气体吸附诱致应力煤岩膨胀的多尺度模型研究

研究CH4/CO2-应力煤岩相互作用和煤层气在煤岩中的运移规律,对于提高煤层气产量、地质封存CO2以及合理利用化石能源,从而对减缓温室气体排放是非常重要的.本项目将用物理化学、不可逆热力学和微观力学理论,综合SEM和CT微观分析技术,重点研究煤岩的CH4/CO2吸附热力学和煤岩膨胀行为,包括建立气体吸附-应力耦合场作用下煤岩的多尺度模型,提供界面吸附势与表面应力间的表达式,给定应力/应变主轴空间表示的多尺度煤岩离散模型,探讨不同压力(吸附气压和外力)条件下煤岩等温吸附膨胀的微观各向异性特征,揭示气体吸附作用下煤岩密度、孔隙率和煤基质有效应力随煤岩微观结构演化的规律及其多尺度效应,给出微尺度与宏观尺度间的关联表达.通过本项目的研究以期更进一步提高人们对煤岩中气体吸附扩散和煤岩骨架变形耦合效应本质认识,促进化石能源科学开采利，保护人类赖以生存的自然环境.

气体吸附诱致煤岩变形是一种自然现象。如何解释该现象背后的物理机制，如何从本构理论出发研究气体吸附诱致煤岩膨胀变形规律，不仅对增强煤层气开采和CO2地质封存具有重要科学价值，而且对提高化石能源使用效率具有重要意义。本项目综合运用孔隙介质热力学、统计物理和表面物理化学，详细探讨了气体吸附诱致孔隙介质膨胀变形的本构理论。通过本项研究，得到以下五点结论：(1) 不计吸附，基于弹塑性力学基本假定和最大塑性耗散原理，得到小变形孔隙介质体积应力关于体积应变，孔隙率和剪切应变的关系式，建立了孔隙压关于体积应变，孔隙率和剪切应变的关系式。研究发现当只有弹性变形时，体积应力和孔隙压仅是体积应变和孔隙率的函数，但进入塑性后，二者还受剪切应变的影响。给定自由能和屈服准则，采用关联流动法则，导出小变形情况下孔隙介质弹塑性切线模量式。(2) 依据变形梯度积分解和孔隙率非线性演化方程，建立了孔隙介质大变形弹塑性本构关系。在主应力空间，给出了大变形一致性切线模量和相应的一致性切线模量阵。对孔隙介质塑性流动方程的回归映射进行分析表明，大变形本构方程的计算格式与小变形对应的计算格式形式相同。(3) 建立了气体吸附诱致孔隙介质渗透率变化和气体吸附诱致膨胀变形的微分方程组。在等温条件下，通过维里展开将孔隙压表示为体积压形式，能较好的用于描述微观和细观隙孔中气体吸附诱致基质膨胀特征。确定了孔隙介质体积应变，固体基质的表面应变和孔隙率之间的函数关系。利用Gibbs等温吸附和范德华气体方程，推出吸附诱致固体基质表面应力变化的积分表达式。对比文献中煤样实验数据，本课题建立的模型比文献中的模型能更好反映实验数据变化规律。(4) 考虑吸附效应及塑性势函数，基于孔隙介质应变和孔隙率变化加法分解导出吸附作用下孔隙介质小变形弹塑性本构方程。依据变形梯度积分解和孔隙率非线性演化方程，建立了考虑吸附效应的孔隙介质大变形弹塑性本构方程。假定固体基质小变形，导出孔隙介质有限体积变形和非线性孔隙率之间的函数关系，进而导出了比表面积关于体积应变和孔隙率一阶导数表达式。(5) 实验结果表明在注入非吸附性气体过程中煤骨架经历从收缩到回弹，收缩量总是大于回弹量。这表明在煤裂隙与基质之间孔隙压力差的存在可以引起煤基质收缩变形，并随着气体持续扩散使压缩煤体出现部分回弹。