原位煤层气渗流机理微流控实验及数值模拟研究

Aiming at the scientific issues on the mechanism of coalbed methane (CBM) flow in coal cleats and micro-cracks at in-situ state, this project will collect downhole coal samples from the typical CBM production area in the eastern Ordos Basin, to conduct the microfluidic experiments and numerical simulation. Firstly, the micro-crack system of coal sample will be extracted and will be reconstructed with high pressure-elevated temperature X-ray micro-CT, followed by analyzing the gas flow and gas-water two-phase flow behavior in the connected micro-crack system at in-situ state with microfluidic experiments. Additionally, according to the kinetic theory and Enskog theory, lattice Boltzmann models will be built to describe the gas and gas-water flow at in-situ state, and combined with the discrete fracture modelling, to explore the impact of temperature, pressure, the parameters describing the structure and morphology of micro-cracks, the fluid-rock interactions and the micro-scale effects. This project will clarify the CBM flow mechanisms at in-situ state from the micro-scale study, and will provide the theoretical and technical support for the development of CBM in China.

本项目围绕原位煤层气在煤岩割理及微裂隙中的渗流机理这一关键科学问题，选择鄂尔多斯盆地东缘典型煤层气开发区块的井下取芯煤岩样品为研究对象，开展微流控实验及数值模拟分析。首先利用高温压微米CT扫描技术提取并构建原位条件下的煤岩微裂隙模型，进而设计微流控实验，刻画原位条件下煤岩连通微裂隙中气相及气-水两相渗流。在此基础上，根据分子动理论和Enskog理论，构建描述原位条件下气相及气-水两相渗流的格子Boltzmann模型，结合离散裂缝网格建模，通过数值模拟探明温度压力条件、微裂隙结构及形态学参数、流体-固体界面作用以及微尺度效应对煤岩中气相及气-水两相渗流的控制作用。从微观机理层面解译原位煤层气的渗流特征，为我国煤层气的开发提供基础理论依据和技术支撑。

煤层气在生产过程中，吸附在煤岩基质微纳孔隙中的煤层气通过排水降压，解吸、扩散至储层的大中孔、割理和天然微裂隙中，进而在压差的作用下从天然微裂缝流入人工裂缝或者井筒。因此，煤层气在割理和微裂隙中的流动是控制煤层气产出的重要环节。本项目围绕原位煤层气在煤岩割理及微裂隙中的渗流机理这一关键科学问题，以真实煤岩样品为研究对象，采用数字岩心分析手段，深刻剖析其微观孔裂隙特征并开展相关渗流规律研究，取得了以下创新性成果：（1）以FESEM，FIB-SEM和多分辨率CT为主要表征手段，对煤岩储渗空间进行多尺度差异化表征，查明了煤岩中不同尺度孔裂隙的微观特征、构建了煤储层的多尺度表征模型、阐释了充填矿物对煤岩孔隙连通性的控制作用。（2）对煤岩裂隙进行了详细分类，阐明了各类型裂隙随有效应力的变化模式，明确了原位条件下煤岩的结构特征，提出了适合重构原位煤岩多尺度结构的裂缝—微孔网络模型（FM-PNM）。（3）根据提出的解析模型深入探究了原位条件下煤层气在煤岩微裂隙中的渗流机理，并在理论上严格分析了原位煤层气的稳态渗流过程，详细评价并阐释了气体滑移、非理想气体、裂隙形态等参数对气体渗流和表观渗透率的控制作用；（4）考虑煤储层具有非均质性且表面润湿性复杂的特点，进一步优化和完善了格子Boltzmann自由能数值模拟方法，模拟了在不同润湿性条件下煤岩微裂隙中的两相流动行为，并以相对渗透率曲线和微观两相流动速度场为评价对象，从多角度揭示了煤岩微裂隙润湿角和裂缝粗糙度对对煤岩裂隙中两相流动的协同作用。