有效孔隙率和渗透率的增大而减小.幂函数拟合和多元回归分析结果表明有效孔隙率对非达西系数的影响最为显著,仅考虑有效孔隙率的经验公式可更加精确的估算非达西系数.由数值模拟结果得到的非达西经验常数为0.003 171,有效孔隙率幂次为-5.387 45.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2016(041)004【总页数】10页(P931-940)【关键词】CT;三维重建;煤层气;非达西;Forchheimer【作者】王刚;杨鑫祥;张孝强;武猛猛;李文鑫【作者单位】山东科技大学矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590【正文语种】中文【中图分类】P618.11随着油气需求量的不断提高以及空气环境的日益严峻，煤层气(瓦斯)作为一种清洁资源，进入了快速发展的新阶段。

煤层气(瓦斯)是成煤过程中的一种伴生气体，也是造成煤矿井下事故的主要原因之一。

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。

第十章煤层气数值模拟技术与方法数值模拟技术在煤层气勘探开发中应用较广。

煤层气储层模拟是进行产量预测、地面开发前景评价和生产工艺优选等的重要手段；煤层气地史演化数值模拟则主要用于定量研究煤层气的生成、逸散和赋存的演化规律。

此外，数值模拟技术还被广泛应用于煤层气储层研究和储量计算等方面。

第一节煤层气储层模拟技术一、概述煤层气储层模拟（reservoir simulation）又称为产能模拟（coalbed methane production modeling），无论是在常规油气还是在煤层气勘探开发过程中，通常都需要进行这项工作。

储层模拟是将地质、岩石物性和生产作业集于一体的过程，在此过程中使用的工具就是储层模拟软件。

储层模拟实际上是在生产井的部分参数已知的条件下，解算描述储层中流体流动的一系列方程，通过历史匹配，对井的产油量、产气量和产水量等参数及其变化规律进行预测的工作。

预测的时间可在几个月、几年甚至几十年。

产能参数是选择开采工艺、开采设备的重要依据，同时，还可根据产能参数，对生产井的经济价值进行评价。

随着煤层气开发试验的相继实施和实践经验的积累，科技工作者对煤层气的生气、储集和运移规律有了更深入的理解，同时，也意识到需要有一个有效的工具，来进行生产井气、水产量数据的历史拟合，以便获取更为客观的煤层气储层参数，预测煤层气井的长期生产动态和产量。

同时为井网布置、完井方案、生产工作制度、气藏动态管理，煤层气开发方案等提供科学依据。

正是在这种背景下，煤储层数值模拟研究工作，在继续围绕煤矿瓦斯研究的同时，借鉴油气藏数值模拟理论、技术和方法，扩展到地面煤层气资源勘探、开发领域。

1981年，由美国天然气研究所（GRI）主持，美国钢铁公司（US Steel）和宾州大学等承担了煤层气产量模拟器与数学模型开发项目（Development of Coal Gas Production Simulators and Mathematical Models for Well Test Strategies）。

卷(Volume)19,期(Number)1,总(Total)75矿物岩石 页(Pages )43-48,1999,3,(M ar ,1999)J M INE RAL PET ROL 煤层气藏三维数值模拟冯文光1　梅世昕2　侯鸿斌2　羊裔常1(1　成都理工学院石油系,成都　610059)(2　华北石油地质局,郑州　450007)【摘　要】　本文根据煤的储气特征、煤层气的吸附特征、排水降压解吸产气机理建立了煤层气藏数学模型和三维全隐式差分模型,采用最佳变松驰求解,收敛度快,稳定性好。

【关键词】　煤层气　解吸　数值模拟　最佳变松驰法　全隐式中图法分类号:T E 319ISSN 1001-6872(1999)01-0043-48;　C ODEN:KUYAE2收稿日期(M anuscript received):1998-12-10　改回日期(Accepted for publication):1999-02-05第一作者简介:冯文光　男　51岁　教授(博士导师)　油藏工程专业　研究方向:油气田开发、数值模拟,试井分析及煤层气藏0　引　言在地下煤层形成过程中,生成大量的天然气,一部分以游离状态通过运移、聚集形成常规天然气藏;另一部分以吸附状态为主储存在煤层的孔隙中,这种储存在煤层气中以甲烷为主的天然气称煤层气,或煤层瓦斯。

60年代和70年代初,美国矿业局为改善煤矿安全,对煤层气做了大量的研究工作。

70年代末,煤层气的开发利用还没有被引起重视,甚至把以煤层气作为商品的少数企业家视为“疯了”。

美国1977年开采煤气以来,开采井数成倍增加,年产煤层气产量倍增。

1989年美国已有400口井生产,年产量逾20×108m 3。

1992年美国煤层气年产量达200×108m 3。

我国煤层气蕴藏量十分丰富,与常规天然气蕴藏量相近,华北石油地质局自1986年以来,进行了多项攻关研究。

然而煤层气这一巨大而洁净的资源在我国至今尚未被开发和利用。

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。

煤层气扩散理论及控制因素研究进展
李茂林
【期刊名称】《山东煤炭科技》
【年(卷),期】2024(42)3
【摘要】煤层气扩散特征研究对提高煤层气产量和减少矿井瓦斯灾害具有重要意义。

基于国内外学者在煤层气扩散领域取得的成果,从煤层气扩散模型、扩散实验和扩散控制因素等3方面进行系统研究。

结果表明:基于Fick定律的单孔扩散模型不能描述吸附/解吸扩散全过程,双孔扩散模型、多孔扩散模型和基于时间变化的动态扩散模型能更好解释扩散特征;测压法和质量法用来获取吸附扩散系数,体积法用来获取解吸扩散系数,选择合适的扩散模型拟合实验数据是获取扩散系数的关键;煤层气扩散特征主要受控于煤阶、孔隙结构、煤岩水分、温度、压力和粒径。

探寻扩散系数随时间变化规律,定量不同孔径扩散模型,明确扩散渗流联合机制,是该研究领域的发展趋势。

【总页数】6页(P98-103)
【作者】李茂林
【作者单位】山西西山煤电股份有限公司马兰矿
【正文语种】中文
【中图分类】P618.13
【相关文献】
1.煤层气扩散燃烧性能影响因素分析
2.煤层气达西、非达西渗流理论和扩散理论的\r研究进展综述
3.扩散控制台阶长大理论及其研究进展
4.煤层气渗流理论及其研究进展
5.基于“解吸-扩散-渗流”理论的煤层气产能因素探析
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《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。

煤层气注气开采多组分流体扩散模型数值模拟
孙可明
【期刊名称】《辽宁工程技术大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】2005(24)3
【摘要】为了解决低渗透煤层气开发遇到挑战,依据双重介质扩散渗流和多组分吸附平衡理论,建立了注气开采煤层气多组分流体扩散渗流模型,利用数值方法研究了注气开采煤层气的增产机理.研究表明,注入二氧化碳气体不但减少了煤层甲烷的分压,加速了煤层甲烷的解吸,而且二氧化碳气体比甲烷气体更易吸附,竞争吸附置换煤层甲烷分子,从而提高了煤层气产量,结果表明注气开采煤层气是提高我国低渗透煤层气产量的有效途径.
【总页数】4页(P305-308)
【关键词】煤层气;注气开采;多组分流体;双重介质;扩散;渗流
【作者】孙可明
【作者单位】辽宁工程技术大学力学与工程科学系
【正文语种】中文
【中图分类】TD313
【相关文献】
1.基于Maxwell-Stefan双扩散模型的煤层气注气数值模拟 [J], 孙晓飞;张艳玉;李凯;李志涛;尚凡杰;孙仁远
2.低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合数学模型及数值模拟 [J], 杨新乐;任常在;张
永利;郭仁宁
3.注气开采煤层气多组分流体扩散渗流问题研究 [J], 孙可明;梁冰
4.注气开采提高煤层气产量数值模拟研究 [J], 祝东峰
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