摘要
我国有不少煤炭资源与石油资源重叠区,先期开采石油后遗留了大量废弃石油井.来自含油地层的大量油层气沿着废弃石油井向井周围煤层扩散渗流而形成油层气富聚区,从而严重威胁到井周围煤层的安全高效开采.研究揭示废弃石油井周围煤层内油层气扩散渗流规律是对其危害进行科学有效防治的重要基础.
本文通过煤体结构与气体运移相关理论的系统分析,得出了煤体微观孔裂隙结构特性以及煤层内油层气赋存与运移特性,认为油层气分别以吸附态与游离态赋存在煤体孔隙与裂隙系统内,并且在孔隙与裂隙系统内的运移方式分别服从菲克定律和达西定律.
在石油井内高压驱动下,井内油层气通过渗流进入煤体裂隙系统,随后又通过扩散进入孔隙系统,基于煤体孔隙裂隙二重介质等假设,推导出了煤层中油层气的扩散与渗流方程,结合流动过程煤体渗透率动态演变特征与煤体变形机理,建立了煤层内油层气流动的扩散-渗流耦合模型.
通过对双马煤矿煤样和石油井内油层气的实测分析,得到了油层气流动的主要参数,运用COMSOL Multiphysics软件对建立的耦合模型进行数值计算分析,发现流动过程中,石油井周围煤层内油层气压力的增加速度均呈现先加快后减慢特征,油层气压力均随着时间增加而缓慢趋于稳定,并且距离井越近,油层气压力短时间内变化越快,压力也越大.通过改变石油井内油层气的压力,得到了井内油层气压力恒定以及以不同速率线性增加时,油层气影响半径随时间的变化关系.基于模拟结果与马探31号石油井实测结果基本相吻合,对第30年时煤层内油层气流动速度与压力进行模拟,发现随着流动距离增加,油层气流动速度和压力均逐渐减小,得到了第30年时煤层内油层气流动速度与压力随着流动距离的分布关系式.
本研究结果为双马煤矿油层气的防治及安全高效采煤提供了理论指导,对类似煤油气共生矿井安全协调开采也具有重要意义.
关键词:废弃石油井;油层气;扩散-渗流;数值模拟;影响半径
ABSTRACT
There are many areas which coexist coal and oil resources in country. And a largeamount of abandoned oil wells are left after the early exploitation of oil. The oi-bed gasaccumulation areas around abandoned oil wells are formed when much oil-bed gas from oilstrata flows along wells to the surounding coal seam, which seriously threatens the safe andefficient coal mining around the wells. The study reveals that the law of oil-bed gas diffusionand seepage in coal seam around abandoned oil well is an important basis for scientific andeffective prevention and control of its harm.
Based on the systematic ana lysis of the theory of coal mass structure and gas migration,the characteristics of micro-pore fracture structure of coal mass and the occurrence andmigration characteristics of oil-bed gas in coal seam were obtained. It is considered thatoil-bed gas occurs in the pore and fracture system of coal body in adsorbed state and free staterespectively, and the migration mode in pore and fracture system obeys Fick's la w and Darcy'slaw respectively.
Driven by the high pressure in the oil well, the oilbed gas in the well enters the coalfracture system through seepage, and then into the pore system through diffusion. And basedon some hypothesizes such as dual-porous media of coal mass, the diffusion and seepageequations of oil-bed gas in coal seam were derived. Combined with the dynamic variationcharacteristics of coal permeability and the deformation mechanism of coal mass, thedifusion-seepage coupling model of oi-bed gas flowing in coal seam was established.
Through the analysis of the coal sample and oil-bed gas in well in Shuangma Coal Mine,the main parameters of oil-bed gas flowing were obtained. The COMSOL Multiphysicssoftware was used to simulate and analyze. It is found that during the flow, the increase rate ofthe oil-bed gas pressure in coal seam near oil well is frstly acce lerated and then slowed down.The gas pressure gradually stabilizes with time. The closer to the abandoned oil well, the faster the pressure change in a short time and the greater the pressure is. The relationshipbetween the influence radius of oil-bed gas and time is obtained by changing the pressure ofoil-bed gas in oil well when the oil-bed gas pressure is constant and increases linearly atdifferent rates. Based on the fact that the simulation results are in good agreement with themeasured results of Mattan 31#oil well, the oil-bed gas flow velocity and pressure in coalseam at 30th are simulated. And it is found that with the increase of the flow distance, theoil-bed gas flow velocity and pressure decrease gradually. And the distribution relationshipbetween gas flow velocity and pressure with flow distance in coal seam for 30th is obtained.
The study result provides theoretical guidance for the prevention and control of oil-bedgas and safe and efficient coal mining in Shuangma Coal Mine. It is also of great significancefor safe and coordinated mining of similar coal-oil-gas coexistence mines.
Key words: abandoned oil well; oil-bed gas; diffusion-seepage; numerical simulation;influence radius
目录
1绪论........................................................................................................................................1
1.1选题背景及研究意义..................................................................................................1
1.1.1选题背景............................................................................................................1
1.1.2研究意义............................................................................................................2
1.2国内外研究现状及发展趋势......................................................................................2
1.2.1气体扩散研究现状............................................................................................2
1.2.2气体渗流研究现状............................................................................................3
1.3研究内容......................................................................................................................7
1.3.1研究内容............................................................................................................7
1.3.2研究目标及关键问题........................................................................................7
1.4研究方案及可行性分析..............................................................................................7
1.4.1研究方法............................................................................................................7
1.4.2实验方法............................................................................................................8
1.4.3可行性分析........................................................................................................8
1.4.4技术路线............................................................................................................8
2煤体及气体运移特性..........................................................................................................10
2.1煤体特性....................................................................................................................10
2.1.1煤体孔隙裂隙二重介质结构..........................................................................10
2.1.2煤体的渗透性能..............................................................................................12
2.2油层气特性................................................................................................................13
2.2.1油层气的概念与组分......................................................................................13
2.2.2油层气的性质..................................................................................................13
2.2.3油层气在煤层内的赋存状态..........................................................................14
2.3煤层内气体运移理论................................................................................................15
2.3.1气体扩散理论..................................................................................................15
2.3.2气体渗流理论..................................................................................................16
2.4本章小结....................................................................................................................17
3油层气扩散-渗流耦合模型建立.........................................................................................18
3.1基本假设....................................................................................................................18
3.2油层气扩散方程........................................................................................................20
3.2.1油层气扩散运动连续方程..............................................................................20
3.2.2油层气扩散运动微分方程..............................................................................21
3.3油层气渗流方程........................................................................................................22
3.3.1油层气渗流运动连续方程..............................................................................22
3.3.2油层气渗流运动微分方程..............................................................................23
3.4渗透率动态变化方程................................................................................................23
3.5煤体变形控制方程....................................................................................................25
3.6本章小结....................................................................................................................28
4油层气扩散-渗流耦合流动数值模拟分析.........................................................................29
4.1矿井概况及主要参数的分析选取............................................................................29
4.1.1矿井概况..........................................................................................................29
4.1.2主要参数的分析选取......................................................................................30
4.2COMSOLMultiphisics介绍及模型建立.................................................................32
4.2.1COMSOLMultiphisics介绍...........................................................................32
4.2.2COMSOLMultiphisics模型建立...................................................................32
4.3油层气压力基本变化规律........................................................................................36
4.4油层气影响半径变化规律........................................................................................40
4.5油层气速度场分布规律............................................................................................44
4.6油层气压力场分布规律............................................................................................48
4.7本章小结....................................................................................................................53
5结论..................................................................................................................................54
致谢..................................................................................................................................55
参考文献..................................................................................................................................56
附录..................................................................................................................................60
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
我国存在着不少煤炭和石油天然气资源重叠区,如陕北内蒙矿区、陕西子长矿区和宁东矿区等.先期开采石油后遗留的大量废弃油井给煤炭资源的安全高效开采造成重大威胁.
鄂尔多斯盆地是我国中部一个大型含煤-油气盆地,该盆地的煤炭与石油天然气资源在垂向上相互重叠[1];黄陇侏罗纪煤田是我国的大型煤炭基地,该煤田共生着煤炭与石油天然气资源[2];在全国其他许多煤矿井田内也蕴藏着石油天然气资源[3].前期在这些资源重叠区内抽采石油天然气给后续的煤炭安全开采带来了许多问题,由于石油井将含油层和煤层相互贯通,所以积聚在含油层内的大量有毒有害油层气沿着石油井向井周 围煤层扩散渗流,从而严重威胁井周围煤层的巷道掘进及采煤工作面安全生产.
双马煤矿位于宁夏宁东马家滩矿区,设计生产能力为 4.0 Mt/a,其就处于煤炭资源与石油资源重叠区内.双马井田内已经存在着大量的废弃石油井,井田范围内共排查出石油井 170 个,遍布在井田的各个区域.这些废弃石油井有的没有套管,有的有套管,但由于成井时间久远,不少套管已经破损,地面通井和井下揭露显示井内都存在大量高压油层气,实测表明石油井内油层气主要成分是甲烷和硫化氢.
影响双马煤矿 2016~2020 年度采煤工作面开采的石油井有 13 个,其中位于 I0104105采煤工作面内的马探 31 号石油井和马探 30 号石油井,在采用有效的地面和井下综合防治措施后已安全通过.在地面对马探 31 号石油井进行通井封井治理的过程中,现场监测出该石油井内气体压力高达 9~14.992 MPa;在 I0104105 工作面推采至石油井附近时,巷道内及抽放钻孔内的甲烷和硫化氢气体浓度严重超标.
石油井内的这些大量高压有毒有害油层气沿着石油井向周围煤层扩散渗流,经历长达 30 年左右时间后,大量积聚在石油井周围煤层内,致使石油井周围煤层内形成一定范围的甲烷、硫化氢富聚区.由于甲烷、硫化氢都具有易燃易爆性,富聚区范围内的危险煤层的安全高效开采严重受到限制.此外,随着井下巷道掘进及采煤工作面推进,高浓度的有毒有害甲烷、硫化氢从破坏的煤体中异常涌出,导致采掘面甲烷、硫化氢浓度严重超限,造成采掘停滞.另外,涌出的硫化氢会腐蚀设备,并污染井下环境,从而给矿井安全高效生产造成严重威胁.研究揭示石油井内油层气向周围煤层运移规律是防治其危害的基础.
1.1.2 研究意义
黄陵、彬长、焦坪等矿区都属于煤炭和石油天然气资源重叠区,在这些矿区内都存在废弃石油井,这些石油井大多成井年代久远,缺乏资料,石油井封堵、石油井内油层气情况不明.从这些石油井内向周围煤层扩散渗流的有毒有害油层气不仅给矿区的设计开采带来了困难,造成资源浪费,影响煤矿企业经济效益,而且对于石油井周围煤层的安全高效开采造成巨大威胁,严重制约着煤矿的安全高效生产.
废弃石油井内高压有毒有害油层气在煤层中的扩散渗流规律研究是双马煤矿亟待解决的一大难题,如果能研究出井内高压油层气在煤层中扩散渗流的压力随着运移时间和距离的变化规律,那么该规律对于井下有毒有害油层气的防治及安全有效的生产都具有重要的指导作用,同时对于资源赋存情况类似于双马煤矿的其他煤矿也具有重要的指导和借鉴作用,从而进一步保障全国范围内的煤油气共生矿井安全高效开采.
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 气体扩散研究现状
Smith D M 等[4]认为煤层气扩散是努森扩散、体扩散和表面扩散相互竞争的结果,具体哪一种扩散占主要地位取决于煤体孔裂隙结构以及煤层内的气体压力.
聂百胜等[5]认为甲烷在煤体中的扩散可分为 Fick 扩散、Knudsen 扩散、过渡型扩散、表面扩散和晶体扩散 5 种.其中,Fick 扩散、Knudsen 扩散和过渡型扩散统称为气相扩散,煤层内甲烷的扩散方式主要为 Fick 扩散、Knudsen 扩散和过渡型扩散,表面扩散和晶体扩散很少.
牛雪[6]通过气体吸附解吸实验得出了煤层围压和煤层含水率等对气体扩散能力的影响关系,认为煤层围压是影响气体扩散的主要因素,围压越大,气体吸附解吸越慢,煤层含水率越高,煤体孔隙率越小,煤体基质壁面与气体分子之间粘滞力也越大,导致气体吸附解吸越慢.
韩金轩[7]运用分子模拟方法和相关实验对煤层中 H2O、CO2、CH4 的吸附和扩散特征进行了研究,认为干燥煤中,CH4 的吸附能力最差,H2O 的最强,CO2 的介于两者之间,认为温度对 H2O 的影响最大,同时煤体孔裂隙尺寸大小也严重影响 H2O 的吸附能力,而对于 CO2 和 CH4 的影响作用则相反;含水煤中,煤体含水率越大,CO2 和 CH4 的吸附能力越低,煤体温度越高、压力越低以及孔径越大,CO2 和 CH4 的扩散能力越强.
Li Yaobin 等[8]通过对煤层气在标准试验煤样下的扩散系数进行测试得出煤层气在煤层中的扩散过程遵循 Fick 第二定律,并基于研究给出了估算煤样扩散系数的解析解.
杜肖[9]通过对多种不同煤样进行电镜扫描、压汞、低温液氮等实验,分析得出了不同赋存深度煤样的煤体微观孔裂隙结构以及孔裂隙尺寸.并且通过对相关实验数据进行回归分析,得到了煤层气不同扩散系数大小的影响因素和影响关系,根据煤体扩散孔径尺寸大小与扩散气体分子平均自由程之间的关系确定了煤层中煤层气不同的运移模式.认为煤体微孔直径与气体分子直径之间相差不大,因此气体在微孔中的扩散能力较弱,煤体微孔含量与扩散系数呈现负相关关系;中大孔直径与气体分子直径相差很大,因此气体分子在这些空间内以较高速度渗流运移,煤体内中大孔含量与气体扩散系数之间不呈现明显关系;煤体内介于微孔和大孔之间的过渡孔运移气体的能力较强,过渡孔的大小和含量大致决定着整个煤层气体运移能力的强弱.认为微孔内的扩散方式多为努森扩散,较大孔隙内的扩散方式多为过渡型扩散和菲克扩散,煤层内煤层气的整体扩散方式可近似为菲克扩散.
任建刚[10]通过瓦斯扩散系数测定实验分析比较反映出了气相色谱法和解析法在研究瓦斯扩散规律上的差异性及各自的优越性,通过对煤层围压、温度、瓦斯压力、煤体变质程度和破坏程度等不同条件下的煤体瓦斯扩散规律研究,认为气相色谱法测定下,煤层围压增大、瓦斯压力减小、温度降低时,瓦斯扩散系数减小,当三种条件一样时,其随着煤体破坏程度的减小而先减后增,四种条件均一样时,其又随着变质程度的减小而先减后增;解吸法测定下,瓦斯压力越大、温度越高时,瓦斯扩散系数越大,相同条件下,其随着煤体破坏程度的减小而减小,煤体破坏程度也一样时,其随着变质程度的减小而呈现先减后增的规律.此外,在运用两种方法对瓦斯扩散系数测试的过程中,分析了以上各个因素耦合作用下瓦斯扩散系数的变化规律,并且建立了反映不同地层条件下的瓦斯扩散模型以及对新模型进行了验证和应用.
以上多为研究煤层内气体扩散的类型和影响气体扩散能力的因素,以及气体扩散系数与外界条件之间的变化关系.不同的学者通过各自研究对煤层内气体扩散各个类型存在一定分歧,但对其主要扩散类型基本持一致观点,即认为煤层内气体扩散主要分为Fick 扩散、过渡型扩散和努森扩散.影响气体扩散能力的因素主要有温度、气压、煤层围压、煤层含水率和煤体孔隙率,通常情况下,温度越高、流动气体压力越大、煤层所受围压越小、煤层含水率越低以及煤体孔隙率越大时,流动气体的扩散系数越大.
1.2.2 气体渗流研究现状
周世宁等[11]从渗流力学角度出发,在假设存在许多孔裂隙的煤体在空间上各项均匀同性且连续的基础上,认为煤层内瓦斯流动符合 Darcy 定律,并且在我国率先创建了煤层内瓦斯流动的线性渗流模型.
谭学术等[12]认为用真实气体状态方程代替理想气体状态方程更符合瓦斯实际流动情况,提出了修正的真实煤层瓦斯渗流方程.
张广祥等[13]]通过对煤体物理化学结构进行了大量研究,同样认为应该用真实气体状态方程代替理想气体状态方程,并且建立了符合达西定律的非均质煤层瓦斯渗流数学模型.
樋口澄志[14]通过变换压差测定煤样渗透率的实验得出线性瓦斯渗流理论与煤层瓦斯实际渗流规律存在较大差异,并通过实验认为煤层内瓦斯运移遵循幂定律.
刘明举[15]则基于理论分析及实验研究对瓦斯渗流幂定律模型进行了修正.
罗新荣等[16,17]认为非线性渗流理论与煤层内瓦斯实际渗流过程存在差异,并基于实验和理论推导对以上理论进行了 Klinkenberg 效应的修正,从而使得非线性渗流理论得到进一步改进,此外又运用数值模拟得到了实际多孔裂隙煤体内的瓦斯流动方程以及流动瓦斯的压力分布曲线.
Mohaghegh S[18]等人在前人建立的煤层气流动数值模型的基础上绘制了具有非线性解吸效应的气水两相渗流曲线,并确定了描述气水两相渗流规律和渗流过程中煤层变形规律的方法.
骆祖江和郭永存等[19,20]基于前人建立的煤体孔裂隙并存的气水两相渗流模型,结合煤层内气体吸附解吸特性及有效应力作用下下煤体孔裂隙压缩机理,建立了煤层内煤层气的气水两相流动模型.
杨栋[21]通过煤岩裂缝渗流实验研究,指出气体和液体饱和度会对煤体相对渗透率产生很大影响,并基于研究建立了相应的气水两相临界渗流模型.
Sevket Durucan 等[22,23]对前人建立的气水两相渗流理论进行了详细实验研究,针对各煤样润湿性、煤体绝对渗透率和煤样所受围压等因素对气水两相渗透率大小的影响程 度进行了相关测试,认为其渗透率大小主要取决于煤样的润湿性、煤样变质程度与和煤 体孔裂隙微观结构.
Seidle J. P[24]在煤层火柴棍模型的基础上,对有效应力和煤体渗透率之间的关系进行了分析推导,得出了经典的 Seidle 指数式模型.Seidle 模型第一次较好地考虑了有效应力作用下煤体渗透率的动态演变特征,因此可以基于此模型对实际煤体的渗透率进行精确计算.需要注意的是,Seidle 模型中的煤体变形只简化考虑了煤层整体变形,并没有考虑煤体基质吸附膨胀变形和解吸收缩变形,因此通过此模型计算出的煤体渗透率相比以往较准确,但与实际情况的煤体渗透率还是存在一定的差别.
Palmer I 等[25]认为煤体变形应包括有效应力作用下煤层整体变形和吸附(解吸)作用下煤体基质吸附膨胀(解吸收缩)变形两部分,针对 Seidle 模型中的不足,对影响煤体整体变形的割理压缩系数进行了理论推导,并在由气体解吸引起的煤体基质收缩项的推导中充分考虑 langmuir 等温吸附,从而较客观地刻画出了煤体渗透率与有效应力之间的变化关系,因此国外相关实验研究及各相关生产领域中广泛运用 Palmer 和 Mansoori建立的 Palmer & Mansoori 模型.
孙维吉[26]通过相关渗透率测试试验,认为在煤样受到外载荷逐渐增加的过程中,煤体渗透率会随着煤粒间传递的有效应力的增加逐渐减小,但当有效应力达到某一值后,煤体发生屈服,煤体内产生新的裂隙,煤体渗透率反而突然升高.
李宏艳等[27]对外力作用下煤样的煤体渗透率进行了相关测试,认为煤样承受的外力大小和载荷加载历史对煤体渗透率都会产生一定影响.
W.C. Zhu 等[28,29]进一步研究了煤体基质吸附膨胀变形机理及解吸收缩机理,认为基质解吸收缩效应是导致内体裂缝开度变大的重要原因,并对之前的动态渗透率模型进行了改进.
H.H. Liu 等[30]基于煤体基质解吸收缩机理,考虑煤体基质和裂缝间的关系,推导出了又一个考虑煤体基质解吸收缩效应的煤层渗透率模型.
郑贵强[31]对煤层气运移的煤体孔隙结构和有效应力影响进行了相关研究,并建立了基于煤层割理压缩系数的渗透率计算模型.
李志强等[32]推导了考虑应力和温度影响的气体渗流方程,并且通过相关实验深入探究了影响煤层内煤层气在吸附和渗流的行为和规律上的主要因素.
郭肖等[33]对高含硫裂缝性复杂气体进行了系统的分析和评价,认为高含硫流体渗流是一种聚吸附、扩散、非达西渗流、流体相变以及气-固-液耦合作用于一身的复杂流动过程,分析了硫化物沉积、非达西流动效应等因素对流体流动的影响.
石军太等[34]通过对煤储层中煤层气扩散渗流相关研究进行系统分析与研究,得出煤层气产气渗流模型主要分为三种:双孔单渗模型、三孔双渗模型和双孔双渗模型.其中广泛被运用的是双孔单渗模型,即煤层气在基质孔隙内向割理-裂隙系统扩散,再在割理-裂隙系统中向井眼渗流.
王志生[35]对煤层内水的渗流特性展开了实验研究,认为煤样渗透率随着围压的减小而增大,低水平应力下,煤样渗透率较敏感,其随着水压的增大而增大,当水压超出某一个压力值后,煤样渗透率敏感度下降,其随着水压的持续增加而缓慢变化,水渗流流量随着水压的减小而减小.渗流初始阶段,煤层内的水压随着时间逐渐向周围传递,但一段时间后煤层内的水压及其范围慢慢趋于稳定,这可能是因为开始渗流时的高水压使得入口处煤层内裂隙扩展,水压快速传递,但水在煤体内流动的距离越长,其流动受到的阻力越大,压力降得越严重,最后当渗流通道稳定后,其流动也逐渐趋于稳定.运用COMSOL Multiphysics 软件对该过程进行模拟后显示,孔隙水压在以钻孔为中心不断向周围传递,传递的压力值越来越小,随着钻孔处水压的加大,煤层湿润范围扩大,钻孔处水流流速较大.
张永利等[36]运用多物理场耦合数值模拟软件对流-固-热耦合下的煤层气解吸、渗流过程进行模拟后显示,煤层注热时,温度越高,煤层气渗透压力越低,气体流动速度越快,气体流向钻孔后会使钻孔附近压力梯度增大,钻孔附近气体流动速度加快,因此注热可以有效提高煤体渗透率和增加煤层气产量.
周珺[37]通过煤层气吸附解吸实验以及有限元数值模拟,得出了煤体基质中解吸后流向井筒的煤层气大致流动过程,以及流动过程中煤体孔隙率与渗透率的变化规律.开采初期,游离态气体快速释放,产气量较高,但随着煤层内气体压力降低,煤体孔隙和裂隙会进行不同程度的闭合,从而渗透率减小,井筒附近煤层内的煤层气大量解吸,但远处煤层气却由于近处煤体渗透率下降而无法动用,产气量下降,然而随着开采时间的增加,煤层气解吸会引起煤体基质收缩,井筒近处煤层的渗透率又有一定程度的回升;煤层所受外力的增加会使煤体裂隙进行闭合,从而导致煤体孔隙率和渗透率减小,裂缝中煤层气渗流速度变缓会减小产气速率和产气量;地层水和压裂液也会对煤体渗透率和煤层气解吸量造成伤害.
刘飞等[38]运用 COMSOL Multiphyscis 软件对煤层中注入的 CO2 的渗流过程进行了模拟,认为渗流过程中,煤体渗透率会随着煤层受到的压力的增大而减小,渗透率的减小会减缓 CO2 向远处煤层的传递速度,当近处煤层内 CO2 压力达到注入时的压力值时,渗流停止;在注 CO2 过程中,煤体基质会因为吸附 CO2 而产生吸附膨胀应变,从而会通过煤层对上下岩层产生膨胀应力,该应力会随着 CO2 渗流而向远处传递,直至整个上下岩层受力均匀.
以上多为研究煤层内气体渗流理论类别、煤体渗透率动态演变模型,以及影响煤层内气体渗流能力的因素和外界条件下煤体渗透率的变化特征.煤层内气体渗流理论起始于瓦斯线性渗流理论,经过各种工程实践验证与修正,逐渐形成了瓦斯渗流幂定律、修正下的瓦斯渗流幂定律、真实气体下的非均质煤层瓦斯渗流理论和 Klinkenberg 效应下的达西定律.煤体渗透率动态变化即煤层内气体渗流能力大小变化,影响气体渗流能力的外部因素有温度、煤层围压、煤层内流动气压和煤层含水率等,影响气体渗流能力的内部因素主要有煤体骨架变形和煤体基质吸附膨胀引起的基质膨胀变形.通常情况下,温度越高、煤层所受围压越小、流动气体压力越大、煤层含水率越低、骨架压缩变形越小以及基质外向吸附膨胀变形越大时,煤体渗透率越大,也即煤层内气体渗流能力越大.
许多类似气体扩散以及渗流的研究大多只单一研究煤层瓦斯的纯扩散或纯渗流过程,研究过程多为气体从远处煤层向井筒或钻孔中心流动;少数在综合研究气体扩散-渗流耦合时,考虑的条件较简单,忽略煤体基质因吸附气体而引起的基质内向吸附膨胀变形与外向吸附膨胀变形效应,并且流动多局限于二维平面流动;还有极少数在研究CO2 地质封存(CCS)时,虽然研究过程与本文类似,即都是研究气体从井筒或钻孔中 心向远处煤层流动的过程,但 CO2 与煤矿瓦斯和油层气的组分差异很大,故 CO2 的物理、化学性质与煤矿瓦斯和油层气存在很大差异,所以 CO2 地质封存研究结果不具备普遍意义.综上所述,学者们对三维空间下组分与煤矿瓦斯和 CO2 存在较大差异的高压油层气从井筒中心通过扩散、渗流流至远处煤层的研究较少,此流动过程与以往类似研究存在较大差异.
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
5结论
本文以宁夏双马煤矿4-1煤层与该矿区存留的废弃石油井为背景,运用理论分析与数值模拟分析相结合的方法,对废弃石油井周围煤层中油层气扩散渗流规律进行了研究,得到了如下结论:
(1)煤体作为孔隙裂隙二重介质,其孔隙系统吸附油层气能力强,是吸附态油层气的主要赋存场所;而其裂隙系统运移油层气能力强,是游离态油层气的主要流动场所.在石油井内高压驱动下,油层气以达西渗流进入裂隙系统,裂隙内油层气浓度升高后,在裂隙系统与孔隙系统间浓度梯度作用下,又以Fick扩散进入孔隙系统,基于各流动简化假设,建立了该过程中煤层内油层气流动的扩散-渗流耦合模型,并运用COMSOLMultiphysics软件对耦合模型进行了模拟.
(2)流动过程中,石油井周围各处煤层内油层气压力的增加速度均呈现都先加快后减慢特征,油层气压力均随着时间增加而缓慢趋于稳定,距离井越近,油层气压力短时间内变化越快,压力也越大.
(3)油层气影响半径随着时间逐渐增加,最后均趋于稳定,井内油层气压力恒定时,影响半径的增加速度一直在衰减,井内压力从标准大气压线性增加时,影响半径的增加速度先增后减.经回归分析,井内油层气压力分别以每年三分之一MPa和二分之一MPa的速率线性增加时,其各自影响半径随时间的变化关系式分别为y=0.69048-2.50397t+0.83619t2-0.01622t3和y=-0.02381+0.44127t+0.09762t2-0.01889t3.
(4)随着流动距离增加,油层气流动速度逐渐减小,并且在废弃石油井周围100m以内减小幅度很大,而在100m以外减小幅度较小.经线性回归,井内油层气压力以每年二分之一MPaMPa的速率线性增加至第30年时,煤层内油层气流动速度随流动距离的分布关系为y=-3.64402+3245.85646x-1.
(5)随着流动距离增加,油层气压力逐渐减小.同样经线性回归,井内油层气压力分别以每年三分之一MPa和二分之一MPa的速率线性增加至第30年时,其各自煤层内油层气压力随流动距离的分布关系为y=0.44949-0.00103x+125.41776-1和y=0.49797-0.00114x+203.20077x-1.
致 谢
本文是在我的导师索永录教授的悉心指导下完成的,从学位课程学习、论文选题、思路研究、工作开展到论文撰写无不倾注着导师的心血.每当有所疑惑,索老师总不顾繁忙为我解疑答惑;每当遇到难题,索老师总在第一时间为我指点迷津;每当迷茫失落,索老师总能为我提供无微不至的关爱.索老师深厚的学术造诣、严谨的学术态度深刻地影响着我;其精益求精的工作作风、严于律己的崇高风范不断地激励着我;其不慕荣利、潜心钻研、朴实无华、平易近人的人格魅力极度地感染着我.能师从索老师,我倍感荣幸,其不仅授我以文,而且育我成人,经师易得,人师难求,求学三载,受益匪浅.值此论文完成之际谨向索老师致以最诚挚的感谢和崇高的敬意!
求学期间,有幸聆听了余学义教授、李龙清教授、张恩强教授、贠东风教授、肖江教授、伍永平教授、来兴平教授、黄庆享教授、柴敬教授等诸多名师精彩、深刻的专业课程和学术报告,诸多良师益友所授生存长技与为人道理让我受用终生,在此对各位教授致以最诚挚的谢意!
在我学习研究过程中,曾得到师兄于水、刘超、雷雨龙、王帅和师弟李凡、屈慧升以及李宇翔的帮助和有益建议,同时也得到了 713 全体舍友和许多同学最无私的帮助与宝贵意见,在此对它们表示感谢.感谢文中文献作者给本文提供的有益思考!
感谢西安科技大学能源学院为我提供良好的学习研究环境,感谢学校以及学院各领导给予的关心和帮助!
特别感谢父母对我含辛茹苦的养育之恩,感谢他们多年来的理解与支持!
最后由衷地感谢各位专家百忙之中抽睱评审本论文,恳挚地希望得到更多的帮助和指导.
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