煤層瓦斯氣固耦合模型的案例
考慮塑性破壞的高瓦斯煤層水力沖孔氣液固耦合模型
水力沖洗技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，主要用于提高美國圣胡安盆地煤層氣的采收率。利用高壓水沖洗煤壁，將破碎的煤塊帶出，在煤層中形成一定的空腔，將應(yīng)力傳遞到鉆孔周圍，達(dá)到卸壓的效果。鉆孔周圍的擾動使鉆孔周圍產(chǎn)生大量新的裂隙，改變了煤體的孔隙度，從而提高了煤層的滲透性。建立了考慮煤體塑性破壞的水力沖煤多場耦合模型，利用COMSOL Multiphysics軟件研究水力沖孔過程的機(jī)理和變量的演化規(guī)律。煤層水力沖孔涉及到巖體塑性變形、瓦斯吸附等多物理量的相互作用。為實現(xiàn)水力沖孔強化采氣復(fù)雜的應(yīng)力-損傷-滲流耦合過程，提出了以下假設(shè)：
(1)發(fā)生塑性變形以及產(chǎn)生新的裂隙，而彈性變形僅改變裂隙的孔徑。(2)水力沖孔引起的煤體塑性變形是一個產(chǎn)生新的裂隙和破壞原有煤體基質(zhì)的過程。塑性破壞后的煤體被視為具有較小基質(zhì)和較多裂隙的彈性介質(zhì)，如圖1（a）所示。(3)煤體是具有孔隙的雙重連續(xù)介質(zhì)。自由氣體被認(rèn)為是理想狀態(tài)氣體。(4)吸附氣和游離氣主要存在于孔隙和裂隙中，而水僅存在于裂隙中并在裂隙中運移，氣體和水的輸運過程如圖1（b）所示。(5)氣體的擴(kuò)散過程服從菲克擴(kuò)散定律，氣體和水的滲流過程服從達(dá)西定律。(6)拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。
圖1 氣體運移過程
基質(zhì)中瓦斯擴(kuò)散方程：
瓦斯、水滲流控制方程：
煤體變形控制方程：
破壞判斷準(zhǔn)則（D-P準(zhǔn)則）：
裂隙率控制方程：
幾何模型與邊界條件：
圖2 幾何模型及邊界條件
部分圖片展示
圖3 鉆孔周圍滲透率分布
圖4 鉆孔周圍瓦斯壓力分布
圖5 鉆孔周圍瓦斯飽和度分布
圖6 鉆孔周圍瓦斯壓力分布
展開 煤與瓦斯氣固耦合模型 ￥200
立足于消除煤層滲透及擴(kuò)散特性對于煤與瓦斯氣固耦合模型的干擾，在分析首采煤層所處應(yīng)力狀態(tài)特點的基礎(chǔ)上，建立更符合煤體的孔隙裂隙二重介質(zhì)特性的修正的P-M滲透率模型，提出考慮解吸–擴(kuò)散效應(yīng)及Klinkenberg效應(yīng)的煤與瓦斯氣固耦合模型，詳細(xì)闡述多物理場之間的耦合作用關(guān)系。應(yīng)用該模型模擬分析深部首采層順層鉆孔預(yù)抽消突過程中煤層瓦斯壓力及滲透率的演化規(guī)律。
參考文獻(xiàn)：劉清泉,程遠(yuǎn)平,李偉等.深部低透氣性首采層煤與瓦斯氣固耦合模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2015,34(S1):2749-2758.
深部低透氣性首采層煤與瓦斯氣固耦合模型_劉清泉.pdf
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展開 煤層氣注熱開采的熱流-固-全耦合模型
控制方程如下所示：
得到的部分結(jié)果如下：
瓦斯壓力云圖
溫度云圖
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煤層氣微波注熱的電磁-熱-流-固全耦合模型
微波能量可以通過波導(dǎo)和天線導(dǎo)入煤層，首先，由底板巷向煤層施工瓦斯抽采鉆孔；然后，將波導(dǎo)與天線連接并和抽采管一起放入鉆孔內(nèi)；天線與鉆孔壁之間安裝特氟龍護(hù)管；最后密封鉆孔，打開微波發(fā)生器后實施瓦斯抽采。微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波通過矩形波導(dǎo)、波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器及同軸波導(dǎo)傳遞到鉆孔內(nèi)的天線處，并由天線向煤層輻射注熱，一方面，微波輻射熱效應(yīng)提高了煤體溫度，瓦斯氣體大量解吸；另一方面，微波輻射改變了煤體物性結(jié)構(gòu)，煤層含水飽和度大大降低，煤體孔隙率、滲透率迅速提高，從而極大地促進(jìn)了瓦斯抽采。由于煤基質(zhì)是微波透明體，而煤中水分是微波吸收體，利用微波的穿透性對水進(jìn)行選擇性加熱決定了其比注熱水或熱蒸汽更加節(jié)能，更加經(jīng)濟(jì)。
煤儲層的微波注熱增產(chǎn)示意圖
煤層內(nèi)的瓦斯運移涉及煤體變形、氣體滑移、吸附導(dǎo)致的基質(zhì)收縮/膨脹、及熱傳遞，研究瓦斯運移必須兼顧各物理場的交互耦合。溫度是影響煤體變形及瓦斯運移的關(guān)鍵。瓦斯賦存具有極強的溫度敏感性；煤的異質(zhì)性可能會引發(fā)不均勻受熱從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力會引起煤體形變并改造滲透率；煤體升溫會驅(qū)使氣體從煤基質(zhì)中解吸出來并處于一種自由、活躍狀態(tài)。溫度的升高會促使瓦斯由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，微波熱改造會導(dǎo)致煤層溫度及含水率的改變，從而觸發(fā)復(fù)雜的氣-固耦合作用。近年來，眾多學(xué)者為定量表征煤層氣開采中復(fù)雜的氣-固耦合過程已建立了一系列數(shù)值模型，然而涉及微波電磁-熱耦合效應(yīng)的煤儲層滲透率模型罕有報道。本模型的首先通過介質(zhì)損耗將電磁場與傳熱場聯(lián)立起來以實現(xiàn)微波注熱，這是一個雙場雙耦合過程；然后，通過熱膨脹耦合模塊、熱流動耦合模塊、熱解吸效應(yīng)、吸附膨脹效應(yīng)建立起滲透率模型并將傳熱場、固體力學(xué)場及滲流場耦合起來，這是一個多場耦合過程；最終建立起一個電磁-熱-流-固全耦合模型。
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不同載荷條件下煤與瓦斯氣固耦合模型及其滲透率演化
瓦斯抽采或煤層氣開采過程中，煤層的滲透率隨著載荷條件發(fā)生變化也發(fā)生變化。傳統(tǒng)的PM滲透率模型應(yīng)用范圍比較局限，其僅適用于單軸壓縮且煤層上覆載荷不發(fā)生變化，對于復(fù)雜煤層的載荷發(fā)生變化，則就不適應(yīng)。本案列通過選取兩個不同的滲透率模型，其一是Zhang等人提出的應(yīng)用范圍更廣泛的模型，其二是在煤層滲透率使用廣泛的PM模型。煤層周圍載荷發(fā)生變化，探究煤層變形、基質(zhì)變形、孔壓變化對煤層滲透率的影響，以及討論PM模型的局限。
工況一：單軸壓縮，上覆載荷無變化。如上圖幾何模型所示，其左右下邊界為約束邊界，上邊界為固體載荷垂直應(yīng)力。此模型，采用(1)雙重孔隙-裂隙介質(zhì)模型；(2)僅考慮裂隙滲流。在(1)中雙重介質(zhì)模型中，采用改進(jìn)的Zhang的滲透率模型以及PM模型,在Zhang的模型，分為(a)考慮基質(zhì)變形和孔壓變化；(b)僅考慮孔壓變化。在(2)中采用PM滲透率模型。
雙重介質(zhì)模型中改進(jìn)的PM滲透率模型
雙重介質(zhì)模型中改進(jìn)的ZHANG的滲透率模型
單軸壓縮情況下各滲透率演化
ZHANG的滲透率模型考慮煤層變形對有效應(yīng)力、滲透率的影響，而PM模型未考慮煤層變形對滲透壓率影響。鉆孔附近的煤層變形較大，導(dǎo)致鉆孔附近的煤體滲透率比值增大的幅度更大。未考慮基質(zhì)變形的ZHANG的模型，滲透率演化的趨勢和考慮基質(zhì)變形的演化趨勢相反，可以看到基質(zhì)變形對滲透率的影響較大。
考慮基質(zhì)變時的體應(yīng)變
未考慮基質(zhì)變時的體應(yīng)變
從煤體變形的體應(yīng)變可以看出，考慮基質(zhì)變形時的體應(yīng)變小于未考慮基質(zhì)變形時的體應(yīng)變，可能與煤基質(zhì)收縮有關(guān)系。同時，考慮基質(zhì)變形時在鉆孔附近的y方向的位移大于周圍的位移，這個區(qū)域收到煤基質(zhì)影響范圍更大。
展開 comsol考慮流-固耦合理論的煤層瓦斯抽采數(shù)值模擬 ￥100
本模型來源論文復(fù)現(xiàn)，附件中包含參考論文和模型，歡迎大家下載學(xué)習(xí)。
煤巖作為一種多孔介質(zhì)，具有復(fù)雜的宏觀裂隙、顯微裂隙和孔隙組成。在高 壓水射流擾動后，打破原始儲層的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，使多孔介質(zhì)所受有效應(yīng)力 發(fā)生改變，煤巖的孔隙度和滲透率也隨時間推移而不斷發(fā)生改變，煤層中原有瓦 斯運移狀態(tài)被打破。煤儲層中瓦斯的吸附、解吸過程也會引起煤的膨脹變形和基 質(zhì)收縮。因此，研究水射流擾動煤層后的瓦斯運移產(chǎn)出過程，必須要綜合考慮應(yīng) 力場、變形場和瓦斯滲流場三場互相耦合作用。
基本假設(shè) 瓦斯在煤儲層中的運移產(chǎn)出是一個涉及多學(xué)科的及其復(fù)雜過程，包括滲流力 學(xué)、固體力學(xué)、材料力學(xué)、巖體力學(xué)等，需要引入必要的假設(shè)作為建立流-固耦合 偏微分方程的基礎(chǔ)。本文根據(jù)前人對流-固耦合理論的不斷研究，為建立含瓦斯煤 巖流-固耦合理論模型提出如下假設(shè)條件：
(1)含瓦斯煤巖可視為各向同性線彈性介質(zhì)；
(2)將煤層視為均質(zhì)，即煤層中各部分物理性質(zhì)處處相同，并不隨著位置的變 化而變化；
(3)煤層溫度保持恒定；
(4)煤層中所含瓦斯視為理想氣體，且服從理想氣體狀態(tài)方程；煤層瓦斯解吸 服從 Langmuir 方程；
(5)煤巖的變形屬于小變形，含瓦斯煤巖變形所產(chǎn)生的應(yīng)變與有效應(yīng)力之間的 關(guān)系遵從廣義胡克定律；
(6)煤層中只有單相飽和的瓦斯飽流體，并且只有游離和吸附兩種狀態(tài)；
(7)設(shè)模型與外界隔絕，不發(fā)生任何形式的能量和物質(zhì)交換。
求解結(jié)果
孔隙率數(shù)學(xué)模型
滲透率演化數(shù)學(xué)模型
應(yīng)力場方程
滲流場方程
含瓦斯煤巖流-固耦合理論模型方程組
數(shù)學(xué)模型嵌入
應(yīng)力場嵌入
展開 基于雙重孔隙介質(zhì)模型的煤層熱流固瓦斯抽采 ￥200
該模型為低滲透煤層注熱，鉆孔瓦斯抽采過程。本模型采用雙重孔隙介質(zhì)模型，在此基礎(chǔ)上耦合溫度場、煤巖變形場。需要該模型的請聯(lián)系：QQ1045343728
網(wǎng)格劃分
瓦斯壓力云圖
鉆孔周圍x方向應(yīng)力分量
鉆孔周圍y方向應(yīng)力分量
鉆孔周圍z方向應(yīng)力分量
鉆孔周圍x方向應(yīng)變分量
鉆孔周圍y方向應(yīng)變分量
溫度云圖
煤層瓦斯壓力變化曲線
體載荷
體應(yīng)變
頁巖氣生產(chǎn)過程中的流固耦合模型comsol復(fù)現(xiàn) ￥100
<p>論文原文：What Factors Control Shale-Gas Production and Production-Decline Trend in Fractured Systems: A Comprehensive Analysis and Investigation</p><p><br></p><p>這篇論文深入探討了在頁巖氣生產(chǎn)過程中，頁巖氣井產(chǎn)量總是會迅速降低的深層原因。</p><p>頁巖氣儲層的孔隙度、孔徑、滲透率都非常低，在這種環(huán)境下基質(zhì)和裂縫中的流動狀態(tài)會有很大差異，同時頁巖氣開采導(dǎo)致孔隙壓力降低，頁巖骨架承受的有效應(yīng)力提高造成孔隙度、滲透率的降低，最終在宏觀上呈現(xiàn)出頁巖氣產(chǎn)量下降。
展開 技術(shù)鄰周報Q18：結(jié)構(gòu)設(shè)計/Abauqs/氣固耦合/NVH/巖土/iSolver/超彈模型/CFD/動力總成...
2、不同擴(kuò)散模型下煤與瓦斯氣固耦合
作者：康康學(xué)長
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1829822
本文章主要通過介紹不同擴(kuò)散模型下煤與瓦斯氣固耦合案列，探討基質(zhì)中瓦斯擴(kuò)散對瓦斯抽采流量以及抽擦效果的影響。首先擴(kuò)散模型分為3類：(1)雙孔擴(kuò)散模型(2)單孔擴(kuò)散模型(3)動態(tài)時變擴(kuò)散模型。
3、Abaqus疑難雜癥——局部坐標(biāo)系的那些事兒
作者：
易公子
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1829859
本篇文章將詳細(xì)講解Abaqus/CAE中局部坐標(biāo)系的一些故事，內(nèi)容來源于本人平時學(xué)習(xí)軟件時的心得和官方在線手冊以及曹金鳳老師、石亦平博士編寫的《ABAQUS有限元分析常見問題解答》，分為基礎(chǔ)小白篇（面向初學(xué)者）和高手進(jìn)階篇（面向中級Abaqus仿真師）。
4、新能源汽車驅(qū)動電機(jī)NVH仿真中的電磁力處理
作者：
沉魚落雁
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1829916
電機(jī)NVH是一個多物理場耦合的問題，其中涉及到的電磁、機(jī)構(gòu)運動、熱流等領(lǐng)域，對應(yīng)仿真也需要采用多個不同領(lǐng)域的求解器聯(lián)合求解。目前，對于由于電磁載荷引起的電機(jī)噪聲仿真一般采取先進(jìn)行電磁仿真提取電磁力，然后將提取的電磁力加載到結(jié)構(gòu)有限元模型上進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動噪聲仿真的流程。
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