煤層注氣驅(qū)替瓦斯的案例
煤層注氣驅(qū)替瓦斯數(shù)值模擬 ￥200
本模擬為煤層注氣驅(qū)替瓦斯，采用pde模塊模擬瓦斯擴(kuò)散、滲流過程，參考文獻(xiàn)為注氣驅(qū)替煤層瓦斯時(shí)效特性影響因素分析，有意購買者請(qǐng)聯(lián)系QQ1045343728.
氮?dú)?em>驅(qū)替煤層瓦斯仿真 ￥800
氮?dú)?em>驅(qū)替煤層瓦斯是一種常用的安全措施，用于減少煤礦瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。煤層瓦斯是在地下煤礦中產(chǎn)生的一種可燃?xì)怏w，其主要成分是甲烷。當(dāng)瓦斯濃度超過一定范圍時(shí)，與空氣形成可燃?xì)怏w混合物，一旦受到火源的引燃，就有可能引發(fā)爆炸事故。為了減少煤礦瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，常采用氮?dú)?em>驅(qū)替的方法。該方法通過向煤礦中注入大量的氮?dú)猓瑢?em>瓦斯排出礦井，并將其稀釋到安全濃度以下。
本案例基于COMSOL軟件仿真了煤層受到力學(xué)作用下的瓦斯驅(qū)替過程，仿真結(jié)果如圖所示：
感興趣的朋友，可下載模型交流！
展開 comsol注二氧化碳驅(qū)替瓦斯 ￥100
然而我國煤層滲透率普遍較低，不利于甲烷的抽排，注入二氧化碳驅(qū)替甲烷可以顯著提高采收率。因此，從環(huán)保、安全和能源的角度來講，注入二氧化碳驅(qū)替煤層甲烷的開展具有重要意義。
基于 Darcy 滲流理論、Fick 擴(kuò)散理論、擴(kuò)展Langmuir 吸附理論以及氣體狀態(tài)方程，構(gòu)建了氣體連續(xù)運(yùn)動(dòng)耦合方程，利用 Comsol Multiphysics 有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了不同注氣壓力和不同滲透率條件下的注二氧化碳驅(qū)替甲烷數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)吻合，驅(qū)替效果良好。注氣壓力和滲透率顯著影響驅(qū)替效率，注氣壓力提高導(dǎo)致二氧化碳突破出氣口和置換完成的時(shí)間縮短；滲透率越低置換所需時(shí)間越長，驅(qū)替進(jìn)展越緩慢。
展開 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(dòng)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)水力沖孔強(qiáng)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(gè)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(yùn)移，氣體和水的輸運(yùn)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(yùn)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
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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
電磁注熱增產(chǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油領(lǐng)域，其原理是利用天線將電磁能導(dǎo)入儲(chǔ)層，溫度的提高降低了原油粘度并提高了其流動(dòng)性，從而提高了石油產(chǎn)量。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(shí)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(duì)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(chǔ)層的微波注熱增產(chǎn)示意圖
煤層內(nèi)的瓦斯運(yùn)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(yùn)移必須兼顧各物理場(chǎng)的交互耦合。溫度是影響煤體變形及瓦斯運(yùn)移的關(guān)鍵。瓦斯賦存具有極強(qiáng)的溫度敏感性；煤的異質(zhì)性可能會(huì)引發(fā)不均勻受熱從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力會(huì)引起煤體形變并改造滲透率；煤體升溫會(huì)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(huì)促使瓦斯由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，微波熱改造會(huì)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(chǔ)層滲透率模型罕有報(bào)道。
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