煤層瓦斯運移
關注創建者：匿名 創建時間：2022-01-11
煤層瓦斯運移的視頻教程
COMSOL中實現煤層瓦斯運移系列課程
本課程主要分為兩大塊，第一塊基于實驗室煤粒瓦斯解吸擴散，此擴散模型又細化為雙孔擴散、單孔擴散、單孔時變擴散，并以此擴散模型為基礎，構建煤層瓦斯運移模型。第二塊為基于煤層中煤與瓦斯流固耦合模型，講解煤層瓦斯抽采過程中煤巖體的滲透率的演化，此模型也適應煤層氣、頁巖氣開采。本文改進已有的單孔介質模型的滲透率，適應于煤體雙重孔隙-裂隙介質模型。
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煤層瓦斯運移的實例教程
煤層瓦斯運移主要涉及到基質中瓦斯解吸、擴散、裂隙中瓦斯滲流，涉及到的物理場為煤層變形方程、多孔介質擴散滲流方程、煤層溫度方程、甲烷氧化方程等。這些方程在COMSOL中，均有對應的物理場接口，用COMSOL研究煤層中瓦斯運移或者研究實驗室中煤柱、煤粒中甲烷運移都是很方便的。接下來幾個帖子，我會按照建模的順序以此介紹主要設置，方便大家更好地了解COMSOL的基本使用，以期在科研學習上幫助大家。COMSOL是一款多物理場求解軟件，能講多個物理場進行耦合計算，其界面十分友好。由于其功能復雜性，本次系列教程只針對早煤層瓦斯運移中常用的設置做出一些介紹，本次教程以COMSOL5.6版本為例。
首先，打開COMSOL5.6，需要新建立一個模型。可以選擇模型向導或者空模型，以模型向導為例。選擇模型向導，進入選擇空間維度，根據自己的模型需要選擇三維、二維、一維等。在二維模型和一維模型中，還可以選擇對稱，可以只對對稱的一半進行建模，這樣可以減少計算內存和運行時間。進入物理場選擇環節，根據需要的物理場方程選擇對應的物理場接口。比如，研究瓦斯在煤層中的滲流情況，可以選擇地下水流達西定律接口，還可選擇裂隙流、brinkman方程等。物理場選擇完成后，進入研究選項。一般選擇瞬態、穩態研究，按照字面意思理解，瞬態即場變量隨時間變化情況，穩態即場變量不隨時間變化。對于瓦斯流動，一般選擇瞬態研究。
圖1 COMSOL選項介紹
圖2 COMSOL界面介紹
圖3 菜單欄
以上環節選擇完畢后，進入到COMSOL的主界面，如圖2。COMSOL截面主要分為4大區域：菜單欄、功能區、設置、圖形處理。首先從菜單欄介紹，菜單欄分為主屏幕、定義、幾何、草圖、材料、物理場、網格、研究、結果等，可以查看不同子菜單對應的功能。如主屏幕，可以查看組件、新建參數變量、添加材料等。
展開 煤層瓦斯運移過程，基質、裂隙中瓦斯分別以不同的滲透率進行滲透。裂隙中滲透率變化明顯高于基質中滲透率變化，可能于裂隙瓦斯滲透速度快，裂隙有效應力變化大有關，具體的變化見圖。歡迎大家交流學習！
在高 壓水射流擾動后，打破原始儲層的原有應力平衡狀態，使多孔介質所受有效應力 發生改變，煤巖的孔隙度和滲透率也隨時間推移而不斷發生改變，煤層中原有瓦 斯運移狀態被打破。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 質收縮。因此，研究水射流擾動煤層后的瓦斯運移產出過程，必須要綜合考慮應 力場、變形場和瓦斯滲流場三場互相耦合作用。
基本假設 瓦斯在煤儲層中的運移產出是一個涉及多學科的及其復雜過程，包括滲流力 學、固體力學、材料力學、巖體力學等，需要引入必要的假設作為建立流-固耦合 偏微分方程的基礎。本文根據前人對流-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條件：
(1)含瓦斯煤巖可視為各向同性線彈性介質；
(2)將煤層視為均質，即煤層中各部分物理性質處處相同，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生的應變與有效應力之間的 關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；
(7)設模型與外界隔絕，不發生任何形式的能量和物質交換。
求解結果
孔隙率數學模型
滲透率演化數學模型
應力場方程
滲流場方程
含瓦斯煤巖流-固耦合理論模型方程組
數學模型嵌入
應力場嵌入
展開 1、使用comsol PDE模塊完全耦合兩相流建模，可以根據需要考慮是否加入傳熱模塊；控制方程、邊界條件、建模參數如下：
2、考慮兩相流模型，使用雙重裂隙模型，考慮了基質或骨架變形，
3、考慮基質瓦斯解吸；
4、適用于煤層氣水力驅替瓦斯，地下水上漲等流固耦合模型；
5、可以通過請私信聯系我。帖子有限，僅作部分展示。
氮氣驅替煤層瓦斯仿真 ￥800
氮氣驅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險。煤層瓦斯是在地下煤礦中產生的一種可燃氣體，其主要成分是甲烷。當瓦斯濃度超過一定范圍時，與空氣形成可燃氣體混合物，一旦受到火源的引燃，就有可能引發爆炸事故。為了減少煤礦瓦斯爆炸的風險，常采用氮氣驅替的方法。該方法通過向煤礦中注入大量的氮氣，將瓦斯排出礦井，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作用下的瓦斯驅替過程，仿真結果如圖所示：
感興趣的朋友，可下載模型交流！
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氮氣驅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險。煤層瓦斯是在地下煤礦中產生的一種可燃氣體，其主要成分是甲烷。當瓦斯濃度超過一定范圍時，與空氣形成可燃氣體混合物，一旦受到火源的引燃，就有可能引發爆炸事故。為了減少煤礦瓦斯爆炸的風險，常采用氮氣驅替的方法。該方法通過向煤礦中注入大量的氮氣，將瓦斯排出礦井，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作用下的瓦斯驅替過程
Simpack入門實操及工程案例演練
https://www.yqgqt.org.cn/video/c37224
否
熱流固THM耦合下注氣驅替甲烷案例分析
https://www.yqgqt.org.cn/video/c176876
是
COMSOL中實現煤層瓦斯運移系列課程
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
基于擴散滲流的雙孔介質煤層瓦斯流動模型，可模擬抽采半徑，分析不同工況的抽采效果等
單孔抽采模擬-不同初始瓦斯壓力
單孔基質.jpg
單孔裂隙.jpg
單孔壓力分布.png
多孔抽采模型-不同抽采負壓
多孔裂隙.jpg
多孔基質.jpg
多孔壓力分布.jpg
附參考文獻
煤儲層的微波注熱增產示意圖
煤層內的瓦斯運移涉及煤體變形、氣體滑移、吸附導致的基質收縮/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鍵。瓦斯賦存具有極強的溫度敏感性；煤的異質性可能會引發不均勻受熱從而產生熱應力，這些熱應力會引起煤體形變并改造滲透率；煤體升溫會驅使氣體從煤基質中解吸出來并處于一種自由、活躍狀態。
煤層瓦斯運移主要涉及到基質中瓦斯解吸、擴散、裂隙中瓦斯滲流，涉及到的物理場為煤層變形方程、多孔介質擴散滲流方程、煤層溫度方程、甲烷氧化方程等。這些方程在COMSOL中，均有對應的物理場接口，用COMSOL研究煤層中瓦斯運移或者研究實驗室中煤柱、煤粒中甲烷運移都是很方便的。接下來幾個帖子，我會按照建模的順序以此介紹主要設置，方便大家更好地了解COMSOL的基本使用，以期在科研學習上幫助大家。
煤層工作開挖過程，會引起鄰近煤巖層應力、變形場發生變化，以及引起臨近煤層卸壓，從而達到保護層開挖目的。本模型根據煤巖層之間的位置關系，建立瓦斯流動場、煤巖彈塑性變形場，供大家參考。
等效塑性應變
塑性范圍
煤層滲透率變化
煤巖層瓦斯壓力
1、使用comsol PDE模塊完全耦合兩相流建模，可以根據需要考慮是否加入傳熱模塊；控制方程、邊界條件、建模參數如下：
2、考慮兩相流模型，使用雙重裂隙模型，考慮了基質或骨架變形，
3、考慮基質瓦斯解吸；
4、適用于煤層氣水力驅替瓦斯，地下水上漲等流固耦合模型；
5、可以通過請私信聯系我。帖子有限，僅作部分展示。
煤層瓦斯運移過程，基質、裂隙中瓦斯分別以不同的滲透率進行滲透。裂隙中滲透率變化明顯高于基質中滲透率變化，可能于裂隙瓦斯滲透速度快，裂隙有效應力變化大有關，具體的變化見圖。歡迎大家交流學習！
本模擬為煤層注氣驅替瓦斯，采用pde模塊模擬瓦斯擴散、滲流過程，參考文獻為注氣驅替煤層瓦斯時效特性影響因素分析，有意購買者請聯系QQ1045343728.
