变温条件下损伤煤层中瓦斯解吸-扩散-渗流过程耦合模型

Laboratory test and numerical simulation will be applied in this project to study gas desorption-diffusion-seepage process in damaged coal seam under variable temperatures. First, gas desorption test under variable temperatures will be carried out to study the effect of temperature on gas desorption-diffusion-seepage process, based on which corresponding expression will be gained. Second, a coupled thermal-gas-mechanical model for gas migration in damage coal seam under variable temperatures will be developed and numerically solved by FEM software, in which the impact of temperature variation on gas desorption-diffusion and the impact of coal damage on gas seepage will be considered. Third, numerical simulation for laboratory test will be carried out to validate the coupled model and calibrate related parameters. Finally, numerical simulations for engineering such as gas drainage in deep coal seam and thermal stimulation in coalbed methane exploitation will be carried out to analysis its mechanism and propose simplified model.

本课题以变温条件下损伤煤层中瓦斯解吸-扩散-渗流过程为主线，拟采用室内试验与数值模拟相结合的方法开展研究工作。首先，开展变温条件下的瓦斯解吸试验，研究变温对瓦斯解吸-扩散-渗流过程的影响机理，并基于试验结果拟合相关公式；其次，重点考虑变温条件对瓦斯解吸-扩散过程的影响以及煤层损伤对瓦斯渗流过程的影响，建立变温条件下损伤煤层中瓦斯解吸-扩散-渗流过程的热气固耦合模型，并基于有限元软件结合程序编制实现所建数学模型的数值求解；再次，针对室内试验开展数值模拟，验证所建耦合模型及其求解的正确性，并对相关耦合参数进行标定；最后，结合深部煤层瓦斯抽放、煤层气注热开采等工程问题开展数值模拟，针对工程现象开展机理分析，并提出便于现场应用的简化模型。

我国煤层气藏普遍存在渗透率低、吸附性强、解吸速度慢等不利条件，使得煤层气解吸及其在煤层中的运移十分困难，为实现大规模高效抽采，需要进行压裂增透等措施。考虑到目前气体压裂增透技术（炸药爆破、高压气体爆破、气体压裂）在煤层气等非常规天然气领域的重要性，本项目以变温条件下瓦斯吸附/解吸-扩散-渗流过程、煤体损伤及裂隙扩展过程为主线，开展了物理试验、理论建模和数值模拟方面的研究工作，研究内容主要包括：将煤体视为典型的裂隙-孔隙双重介质，假设其中的裂隙系统是瓦斯渗流的主要场所，基质-孔隙系统是瓦斯吸附-解吸-扩散的主要场所，建立了变温条件下瓦斯解吸-扩散-渗流双重介质模型；同时，考虑煤体吸附瓦斯等气体后引起的损伤，建立了气体吸附损伤诱发煤体强度劣化的数学模型，并开展了相关数值模拟；将炸药松动爆破、高压气体爆破视为应力波和爆生气体压力综合作用的结果，将气体压裂视为准静态作用的结果，建立了基于流固耦合理论的煤体压裂增透损伤模型，并开展了煤体压裂增透提高瓦斯抽采的试验研究与数值模拟。研究结果表明：煤体吸附气体后引起的膨胀应变会改变煤体的微观结构，诱发煤基质产生细观损伤，弹性模量和强度降低，吸附诱发的损伤主要为拉伸损伤，吸附能力越强的气体诱发的损伤越大；基于压裂损伤模型开展的数值模拟可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程，与高压气体爆破试验结果也具有很好的一致性，验证了本项目所建损伤模型的有效性；不同地应力条件下含节理煤体双孔压裂的数值模拟也表明，初始地应力场的压应力作用不利于裂纹的萌生与扩展，但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用，有利于裂纹沿节理面方向的扩展；压裂后形成的裂隙可以显著提高瓦斯抽采效率，但同时受控于基质渗透率、裂隙渗透率、地应力条件等因素。