煤层气多尺度流动同步测量与建模研究

There are several mass transfer processes along with the recovery of coalbed methane (CBM), including methane desorption, diffusion, and seepage. These processes differ in scales and will affect the initiation and progress of another. Coal pore deformation due to methane desorption will further affect the subsequent diffusion and seepage. Methane desorption, diffusion, or seepage alone cannot reflect the CBM recovery mechanism accurately. Considering the multi-scale transportation of coalbed methane, this study will focus on developing a novel apparatus to measure gas desorption, gas diffusion, coal deformation, and cleat permeability simultaneously. Combined with the adsorption isotherm, coal strain data, and cleat permeability data measured at one time, the adsorption, strain, and cleat parameters will be determined with multicomponent competitive adsorption model, gas dissolution and liquid diffusion model, theoretical strain model, and tensor-based permeability model, respectively. Sensitivity analysis will then perform on these parameters to reveal methane recovery mechanisms at different scales. On this basis, an internal-consistent adsorption-strain-permeability coupled model will be then developed to describe the multi-scale CBM recovery mechanism in fluid-solid coupling situations, and to improve the performance of current CBM recovery simulators. This study may help to understand the overall processes of CBM transportation at different pore scales, and their interactions on one another. This study will further improve CBM recovery simulation technology.

煤层气开发过程中存在着多个尺度的传质，包括气体解吸、扩散和渗流，不同尺度之间互为源汇，相互影响显著。同时，气体解吸将改变煤岩孔隙结构，进一步影响气体扩散和渗流。单一的气体解吸、扩散或渗流研究只能反映煤层气体产出的局部特征。针对煤层气的多尺度流动特征，拟改造煤岩渗透率检测装置，创建煤层气体解吸-扩散、煤岩变形和渗透率变化同步测量装置，实现不同应力和温度下煤岩心的气体等温吸附线、扩散系数、煤岩应变量和渗透率的同步测量；基于气体多组分竞争吸附、气体溶解-液相扩散、理论应变和全张量动态渗透率等基础模型，结合实验测量结果，分别确定各模型中的特征参数，并进行敏感性分析，揭示煤层气体在不同尺度上的运移特征；在此基础上，构建流固耦合条件下的煤层气多尺度运移模型，并改进现有煤层气开发模拟器，揭示煤层气体赋存和产出特征，对煤层气生产模拟提供理论指导。

煤层气开发过程中存在着多个尺度的传质，包括气体解吸、扩散和渗流，不同尺度之间互为源汇，相互影响显著。单一的气体解吸、扩散或渗流研究只能反映煤层气体产出的局部特征。同时，气体解吸将改变煤岩孔隙结构，进一步影响气体扩散和渗流。本项目通过改造煤岩渗透率检测装置，研发了煤层气体解吸-扩散、煤岩变形和渗透率变化同步测量装置；通过气体等温吸附线、煤岩应变量和渗透率三种宏观渗流特征参数的同步测量，确定了煤层气体在不同尺度上的运移特征；结合气体多组分竞争吸附、气体溶解-液相扩散、理论应变和全张量动态渗透率等基础模型，建立了流固耦合条件下的煤层气体多尺度运移模型，在此基础上对煤层气开发模拟器中的流动模型进行了改进。研究结果表明，高压气体吸附不同于低压吸附，通常呈现出多层吸附与吸附反转特征。一方面，吸附是分子间作用力的宏观表现，低压时流固相互作用占主导，以吸附态为主，随压力增大，流流相互作用不断强化，游离态占比不断提升，呈现出吸附反转特征，即过剩吸附量随压力增大先增大后略有降低。另一方面，在分子间力作用下，气体分子首先附着在煤岩表面上，形成单层吸附，而当煤岩表面完全被气体分子占据后，随压力继续增大，气体分子将附着在已吸附气体分子表面，形成多层吸附。研究结果还表明，煤岩的裂隙变形和渗透率变化本质上受储层压实和基质收缩两种效应共同作用，并通常呈现出应力反转特征。一方面，开发初期储层压实占主导，煤层渗透率较低，随开发进行，应力释放，储层压实效应减弱。另一方面，随开发进行气体不断解吸，并诱使基质产生收缩变形。在储层压实和基质收缩的共同作用下，煤岩裂隙通常先闭合后重新张开，表现为渗透率先略有下降后不断强化。多层吸附后会产生额外的斥力效应，岩石变形程度更高。本项目对于揭示煤层气体在不同尺度孔隙中的流动特征和相互作用机制，提高煤层气生产过程模拟的准确性具有重要意义。