煤基质气体扩散对煤渗透率动态影响研究

作     者：臧玉晓 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王春光

授予年度：2020年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：渗透率 基质膨胀 裂隙-基质相互作用 脉冲衰减法 

摘      要：煤层气开采以及温室气体封存过程中煤骨架变形与气体吸附-解吸-扩散-渗流等过程相互耦合直接影响储层渗透性。研究煤孔隙结构变化规律对评价煤渗透率至关重要。一般认为煤渗透率与其地质力学条件密切相关。实验室内通常要求孔隙压力达到平衡后才能进行煤渗透率测试,相关理论模型也是基于压力平衡态假设下描述煤孔隙度变化规律。尽管这些方法比较容易应用,但从实验室研究到理论分析均忽略了气体非稳态流动对煤孔隙变形影响,并不能全面反映煤渗透率的演化特征,且煤裂隙开度变化的不确定性往往影响预测模型的可靠性。因此,为了深入理解煤渗透率动态变化机理,本文以室内试验与数值模拟结合的方式研究气体渗流-扩散过程中煤渗透率变化规律,分析孔隙压力动态变化导致裂隙-基质相互作用对裂隙渗透率的影响。主要研究内容及结论如下:1)研究在气体非稳态流动过程中有效应力对渗透率影响。通过对不同煤样品进行不同应力条件下的注气实验分析煤渗透率及应变随时间演化规律。结果表明煤样品中孔隙压力的分布是一个从裂隙压力平衡（局部平衡状态）到裂隙-基质压力平衡（整体平衡状态）的动态力学过程。由于基质膨胀变形对裂隙的压缩,渗透率呈现随时间下降的趋势;注气后期宏观膨胀导致渗透率回弹。此外发现在恒定压差条件下增大注气压力使渗透率减小,而在恒定围压条件下增大注气压力使渗透率增大。2)研究裂隙-基质相互作用过程中内膨胀系数作用机理。本论文将煤基质的体积变形划分为内变形与外变形,其中内变形压缩裂隙开度而外变形使煤体积增大。通过内变形与基质总膨胀变形之比定义为煤基质内膨胀系数量化煤基质与裂隙间的相互作用关系。通过建立考虑裂隙-基质相互作用的煤体渗透率模型,探讨了内膨胀系数对渗透率的影响机制。研究结果表明,恒定压差条件下内膨胀系数随孔压而增大。3)研究初始裂隙孔径与初始基质渗透率对裂隙-基质相互作用的影响。利用数值模拟建立煤岩双重孔隙、双重渗透率离散模型,计算煤的基质和裂隙渗透系数演化过程,分析演化曲线不同阶段所对应的物理过程及意义;结合数值模拟分析初始裂隙孔径、初始基质渗透率对裂隙基质相互作用的影响。研究发现减小初始裂隙孔径导致基质膨胀对裂隙的压缩减少;减小基质初始渗透率导致裂隙基质相互作用时间增加,整体达到平衡状态时间延后。