煤與瓦斯氣固耦合模型
關注創建者：康康學長 創建時間：2021-08-09
煤與瓦斯氣固耦合模型的視頻教程
基于comsol的煤礦系列仿真
-瓦斯抽采、流固熱化耦合、采空區耦合性分析、動水注漿等模型
參考文獻：水泥漿液裂隙注漿擴散規律模型試驗與數值模擬_劉健。 5.瓦斯抽采自定義方程流固熱耦合分析。comsol軟件內置的方程如有不適用于實際工況，可利用comsol的PDE模塊寫入用戶自定義的方程，從而達到仿真的目的，本案例利用系數形式偏微分方程（PDE自寫方程）的流-熱固多物理場耦合。 聯系方式QQ：2516817126
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煤與瓦斯氣固耦合模型的實例教程
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立足于消除煤層滲透及擴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力狀態特點的基礎上，建立更符合煤體的孔隙裂隙二重介質特性的修正的P-M滲透率模型，提出考慮解吸–擴散效應及Klinkenberg效應的煤與瓦斯氣固耦合模型，詳細闡述多物理場之間的耦合作用關系。應用該模型模擬分析深部首采層順層鉆孔預抽消突過程中煤層瓦斯壓力及滲透率的演化規律。
參考文獻：劉清泉,程遠平,李偉等.深部低透氣性首采層煤與瓦斯氣固耦合模型[J].巖石力學與工程學報,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
有需要該模型的，請聯系我QQ:1045343728。
展開 單軸壓縮瓦斯壓力變化
單軸壓縮瓦斯壓力變化顯示，考慮基質收縮時的滲透率瓦斯壓力下降幅度最大，僅考慮裂隙滲流瓦斯壓力下降幅度最小，其與煤層滲透率演化有關系。
但是僅考慮裂隙單孔滲流的瓦斯抽采量在前期確實最大的，其與是否考慮基質中瓦斯擴散有關系。
非單軸壓縮情況下各滲透率演化
非單軸壓縮情況下，ZHANG的模型滲透率影響在煤層左右邊界附近的滲透率和單軸壓縮有所不同，其主要原因在于煤層變形的影響。而在煤層右邊界的兩個ZHANG的邊界條件相同時，滲透率變化也是相同的。PM模型的在不同條件下，其滲透率變化結果是相同的。
左右邊界無約束時的煤體體應變
左邊界受到水平壓應力時的煤體體應變
非單軸壓縮的兩種情況中左邊界煤體的變形明顯不同，導致其滲透率演化趨勢不同。而右邊界煤體變形相同，所以其滲透率演化趨勢也是相同的。從以上幾種情況上看，煤體的滲透率受到煤層變形影響較大。PM模型未考慮煤體變形，則其邊界條件改變時，不會影響滲透率的變化。
以上案列是在技術鄰上發布課程的一部分，歡迎大家交流學習。
展開 水力沖洗技術起源于20世紀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，將應力傳遞到鉆孔周圍，達到卸壓的效果。鉆孔周圍的擾動使鉆孔周圍產生大量新的裂隙，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理和變量的演化規律。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。為實現水力沖孔強化采氣復雜的應力-損傷-滲流耦合過程，提出了以下假設：
(1)發生塑性變形以及產生新的裂隙，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生新的裂隙和破壞原有煤體基質的過程。塑性破壞后的煤體被視為具有較小基質和較多裂隙的彈性介質，如圖1（a）所示。(3)煤體是具有孔隙的雙重連續介質。自由氣體被認為是理想狀態氣體。(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)氣體的擴散過程服從菲克擴散定律，氣體和水的滲流過程服從達西定律。(6)拉應力為正，壓應力為負。
圖1 氣體運移過程
基質中瓦斯擴散方程：
瓦斯、水滲流控制方程：
煤體變形控制方程：
破壞判斷準則（D-P準則）：
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 <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過程中，頁巖氣井產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，在這種環境下基質和裂縫中的流動狀態會有很大差異，同時頁巖氣開采導致孔隙壓力降低，頁巖骨架承受的有效應力提高造成孔隙度、滲透率的降低，最終在宏觀上呈現出頁巖氣產量下降。
展開 控制方程如下所示：
得到的部分結果如下：
瓦斯壓力云圖
溫度云圖
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水力沖洗技術起源于20世紀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，將應力傳遞到鉆孔周圍，達到卸壓的效果。鉆孔周圍的擾動使鉆孔周圍產生大量新的裂隙，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理和變量的演化規律
基于朱萬成老師于2011年發表的文章《A model of coal–gas interaction under variable temperatures》，建模?？刂品匠倘缦滤荆?得到的部分結果如下：
瓦斯壓力云圖
電磁注熱增產已經廣泛應用于石油領域，其原理是利用天線將電磁能導入儲層，溫度的提高降低了原油粘度并提高了其流動性，從而提高了石油產量。微波能量可以通過波導和天線導入煤層，首先，由底板巷向煤層施工瓦斯抽采鉆孔；然后，將波導與天線連接并和抽采管一起放入鉆孔內；天線與鉆孔壁之間安裝特氟龍護管；最后密封鉆孔，打開微波發生器后實施瓦斯抽采。微波發生器產生的微波通過矩形波導、波導轉換器及同軸波導傳遞到鉆孔內的天線處
2、不同擴散模型下煤與瓦斯氣固耦合
作者：康康學長
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1829822
本文章主要通過介紹不同擴散模型下煤與瓦斯氣固耦合案列，探討基質中瓦斯擴散對瓦斯抽采流量以及抽擦效果的影響。首先擴散模型分為3類：(1)雙孔擴散模型(2)單孔擴散模型(3)動態時變擴散模型。
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生變化也發生變化。傳統的PM滲透率模型應用范圍比較局限，其僅適用于單軸壓縮且煤層上覆載荷不發生變化，對于復雜煤層的載荷發生變化，則就不適應。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。煤層周圍載荷發生變化，探究煤層變形、基質變形、孔壓變化對煤層滲透率的影響，以及討論PM
參考文獻：劉清泉,程遠平,李偉等.深部低透氣性首采層煤與瓦斯氣固耦合模型[J].巖石力學與工程學報,2015,34(S1):2749-2758.
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