煤层气排采出煤粉机理研究及预测软件开发

作     者：兰文剑 

作者单位：中国石油大学（华东） 

学位级别：硕士

导师姓名：王旱祥

授予年度：2013年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：煤层气 煤粉 渗流 流固耦合 数值模拟 

摘      要：煤层气井的排采是一个排水采气、连续降压的过程。在煤层气排采的初期，主要是通过排水来达到降低储层压力的目的。由于煤质具有较脆，胶结性差，易碎、易坍塌等特点，排采过程中的生产压差和流体作用，对煤层产生激励，造成煤层破坏产生煤粉。煤粉随着流体流动在裂隙中运移，容易沉降、堵塞煤层裂隙，降低渗透率，影响煤层的整体降压;煤粉进入泵筒中会对泵筒及柱塞造成磨损，影响泵效。在煤层气排采的稳产阶段和产量递减阶段，由于产水量的逐渐减少，水动力减小，煤粉容易在井筒中的淤积也会严重影响泵效甚至出现煤粉埋管柱、卡泵的问题。因此，煤粉的产出会严重影响煤层气的整体开发效益，研究煤层气井出煤粉机理对煤层气开发具有重要意义。 本文首先根据煤粉的来源分析了煤层气井煤层煤粉的种类，根据岩石力学的岩层破坏理论和地层出砂理论探讨了煤层气排采过程中煤层的破坏机理，分析了煤层气井煤粉产生的机理、各阶段产生的规律及其产出的影响因素，用有限元软件ANSYS/LS-DYNA动态仿真了煤层气井射孔作业对煤岩的破坏，并提出在不同煤层气排采阶段下的煤粉防控措施。其次，通过对煤层气井裂隙内煤粉的受力进行分析，得出裂隙内煤粉的启动条件，即煤粉运移启动的临界速度;并考虑煤层煤粉的产生、运移、沉降及堵塞的影响，建立了煤层气井排采过程中含煤粉流体流固耦合的渗流数学模型与煤岩变形数学模型，并给出求解所需的物性参数耦合动态方程、辅助方程和定解条件，为后面的煤层气井出煤粉数值模拟计算提供了理论基础。再次，用IMPES方法对煤层气井含煤粉流体流固耦合的渗流数学模型进行了差分离散，得到压力差分方程、煤粉浓度差分方程及水饱和度差分方程，并对方程中的参数进行了处理和给出了差分方程的求解方法——MILU-ORTHOMIN。最后，根据前面建立煤层气井流固耦合数学模型和求解思路，利用Visual Basic语言编制了煤层气出煤粉数值模拟软件，并利用该软件进行了实例计算，分析了煤层气井煤粉产出对渗流的影响，对提高煤层气排采效率，降低煤层气开发的成本具有重要意义。