煤层气窜流–扩散过程及其对开发效果的影响

基于煤层气的赋存和运移规律,综合考虑煤层气从煤基质中解吸,并以扩散和窜流方式进入煤层割理,通过渗透和扩散方式从割理流入生产井筒的过程,将煤层气在微孔中的非平衡吸附模型与气水两相渗流模型耦合,建立了双重介质煤层气藏拟稳态渗流数学模型。采用该模型研究了窜流和扩散机理对开发效果的影响。结果表明:窜流和扩散对开发后期产气量的影响较明显,窜流因子或扩散系数越大,后期产气量越多。     

煤层气有限导流压裂井的压力动态分析

针对煤层气产出过程中的降压、解吸、扩散、渗流等特点,应用非稳态解吸模型;研究了煤层气在基质和割理中的单相流动;建立了新的有限导流压裂井评价模型;讨论了裂缝壁面表皮系数、吸附系数、裂缝储容系数和窜流系数对压力动态的影响;分析了煤层气压裂井的压降典型曲线特征和参数估计方法,从而为煤层气藏开发提供了可靠的数据。     

煤层气单井开采数值模拟的研究

对煤层气的流动机理进行了分析。结果表明 ,煤层中的甲烷气主要以吸附的方式储集在煤基质中 ,煤层割理系统提供渗流通道。煤层气在煤基质中的吸附遵循朗格缪尔等温方程 ;煤层气由煤基质向割理系统的扩散遵循Fick第一定律 ;煤层气在割理系统的流动遵循达西定律。借鉴美国现有模型 ,结合我国现场实际情况 ,建立了二维煤层气垂直井的非平衡拟稳态井底渗流数学模型。现场实例模拟计算表明 ,该模型能够用于煤层气单井数值模拟。     

煤层气单井开采数值模拟的研究

对煤层气的流动机理进行了分析。结果表明,煤层中的甲烷气主要以吸附的方式储集在煤基质中,煤层割理系统提供渗流通道。煤层气在煤基质中的中吸附遵循朗格缪尔等温方程;煤层气由煤基质向割理系统的扩散遵循ＦＩｃｋ第一定律;煤层气在割理系统的流动循环达西定律。借鉴美国现有模型,结合我国现场实际情况,建立了二维煤层气垂直井的非平衡拟稳态井底渗流数学模型。现场实例模拟计算表明,该模型用于煤层单井数值模拟。     

基于Maxwell-Stefan双扩散模型的煤层气注气数值模拟

目前煤层气注气数值模拟软件中均以扩展Langmuir模型模拟多组分气体吸附/解吸,以拟稳态单孔扩散模型和Fick定律描述煤层基质中气体扩散,虽然简单,便于应用,但存在较大局限性。以试验数据为依据,评价扩展Langmuir、IAS和2D PR-EOS多组分气体吸附模型可靠性,并建立Maxwell-Stefan双扩散模型模拟气体扩散过程。最后,将双扩散模型与煤储层气水两相多组分渗流模型耦合,利用IMPES方法求解研究煤层气注气过程。研究表明:2D PR-EOS模型预测结果优于扩展Langmuir和IAS模型;注气初期基质中多组分气体吸附和甲烷解吸速率较快,之后逐渐变缓;该模拟方法可以较为准确地模拟煤层气衰竭和注气开发过程,预测煤基质中气体各组分浓度分布,为煤层气注气开发的研究及现场应用提供有效的技术手段。     

煤层气运移产出气水固三相耦合模型

根据达西渗流理论,结合Langmuir等温吸附定律和Fick第一定律描述了煤层气由煤基质解吸经扩散进入煤层裂隙系统,由裂隙运移至生产井筒产出的气水二相渗流过程,又将其和由渗流作用引起的煤体变形场耦合起来,形成了煤层气运移产出的气水固三相耦合模型,并采用全隐式联立求解方法同时隐式求出了气、水产量和饱和度值,实现了模型求解的无条件稳定。在沁水盆地3^#煤层气井开采潜能的评价预测中,应用该方法分别预测了将该井的动液面置于3^#煤底和15^#煤底的气、水产量,效果良好。     

稳定碳同位素δ13C1在煤层气田勘探中的应用

煤层气分布状态主要受控于两种地质效应：一种是热动力学机制控制下的同位素分馏效应，存在于煤层气生成期；另一种是甲烷δ^13C1解吸一扩散一运移效应，存在于煤层气生成后，源于埋深变浅而造成的泄压条件下。文中以沁水煤层气田为例，探讨了沁水煤层气田煤层气δ^13C1解吸-扩散-运移效应。认为可以利用煤层气δ^13C1特征来评价煤层气保存条件和开采稳定性，指导煤层气田的勘探和开发。     

不同压裂液对煤层气解吸影响的实验研究

煤层气主要以水力压裂的方式来提高产量,压裂过程中入井液与煤岩的接触对煤层气的生产具有较大的影响。与常规气藏不同,煤层气的产出分为解吸—扩散—渗流三个步骤,仅研究压裂液对储层渗透率的伤害不能完全反应压裂液对煤层气生产能力的伤害程度。本文利用自主研制的煤岩解吸分析实验装置,通过逐级降压测试,实时记录不同阶段下压降与解吸速率、解吸量的关系,评价了不同压裂液及添加剂对煤层气解吸扩散过程的影响。结果表明:液体进入煤基质和微割理中,阻碍了煤层气的解吸和运移;由于各种液体表面张力和润湿性的不同,对煤层气解吸伤害最小的是水源水,伤害最大的是微乳剂溶液;与干煤样解吸相比,在压裂液的作用下煤层气的解吸量主要集中在1 MPa以下,解吸速率随着压力的降低不断增大。     

考虑吸附-解吸效应的气固耦合模型

在研究煤层气单井抽采模型时,首先根据有效应力和渗透率建立相关联系的方法,确立了煤层气固耦合理论方程,然后根据理论分析、数值模拟与常规理论实践规律相结合的方法,考虑了地应力对煤层气解吸、煤层渗透率和孔隙度的相互影响,建立了煤层气运移的数值模型,并观测抽采产量的变化.另外通过理论公式及数值模拟讨论吸附-解吸效应和Langmuir常量对气体压力、渗透率和抽采产量的影响,从而提高抽采产量和生产效率.研究结果表明:(1)煤层气开采过程中,有效应力和吸附-解吸效应都影响着孔隙通道直径的变化,两者存在竞争关系,导致煤层基质产生膨胀或收缩,进而影响渗透率的变化;(2)吸附-解吸效应能够显著提高抽采效率和产量.     

煤层中双重孔隙介质渗流理论的应用

 考虑煤层气稳定解吸和不稳定解吸特征,提出了两类窜流方式不同的双重孔隙介质煤层不定常渗流模型——双重孔隙介质煤层拟稳态和不稳态窜流不定常渗流模型.用有限体积法对其求解,并分析了两类模型在不同地质参数情况下的特征曲线.结果表明,稳定解吸和不稳定解吸现象的存在都延缓了煤层中压力波的传播;解吸系数的增大使煤层压降变缓,且在压力和压力导数曲线上表现为边界距离的增大.对于不同的煤层,当窜流系数过大或过小,或煤层储能系数过大时,计算得到的理论曲线不能表现出双重孔隙介质特征.这与现场测试资料曲线较难出现双重孔隙介质特征一致,从而找到了现场煤层测试难以出现双重介质特征问题的根源.     

煤层气井产能影响因素分析

煤层气的开发和利用十分重要,煤层气产能研究对合理开发煤层气具有指导意义。在煤层气理想模型基本假设基础上,建立计算产量所需的各参数的方程。结合产量计算方程和静态物质平衡方程推导出产能预测解析模型;并分析了朗格缪尔体积常数、临界解吸压力、煤层渗透率以及单井控制面积对产能的影响。结果表明朗格缪尔体积常数的大小直接影响着煤层的含气量。临界解吸压力的大小直接影响煤层甲烷解吸的时刻。煤层渗透率影响产量峰值出现的时间。单井控制面积影响产量峰值大小。     

煤层气井气水两相流产气通道导流能力分析

为分析煤层气井产能,基于煤层气井压裂后地层液渗流和管流模型,建立了气水两相流阶段下变裂缝变流量产气通道导流能力模型,并对排采阶段影响导流能力的因素进行了分析,提出了持液率是影响气水两相流阶段导流能力的重要因素.该模型为煤层气井产能的分析提供了重要依据.当持液率等于1时,该模型为单相水流阶段导流能力模型;当持液率等于0时,该模型为单相气体流动阶段导流能力模型;当计算模型中裂缝宽度变化函数为常数时,即为恒裂缝宽度导流能力模型;分析结果表明:煤层气井在气水两相流阶段其产气通道导流能力受持液率的影响,随着持液率增加,导流能力增加;气水两相流中水所占的比例越大其导流能力越大,即单相水流阶段比单相气体流动阶段产气通道的导流能力大,一方面煤层气的解吸产出使产气通道内持液率降低,产气通道的导流能力降低;另一方面煤层气的解吸产出时煤基质收缩,产气通道增大,其导流能力增加.故煤层气定量排采中可以设计合理的产气量使产气通道达到最佳的导流能力,以优化煤层气的排采制度.     

扩散方程的稳态近似分析：Ⅰ.稳态近似法处理过程

反应器内层状渣(锍)、金液界面两侧内扩散、团块、气泡、粉粒或液滴内的扩散都是有限长度区间上传质问题;获得有限长度区间上扩散方程的近似分析解可兼有学术和应用价值。以质量守衡原理、菲克扩散定律为物理基础以对方程的离散化处理为手段以基于浓度变化率随时间不变的假设获得扩散速率近似式为必要步骤给出了对有限长度区间内扩散方程进行稳态近似法处理的过程;同时获得了二、三类边界条件下扩散方程的一个稳态近似解。对近似解和精确解偏差进行了分析。笔者对扩散方程的稳态近似法处理过程可以应用于工程上。     

求解一维对流扩散反应方程的一种隐式差分格式

提出了数值求解一维非稳态对流扩散反应方程的一种隐式差分格式。首先将模型方程利用指数函数转化为对流扩散方程,构造它的差分格式,然后对差分方程的系数进行相应处理,并进行回代,得到对流扩散反应方程的隐式差分格式,其截断误差为O(τ2+h2),采用von Neumann方法证明了格式是无条件稳定的,并且由于每一时间层上只用到了3个网格点,所以可直接采用追赶法求解差分方程,数值结果显示了算法的有效性。     

基于Femlab的煤层气瞬态非平衡吸附的数值模拟

煤层甲烷运移模型的非稳态模型考虑了气体体积分数梯度的影响,使得求解复杂,计算量大,给实际应用带来困难.针对此问题,采用Femlab商业数值模拟软件,对所建的非稳态模型进行了模拟求解.结果表明:该软件模拟的产气量与资料显示的实测数据有较好的拟合关系,分布曲线能够较好的预测煤层中甲烷气的运移和分布规律.该软件的模拟结果有较高的借鉴价值.     

第一周期用球形电极示波计时电位理论方程的推导

本文用菲涅尔积分推导了非稳态条件下的第一周期示波计时电位方程,用球形扩散的边界条件和 Fick 第二定律,推导了球形电极示波计时电位理论方程,获得了一些有用的结论。     

煤层气解吸扩散渗流模型研究进展

对煤储层基质孔隙分类、煤储层中气水变化特征、基质孔隙中甲烷的动力学行为、煤层气解吸模型、扩散模型、渗流模型和产气模型进行了综述和评论．认为煤层气生产过程吸附气变为解吸气．少量的解吸气溶解并在储层孔隙水中扩散．大量的解吸气聚集成泡和成柱并在煤基质孔隙中的非达西渗流、自由气从煤基质孔隙至割理．裂隙系统的窜流、自由气从煤基质孔隙至井筒的非达西渗流（仅限低煤阶）、及自由气从割理．裂隙系统至井筒的达西渗流过程．可为煤层气开发提供理论依据,为煤层气数值模拟提供理论基础,对煤层气产气规律的认识具有指导意义．     

考虑解吸作用的低渗透煤层中双重介质渗流理论研究

根据煤层低渗透和赋存特征,考虑启动压力梯度及解吸的影响,建立了煤层非稳态窜流方式的双重介质渗流模型。利用基于delaunay网格的有限体积法(FVM)对模型进行求解,得到了双重介质低渗透煤层试井理论曲线,并分析了模型在不同地质参数情况下的双对数曲线的特征。结果表明:基质储能系数越大,对生产越有利。只有当压力梯度大于启动压力梯度时,流体才能流动。解吸现象的存在延缓了煤层中压力波的传播,因此煤层气(CBM)开发早期需要缓慢排水,尽可能将压力降落传播到较大范围形成面积降压,有利于提高CBM的最终采收率。     

溶质运移模型的有限元数值解

将混合拉普拉斯变换有限单元法引入到求解首采区卤水动态二维模型的溶质运移问题中,能够有限地消除在求解对流占优的地下水溶质运移问题时产生的数值扩散和过量的现象,具有一步到位、局部求解的优点,最后将该方法应用到具有空间一阶导数项的对流弥散方程,以检验该方法的数值有效性和求解溶质运移模型的能力.     

用Excel快速求解一维非稳态对流扩散方程

对流扩散方程在物理及工程问题中具有广泛的应用。文中针对一维非稳态对流扩散方程。分析了5种常用差分方法的截断误差和稳定条件，给出了一种利用Excel软件的自动迭代功能代替编程进行求解的新方法，对不同离散格式的稳定性条件及截断误差进行了分析。最后以套管换热器的物流能量交换问题为例，分别用修正中心显式格式和Crank-Nicolson隐式格式介绍了Excel迭代求解过程与步骤，并对二种方法的求解结果进行了比较。