煤層氣開采
關(guān)注創(chuàng)建者：雪山公爵 創(chuàng)建時(shí)間：2017-02-11
煤層氣開采的視頻教程
COMSOL中實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯運(yùn)移系列課程
本課程主要分為兩大塊，第一塊基于實(shí)驗(yàn)室煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散，此擴(kuò)散模型又細(xì)化為雙孔擴(kuò)散、單孔擴(kuò)散、單孔時(shí)變擴(kuò)散，并以此擴(kuò)散模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建煤層瓦斯運(yùn)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(yīng)煤層氣、頁巖氣開采。本文改進(jìn)已有的單孔介質(zhì)模型的滲透率，適應(yīng)于煤體雙重孔隙-裂隙介質(zhì)模型。
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煤層氣開采的實(shí)例教程
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。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(shí)現(xiàn)微波注熱，這是一個(gè)雙場雙耦合過程；然后，通過熱膨脹耦合模塊、熱流動(dòng)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(gè)多場耦合過程；最終建立起一個(gè)電磁-熱-流-固全耦合模型。
展開 基于朱萬成老師于2011年發(fā)表的文章《A model of coal–gas interaction under variable temperatures》，建模。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
可以通過請私信聯(lián)系我。帖子有限，僅作部分展示。
1、共采用5個(gè)物理場：水合物分解場、甲烷氣體滲流場、水滲流場、溫度場、固體力學(xué)場；
2、使用PDE模塊進(jìn)行建模，使各個(gè)參數(shù)完全耦合起來；
3、考慮了開采前儲(chǔ)層的初始理化參數(shù)，如孔隙度phi_0、飽和度S_h0、彈性模量E_0等；
4、所有耦合方程采用文獻(xiàn)中現(xiàn)有的已證方程；
5、收斂性和魯棒性較好，方便后續(xù)建模參數(shù)修改；
6、僅作結(jié)果展示（分解時(shí)間1h），時(shí)間（0 0.001 1）；
7、友好交流共同進(jìn)步，請私信聯(lián)系我。（請注明來意）。
8、工程應(yīng)用：水合注熱-降壓法開采、永久凍土區(qū)凍融、煤層氣開采流固耦合相關(guān)。
本案例提出一種增強(qiáng)瓦斯開采的方法，即煤層注入CO2，增強(qiáng)甲烷開采的方法(CO2-ECBM)。在雙碳減排大背景下，煤層中注入CO2，一方面可以將其封存煤層中，減少其排放到大氣中；另一方面，利用CO2和甲烷之間的競爭吸附作用，CO2的吸附性大于甲烷的吸附性，這樣可以驅(qū)替甲烷，進(jìn)而增強(qiáng)瓦斯開采。此方法的技術(shù)難點(diǎn)具有以下幾方面：一、煤層中注入CO2，涉及到雙組分，氣體運(yùn)移更復(fù)雜；二、煤層的滲透率、孔隙率方程增添由CO2吸附擴(kuò)散引起的變化項(xiàng)；三、涉及到的物理場增多，方程更復(fù)雜，數(shù)值求解中模型收斂性很難。
本文構(gòu)建的物理場方程來自已公開發(fā)表的文獻(xiàn)，對于具體的數(shù)值求解方法，限于篇幅，會(huì)做出一部分解釋，主要從CO2-ECBM的機(jī)理角度出發(fā)。首先構(gòu)建模型的物理場方程，如圖1。該物理場方程主要分為氣體擴(kuò)散對流方程、溫度場方程、煤體變形控制方程，其中還有一些輔助方程，如滲透率方程、孔隙率方程等。煤體的有效應(yīng)力方程考慮了基質(zhì)、裂隙中的孔壓，基質(zhì)變形引起的應(yīng)力、煤層溫度變化引起的熱應(yīng)力。同時(shí)在煤體變形控制方程中，考慮有效應(yīng)力變化的煤體變形方程。煤體的對流擴(kuò)散方程分為擴(kuò)散項(xiàng)、對流項(xiàng)。此過程，將裂隙和基質(zhì)假設(shè)為一個(gè)整體，在這個(gè)整體上獲得統(tǒng)一的CO2與甲烷的對流擴(kuò)散方程，其中該系統(tǒng)的源項(xiàng)為0。溫度場需要考慮煤層本身的傳熱以及內(nèi)部對流換熱與基質(zhì)、煤體變形引起的溫度變化。將三個(gè)物理場方程耦合解算，是該數(shù)值模擬的一個(gè)難點(diǎn)。本案列選擇多物理場求解工具COMSOL,其在多場求解方面廣泛應(yīng)用。
圖1 CO2-ECBM物理場方程
COMSOL中求解步驟主要為參數(shù)、變量設(shè)置，幾何模型設(shè)置，物理場設(shè)置，網(wǎng)格劃分，求解器設(shè)置，后處理。參數(shù)變量設(shè)置中，需要把CO2-ECBM耦合方程中，相關(guān)的參數(shù)、變量設(shè)置到全局參數(shù)中。同時(shí)把一些物理場方程用到的變量設(shè)置到局部變量中。
展開 煤層卸壓開采瓦斯越流以及塑性變形 ￥100
煤層工作開挖過程，會(huì)引起鄰近煤巖層應(yīng)力、變形場發(fā)生變化，以及引起臨近煤層卸壓，從而達(dá)到保護(hù)層開挖目的。本模型根據(jù)煤巖層之間的位置關(guān)系，建立瓦斯流動(dòng)場、煤巖彈塑性變形場，供大家參考。
等效塑性應(yīng)變
塑性范圍
煤層滲透率變化
煤巖層瓦斯壓力
煤層氣開采的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
煤層氣開采的最新內(nèi)容
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
天然氣水合物是由天然氣和水在高壓、低溫環(huán)境下形成的結(jié)晶狀固體，其廣泛分布于陸地的永久凍土層和海底大陸的沉積物中。天然氣水合物因具有能量密度高、儲(chǔ)量豐富、污染性低的特點(diǎn)已引起了世界各國的廣泛關(guān)注。目前，常見的天然氣水合物開采方法有降壓開采、注熱開采、注化學(xué)劑開采和二氧化碳置換開采等，其中降壓開采被認(rèn)為是最具潛力的開采方法之一。加拿大、日本和中國等國家先后采用降壓開采法開展了天然氣水合物試采
基于朱萬成老師于2011年發(fā)表的文章《A model of coal–gas interaction under variable temperatures》，建模。控制方程如下所示：
得到的部分結(jié)果如下：
瓦斯壓力云圖
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。
本案例提出一種增強(qiáng)瓦斯開采的方法，即煤層注入CO2，增強(qiáng)甲烷開采的方法(CO2-ECBM)。在雙碳減排大背景下，煤層中注入CO2，一方面可以將其封存煤層中，減少其排放到大氣中；另一方面，利用CO2和甲烷之間的競爭吸附作用，CO2的吸附性大于甲烷的吸附性，這樣可以驅(qū)替甲烷，進(jìn)而增強(qiáng)瓦斯開采。此方法的技術(shù)難點(diǎn)具有以下幾方面：一、煤層中注入CO2，涉及到雙組分，氣體運(yùn)移更復(fù)雜；二、煤層的滲透率、孔隙率方程增添由
煤層工作開挖過程，會(huì)引起鄰近煤巖層應(yīng)力、變形場發(fā)生變化，以及引起臨近煤層卸壓，從而達(dá)到保護(hù)層開挖目的。本模型根據(jù)煤巖層之間的位置關(guān)系，建立瓦斯流動(dòng)場、煤巖彈塑性變形場，供大家參考。
等效塑性應(yīng)變
塑性范圍
煤層滲透率變化
煤巖層瓦斯壓力
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(gè)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。
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，有意購買者請聯(lián)系QQ1045343728.
8、工程應(yīng)用：水合注熱-降壓法開采、永久凍土區(qū)凍融、煤層氣開采流固耦合相關(guān)。
“阿波羅”渦輪壓裂車以一套輸出功率高達(dá)5600馬力的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為全車的動(dòng)力單元，該發(fā)動(dòng)機(jī)的重量只有700公斤，其功率密度是高功率柴油機(jī)的20倍。也就是說，在相同的額定功率下，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重量只有柴油機(jī)重量的二十分之一。
“阿波羅”渦輪壓裂車的外觀可謂十分“迷你”：重量只有37噸（含2.5噸油水），長度只有10米，底盤比2000型壓裂車還要短，道路通過性和靈活性因此大幅提升，一舉解決了目前壓裂車
