煤層氣開采的案例
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，并由天線向煤層輻射注熱，一方面，微波輻射熱效應提高了煤體溫度，瓦斯氣體大量解吸；另一方面，微波輻射改變了煤體物性結構，煤層含水飽和度大大降低，煤體孔隙率、滲透率迅速提高，從而極大地促進了瓦斯抽采。由于煤基質是微波透明體，而煤中水分是微波吸收體，利用微波的穿透性對水進行選擇性加熱決定了其比注熱水或熱蒸汽更加節能，更加經濟。
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。溫度的升高會促使瓦斯由吸附態轉變為游離態，微波熱改造會導致煤層溫度及含水率的改變，從而觸發復雜的氣-固耦合作用。近年來，眾多學者為定量表征煤層氣開采中復雜的氣-固耦合過程已建立了一系列數值模型，然而涉及微波電磁-熱耦合效應的煤儲層滲透率模型罕有報道。本模型的首先通過介質損耗將電磁場與傳熱場聯立起來以實現微波注熱，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、吸附膨脹效應建立起滲透率模型并將傳熱場、固體力學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。
展開 煤層氣注熱開采的熱流-固-全耦合模型
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。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
可以通過請私信聯系我。帖子有限，僅作部分展示。
基于COMSOL 多物理場耦合&偏微分方程（PDE）的甲烷水合物注熱-降壓聯合開采數值模擬
1、共采用5個物理場：水合物分解場、甲烷氣體滲流場、水滲流場、溫度場、固體力學場；
2、使用PDE模塊進行建模，使各個參數完全耦合起來；
3、考慮了開采前儲層的初始理化參數，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中現有的已證方程；
5、收斂性和魯棒性較好，方便后續建模參數修改；
6、僅作結果展示（分解時間1h），時間（0 0.001 1）；
7、友好交流共同進步，請私信聯系我。（請注明來意）。
8、工程應用：水合注熱-降壓法開采、永久凍土區凍融、煤層氣開采流固耦合相關。
熱力流(THM)煤層注入CO2驅替甲烷開采(CO2-ECBM)
本案例提出一種增強瓦斯開采的方法，即煤層注入CO2，增強甲烷開采的方法(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，這樣可以驅替甲烷，進而增強瓦斯開采。此方法的技術難點具有以下幾方面：一、煤層中注入CO2，涉及到雙組分，氣體運移更復雜；二、煤層的滲透率、孔隙率方程增添由CO2吸附擴散引起的變化項；三、涉及到的物理場增多，方程更復雜，數值求解中模型收斂性很難。
本文構建的物理場方程來自已公開發表的文獻，對于具體的數值求解方法，限于篇幅，會做出一部分解釋，主要從CO2-ECBM的機理角度出發。首先構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。煤體的有效應力方程考慮了基質、裂隙中的孔壓，基質變形引起的應力、煤層溫度變化引起的熱應力。同時在煤體變形控制方程中，考慮有效應力變化的煤體變形方程。煤體的對流擴散方程分為擴散項、對流項。此過程，將裂隙和基質假設為一個整體，在這個整體上獲得統一的CO2與甲烷的對流擴散方程，其中該系統的源項為0。溫度場需要考慮煤層本身的傳熱以及內部對流換熱與基質、煤體變形引起的溫度變化。將三個物理場方程耦合解算，是該數值模擬的一個難點。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用。
圖1 CO2-ECBM物理場方程
COMSOL中求解步驟主要為參數、變量設置，幾何模型設置，物理場設置，網格劃分，求解器設置，后處理。參數變量設置中，需要把CO2-ECBM耦合方程中，相關的參數、變量設置到全局參數中。同時把一些物理場方程用到的變量設置到局部變量中。
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
煤層注氣驅替瓦斯數值模擬 ￥200
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.
探討頁巖氣開采中微觀參量對宏觀產量的影響
眾所周知，頁巖中存在豐富的納米孔隙，并且具有低孔、低滲的特點，頁巖氣開采時必須采用水力壓裂等手段在儲層中形成密集有效的裂縫網才能實現商業開采。那么，頁巖氣的產量與有機質內的納米孔隙的關聯度如何？怎樣建立微觀與宏觀的聯系？是當前頁巖氣開發中急需解決的科學問題。
近期，中科院力學所流固耦合實驗室林緬研究團隊針對這一問題取得重要進展。研究人員從認識頁巖中至關重要的有機質塊和有機質孔出發，提出了有機質表征單元體（oREV）的概念，通過多尺度掃描圖像，結合統計方法，建立了具有oREV尺度的統計耦合模型。該模型充分考慮了有機質和無機質的耦合。通過融合課題組前期工作，將納米喉道內的甲烷吸附、有機質內甲烷的運移擴散，及無機質內裂縫網的達西流動有機地結合在一起，形成了一套快速高效預測頁巖氣產量的方法，真正實現了跨尺度的滲流模擬。通過計算分析發現，統計耦合模型所預測的產量曲線比其他模型的結果更合理，能夠部分回答當前關于理論預測產量與實際產量脫鉤的問題。
該研究成果已發表在石油工程學科頂級國際期刊Journal of Petroleum Science and Engineering（Cao G, Lin M, Jiang W, Zhao W, Ji L, Li C, et al. Astatistical-coupled model for organic-rich shale gas transport. Journal ofPetroleum Science and Engineering 2018; 169: 167-183.）上。研究工作得到了中科院先導B頁巖氣專項、國家自然科學基金和國家重點基礎研究發展計劃（973）等項目的支持。
展開 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力。此模型，采用(1)雙重孔隙-裂隙介質模型；(2)僅考慮裂隙滲流。在(1)中雙重介質模型中，采用改進的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。
雙重介質模型中改進的PM滲透率模型
雙重介質模型中改進的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。未考慮基質變形的ZHANG的模型，滲透率演化的趨勢和考慮基質變形的演化趨勢相反，可以看到基質變形對滲透率的影響較大。
考慮基質變時的體應變
未考慮基質變時的體應變
從煤體變形的體應變可以看出，考慮基質變形時的體應變小于未考慮基質變形時的體應變，可能與煤基質收縮有關系。同時，考慮基質變形時在鉆孔附近的y方向的位移大于周圍的位移，這個區域收到煤基質影響范圍更大。
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 基于動態滲透率模型的天然氣水合物 降壓開采數值模擬研究
天然氣水合物是由天然氣和水在高壓、低溫環境下形成的結晶狀固體，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、儲量豐富、污染性低的特點已引起了世界各國的廣泛關注。目前，常見的天然氣水合物開采方法有降壓開采、注熱開采、注化學劑開采和二氧化碳置換開采等，其中降壓開采被認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。歡迎大家交流，加qq1045343728。
展開 頁巖氣開采的大國重器：渦輪壓裂車，采用航空發動機作為動力單元！
“阿波羅”渦輪壓裂車以一套輸出功率高達5600馬力的渦輪發動機作為全車的動力單元，該發動機的重量只有700公斤，其功率密度是高功率柴油機的20倍。也就是說，在相同的額定功率下，渦輪發動機的重量只有柴油機重量的二十分之一。
“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“上牌難、上路難、上山難”的“三難”問題。
但“迷你”的外觀卻蘊涵著“阿波羅”渦輪壓裂車超強的產品性能：4500水馬力的輸出功率相當于一輛2500型壓裂車和一輛2000型常規壓裂車的總和，以構建一套36000水馬力的壓裂車組為例，僅用8臺“阿波羅”壓裂車就能實現18臺2000型壓裂車才能進行的大型工廠化壓裂作業。這兩個數字，意味著減少了55%的井場占地和車組人員配套，以及減少了55%的現場高低壓管匯工作量。
渦輪發動機具有很強的燃料兼容性，除了使用常規的柴油燃料外，井口氣、LNG、CNG，包括生物燃油都可以驅動其進行作業。據介紹，該產品具有單機功率高、性能全面提升、燃油經濟環保、啟動迅速、超長壽命以及維護保養操作簡單等優勢。
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方案 | Hydraulic Fracturing Simulator 地下資源開采水力壓裂仿真解決
基于微震監測數據（左）與射孔井底壓力（右）進行參數反演（紅色點、線為監測數據）
改造體積發展歷史以及破壞模式，圖形顯示某頁巖氣儲層以節理的剪切破壞為主導模式
Hydraulic Fracture Simulator可用于水力壓裂相關的各個領域，包括頁巖氣、頁巖油、致密氣、煤層氣、石油開采、地熱能、煤礦瓦斯抽放、核廢料處理、工業排污等。
Hydraulic Fracturing Simulator工程應用實例
Hydraulic
Fracturing
Simulator在美國多個頁巖氣藏中得到了成功應用與驗證。圖示為德克薩斯州巴內特頁巖氣藏某氣井的水力壓裂計算有限元模型。該氣藏包括7個巖層，每層包含4組節理。水力壓裂設計包括5級壓裂，每級的泵注時間為100~200分鐘。
巴內特頁巖氣藏的巖層分布與水力壓裂計算模型
基于小型擠注測試以及第1級壓裂的微震監測數據對近200個物理輸入參數進行反演分析獲得了有效預測模型。
巴內特頁巖氣藏某氣井第一級壓裂計算的改造體
采用該預測模型對同一氣井5級壓裂后以及距離0.5英里外的相鄰氣井（6級壓裂）的產量進行了預測，預測產量與實際產量非常接近。
展開 石化核電行業仿真咨詢與專業定制開發
蒸汽發生器分析法設計系統界面
10、專業系統-水力壓裂模擬分析系統
水力壓裂是低滲油氣田、煤層氣、頁巖氣開發的核心增產技術，為了達到最佳的壓裂效果，需要對水力壓裂進行優化 ，使得改造體達到最佳經濟產量的要求。
水力壓裂模擬系統是是目前唯一可以對三維節理巖體水力壓裂過程進行仿真模擬并計算改造體，從而對水力壓裂措施和儲層產量進行優化與預測的軟件技術。運用三維非線性有限元流固耦合算法對水力壓裂過程的瞬態滲流以及復雜節理網絡與完整巖石的斷裂擴展進行模擬，并基于實測數據（ISIP，BHP，MSE）對不確定輸入地質參數進行反演優化，保證模擬精度，可用于頁巖氣開采、煤層氣、石油開采、地熱能開發等領域，進行水力壓裂措施優化、產量預測與優化等，為綠色能源開發服務。
頁巖氣儲層改造水力壓裂模擬
11、再冷凝器與管道系統建模與分析
實現再冷凝器與復雜管道系統從一維模型到三維模型的參數化自動建模，并考慮熱工、安裝、振動、運行等載荷進行整體分析與局部細節模擬，對其剛度、強度、疲勞壽命進行校核。
再冷凝器與管道系統整體計算與局部計算
12、儲液罐實程地震分析
采用流固耦合算法計算給定儲水箱在地震在和靜力載荷綜合作用下的應力響應，用于儲水箱抗震分析和應力評定。包括液晃、液固耦合地震響應、基于RCC-M規范的應力評定。
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