煤岩多孔介质中多相流体动态渗流机理与数值模拟

本项目选择具有代表性地区山西沁水和鄂尔多斯盆地中不同类型煤样为研究对象，采用实验测试与数值模拟相结合的方法，研究多相耦合效应下煤层气运移机理。通过实验获取煤样孔隙、割理的几何形态、结构特征、空间构型、各向异质特征等参数和不同条件下（压力和含水性）流体渗透率测试结果，对比分析并初步查明煤岩渗流性能的主控因素。在此基础上，耦合多点统计学及四重结构生长集算法，构建具有双重孔隙结构的多孔介质3-D模型。结合流体物理及煤岩力学性质，并采用格子Springs 模型来表征孔隙-割理的微观形变过程，进而在孔隙尺度下以格子Boltzmann 方法模拟动态边界条件下多相流体渗流行为。综合分析以上实验测试数据与数值模拟结果，探明流体运移的动态规律，建立固-液-气多相耦合效应下煤层气渗流模型。以上研究从机理层面解译了煤层气的运移特征，力求在煤层气渗流理论方面有所突破，在应用上能为煤层气的勘探开发提供技术支撑。

本项目以煤储层多孔介质复杂孔隙结构中煤层气渗流规律为研究目标，着重开展了如下四个方面的研究：(1) 煤岩分形多孔介质的构建及模拟；(2) 于孔隙尺度下全面分析了复杂孔隙结构中物性参数对煤层气渗流规律的影响；(3) 系统分析了粗糙割理中端面几何对煤层气运移行为的控制机理；(4) 探讨了任意多孔介质中水文参数的测定方法。基于以上的研究，取得了如下的成果：.1) 结合煤岩孔隙结构的各向异性及非线性特征，采用修正的四参数随机生长(QSGS)算法实现了煤岩多孔介质的等效构建；提出了一种广义SmVq分形多孔介质模型，实现了任意分形模式的多孔介质构建；.2）具有分形孔隙结构的煤岩多孔介质中, 其输运属性受控于最大孔径, 孔径分布范围及孔隙结构分形维数的参数. 在此基础上，结合物性的多尺度特征，给出了分形孔渗关系模型及渗透率的时空演化模式；.3）提出了三重效应的裂–渗方程，并整合端面几何自仿射属性，推演了分形裂–渗关系；.4）依据动力学理论并基于局部弯曲度概念，提出了任意复杂多孔介质中水文弯曲度的定量测定方法。