煤层气开采多物理场耦合分析理论的研究

Coal seam gas extraction induces complex interactions of different processes, including gas sorption and flow, coal deformation, porosity change, permeability and diffusivity modification. We define this chain of reactions as "coupled multi-physics". This coupling is realized through a set of coal transport properties (porosity, permeability, and diffusivity) models. These models of coal transport properties are defined as a function of effective strain while the effective strain must be obtained through the simultaneous solution of multi-physics (coal deformation, two-phase flow, and heat transport), and will be verified against experimental results under complex stresses, pore pressure and temperature conditions. Successful completion of this project will lead to (1) a comprehensive theory of coupled multi-physics for coal seam gas extraction; and (2) a unique computer simulator specifically designed for coal seam gas reservoirs.

煤层气的抽采会诱发复杂的多物理过程，包括气体吸附/解吸与流动、储层变形、孔隙率变化和渗透率变化。在该项目中，我们定义这种诱发的反应链为"多物理场耦合"，这种耦合是通过煤岩的传导性能（孔隙率、渗透率、扩散率）模型来实现。这些传导性能模型都可以定义为有效应变的函数，而有效应变必须通过多物理场（煤岩变形场、气-水两相流场、温度场）联合求解才能获得。这些以有效应变为基础的传导性能模型则通过一系列能够真正模拟现场应力、温度、压力条件的测试研究得到验证。本项目的顺利完成将建立起气体在裂隙化煤中流动的多物理场耦合理论，开发出一套煤层气开采全耦合分析工具,为我国煤层气开采提供理论基础和技术支撑。

以局部平衡假设为基础，通过实验研究和理论分析，建立了一套系统的煤层气开采多物理场耦合理论，并把其转化为一组可用于我国煤层气资源开采的分析工具。具体研究成果包括：.(1)建立了无约束条件下煤层渗透率全演化过程的分析理论和相应的分析工具。通过裂隙-基质模型，研究裂隙气压、基质膨胀/收缩、开度变化及体积变形之间的动态作用，阐明了裂隙气体向基质中流动引起的动态变形机理。.(2)提出了煤渗透系数从局部到整体全演化理论，建立了相应的分析工具。当气体渗透的区域在裂隙周围的局部区域时，气体引起的膨胀会减小煤/页岩的渗透系数；当气体渗透的区域扩散至整个基质整体时，气体引起的膨胀也会增加煤/页岩的渗透系数。利用叠加法将局部膨胀（裂隙附近）向整体膨胀（基质介质）过渡的重要机理融合进渗透率演化模型当中。.(3)提出了以应变率为基础的多物理场耦合分析理论，并建立了相应的分析工具。引入反应不同组分非均质变形的应变分配系数，建立数学模型实现产气过程中基质变形和流体流动之间的耦合作用，并分析这种耦合作用下储层渗透率演化规律，得到了产气过程储层内的各个物理场的演化规律。.(4)开发了多元高斯拟合求解器并用来进行产气量的历史拟合和产量动态预测。多元高斯拟合求解器能够很好的对产气进行历史拟合，对于产气过程的动态预测也能得到很好的效果。. 在建立这些以局部平衡假设为基础的煤层气多物理场耦合理论和分析工具的过程中，我们也发现了其严重局限性，即没有办法定量描述气体从裂隙周围向基质里传播全过程对多物理场耦合的制约作用。要彻底解决这个问题，应该建立煤层气开采非平衡多物理场耦合理论。