煤岩低频振动渗透特性及受载破裂过程分析

为研究采掘过程中振动作用对煤矿开采安全的影响机理.通过在三轴渗流试验基础上增加振动扰动系统,并结合细观试验分析煤岩在低频振动和不同有效应力作用下渗透率的演化规律以及加载过程中煤岩内部破裂的过程.试验表明:受载条件下,施加越大的有效应力,渗透率反而越小,以负指数形式降低;在低频振动作用下,受到越高频率的扰动,渗透率越大,呈指数上升.CT图像的处理能够清晰地观察到原始裂隙经过振动和加载后的扩展规律,并利用孔隙率定量分析煤岩裂隙的演化规律.所得结论将用于指导工程实际从而有效地防止煤矿开采安全事故的发生.     

初应力作用下孔隙介质升温时渗透率变化规律

为研究不同地应力作用下的油气储层热采过程中渗透率的变化规律,利用自主研制的热流固三场耦合渗流试验系统,选用难被孔隙介质吸附的氦气作为渗流气体,并考虑氦气黏度随温度和压强的变化,消除孔隙介质对渗流气体的吸附和气体黏度变化对渗透试验的影响,开展不同初始应力条件下煤岩试件升温渗透试验。结果表明:孔隙介质渗透率随温度升高先增大后减小,呈非单调非线性变化规律,并存在与初始有效应力有关的拐点温度,这是由于在拐点温度之前,温度应力小于初始有效应力,固体骨架向外膨胀,孔隙空间增大,渗透率增大,超过拐点温度后,温度应力大于初始有效应力,固体骨架向孔隙内膨胀挤占孔隙空间,渗透率降低;渗透率变化拐点温度随初始体积应力的增大而减小,温度应力升高速率随初始体积应力增加而增大。     

低阶煤煤体变形特征及渗流规律实验研究

为获取低阶煤煤体变形特征和渗透率变化规律,以焦坪矿区下石节煤矿3#煤原样为研究对象,利用煤岩体应力-渗流-温度多过程耦合试验系统开展了有效应力、基质收缩以及二者综合作用条件下的煤体变形和渗流实验.研究结果表明:在有效应力逐渐增加的过程中,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率逐渐减小;基质收缩过程中,随着孔压的逐渐下降,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率逐渐增加;二者综合作用条件下,随着孔压的逐渐下降,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率先减小后增加,通过与等外力条件下的典型渗透率动态变化模型比较,Lu模型与实验数据吻合度更高.实验结果有助于预测煤体渗透率动态变化,更好地指导地面煤层气开发和煤矿瓦斯防治.     

组合煤岩渗透规律试验研究

为探究煤岩中CH_4的渗透规律,以试验研究为主要手段,结合敏感性分析,利用自主研发的试验系统,对煤、砂岩以及不同煤岩比的组合煤岩体试件,开展了考虑体积应力和孔隙压力影响的渗透规律试验研究.研究结果表明:当孔隙压力恒定时,随着体积应力的递增,无论是煤、砂岩还是组合煤岩,渗透率都会呈现出递减的趋势;通过进行敏感性分析发现试件的渗透率变化率和孔隙压力敏感系数均与煤岩比有关.在低体积应力条件下,试件煤含量越高,孔隙压力对渗透率影响越明显,并且对孔隙压力变化越敏感;煤岩比对组合煤岩中CH_4的渗透率有较大影响,对含煤量高的煤岩试件增加孔隙压力可有效提高CH_4渗透率.     

含瓦斯煤岩流固耦合渗流数值模拟

为研究含瓦斯煤岩体长时效应及变形规律,采用理论推导与数值模拟的方法,利用含瓦斯煤岩变形理论与瓦斯渗流的基本理论,假定煤岩渗透率与体积应变正相关,推导获得体积应变与渗透率理论关系;利用COSOL Multiphysics软件,数值模拟研究了含瓦斯煤岩流固耦合的全过程,得到了含瓦斯煤岩渗流特性.研究结果表明:理论推导的体积应变与渗透率的关系式是合理的;当含瓦斯煤岩处于弹性阶段,煤岩体的渗透率随体积应变的增大而增大.研究结果对煤层瓦斯抽采参数设计具有重要的理论意义.     

煤岩变形破坏过程中渗流演化规律试验研究

高煤阶煤层气的开发主要采用压裂的方式进行增产。在压裂过程中,随着煤岩应力的不断变化,其孔隙结构和渗透特性发生变化,进而影响煤岩的力学破坏特征。以高阶煤为研究对象,开展不同围压作用下三轴渗流-应力耦合流变试验,研究煤岩变形和破坏过程中的应力、应变与渗透率之间的相互关系,分析了煤样应力、应变变化过程中渗透率随围压和体积应变的变化规律。试验结果表明:煤岩的应力-应变关系具有脆-塑性特征,煤岩体积应变经过压密和扩容阶段,环向应变能够比轴向应变更灵敏地反映出煤岩变形破坏的过程。煤岩渗透率在压缩过程中出现波浪状变化,在高应力作用下发生破裂后,其渗透率不一定比破裂前增加,相反有可能会减小。研究结果可为多场耦合下煤岩破裂模型的建立与分析、压裂施工参数设计和工艺的优化提供技术支撑。     

双孔双渗煤岩渗透率演化模型及应用

为了探究二氧化碳在煤岩封存过程中的渗流变化趋势,视煤岩为双重介质,综合考虑二氧化碳的Fick扩散、Knudsen扩散、表面扩散以及有效应力变化引起的弹性变形和吸附引起的基质膨胀变形的影响,建立煤岩双孔双渗渗透率演化模型。通过二氧化碳注入煤岩的室内实验,验证该模型的有效性。基于有限元软件COMSOL,将建立的渗透率演化模型应用于煤层二氧化碳封存技术,对原位状态下二氧化碳注入煤岩10 000天过程中的渗透率演化规律进行数值模拟。结果表明:煤岩基质和裂隙的净渗透率随注入时间和气体压力的增加而减小;在二氧化碳封存过程中,基质渗透率由吸附作用控制,有效应力发挥作用很小;裂隙渗透率由吸附作用和有效应力共同控制,其中吸附作用占主导。     

不同应力和孔隙压力作用下致密煤岩渗透率演化规律

针对煤岩渗透特性非常复杂且存在显著的应力敏感性这一问题,利用自主研发的恒温超低渗透率测量系统,采用压力脉冲法对贵州龙凤井田的致密煤岩开展了气体渗透试验,系统研究了渗透率的演化规律及影响因素。结果表明:静水压力不变时,煤岩渗透率受有效应力和孔隙压力的共同影响呈现先降低、后升高的趋势,有效应力与孔隙压力之间存在明显的耦合效应;煤岩渗透率随有效应力增加或者孔隙压力升高均呈现幂函数形式降低,下降速率逐渐减小,呈现较高的应力敏感性,但有效应力和孔隙压力的作用机理有所区别;煤层气抽采过程中可通过适当降低储层有效应力的方法增大储层渗透率,提高煤层气抽采效率。     

基于QSGS法3D重构土体渗流场的LBM数值模拟

基于四参数随机生长法（QSGS）以及改进QSGS方法等效重构三维（3D）各向同性/各向异性土体内部孔隙结构，结合格子玻尔兹曼方法（LBM），采用MATLAB自编程序进行细观渗流场数值模拟，分析不同孔隙参数及模型各向异性等因素对渗流特性的影响规律. 结果表明：3D模型尺寸100×100×100格点时，连通孔隙率nc达到最大增幅19.23%. 流体易在连通性好、孔喉直径大的部位形成主渗流通道，且存在“指进效应”，流体越靠近孔道中轴线流速越快. 3D重构土体的计算渗透率k随模型孔隙率n增大而增大，随土颗粒尺寸减小而减小，当分布概率pc = 0~0.05（大、中颗粒）时渗透率显著降低，降低幅度达42.86%. 考虑各向异性的重构模型出口边界渗流速度波动幅度较大、变化趋势规律性不明显，且流线分布稀疏、相互交错、主渗流通道不明显. 该研究能揭示流体在3D土体孔隙结构中的流动规律，并为3D土体重构和细观渗流模拟研究方法提供借鉴.     

基于煤岩割理正交各向异性的煤层气产能预测

考虑煤岩面割理和端割理两个方向不同渗流性质,建立了煤岩割理正交各向异性数学模型,通过引入煤岩弹性模量折减系数解决了煤岩割理刚度较难测定的问题。基于该模型对鄂尔多斯盆地东部煤层单井产能进行了模拟计算,分析了割理渗透率正交各向异性系数、煤层厚度、煤层孔隙度和含气量等参数对煤层单井产能的影响规律。计算结果表明:煤层气单井产能随着渗透率正交各向异性系数、煤层厚度和含气量增加而增大,随着煤层孔隙度的增加而减小。     

基于煤岩割理正交各向异性的煤层气渗流模型研究

考虑煤岩面割理和端割理两个方向不同渗流性质,建立了煤岩割理正交各向异性数学模型,通过引入煤岩弹性模量折减系数有效地解决了渗透率模型中煤岩割理刚度较难确定的问题。基于该模型对鄂尔多斯盆地东部煤层单井产能进行了模拟计算,分析了割理渗透率正交各向异性系数、煤层厚度、煤层孔隙度和含气量等参数对煤层单井产能的影响规律。计算结果表明：煤层气单井产能随着渗透率正交各向异性系数、煤层厚度和含气量增加而增大,随着煤层孔隙度的增加而减小。     

声震法提高煤储层渗透率的实验与机理

为了提高低渗透煤层的渗透率,采用自制的可控声震法煤层气渗流实验系统,实验研究了不加声场和加声场作用下煤样的渗透特性。实验研究得出:当轴向应力和孔隙压力一定时,随围压的增大煤样的渗透率减小;当围压和孔隙压力一定时,在煤样应力应变曲线的初始压密和弹性阶段,渗透率随轴向应力增大而减小。在应变硬化阶段,因试件体积膨胀渗透率随轴向应力增大而增大;在相同轴向应力、围压、孔隙压力条件下,声场作用能提高煤样的渗透率,且渗透率随作用时间的增长而增加。研究结果表明:渗透率与平均有效应力呈负指数关系,声震法提高煤储层渗透率的机理主要源于声波的机械振动和热效应,研究成果为低渗透煤层提高煤层气抽采率探索出一条新的技术和方法。     

流固耦合作用下含水层地下储气库天然气注采运移规律研究

针对地下储气库天然气注采运移过程中较少考虑应力场与渗流场相互耦合作用的不足,基于多孔介质弹性力学和渗流力学理论,建立了含水层型地下储气库天然气注采运移的流固耦合数学模型。首先通过对研究区块岩心开展三轴试验和应力敏感性试验得到储盖层的岩石力学参数和渗透率与有效应力的关系曲线,在此基础上建立了含水层地下储气库计算模型并对储气库天然气注采运移开展数值模拟研究,对比了耦合模型与传统渗流模型的计算精度;并重点讨论了储层渗透率、储层厚度、注入速率和排水量等参数对天然气运移规律的影响。计算结果表明:建立的流固耦合模型与传统渗流模型的计算结果具有较好的一致性,考虑流固耦合作用比非耦合作用下的储层压力增加1.04 MPa。含气饱和度随着储层渗透率和注入速率的增加而非线性增大,随着储层厚度的增大而非线性减小,随着排水量的增加影响不明显。     

围压和渗透压对花岗岩残积土抗剪强度影响的三轴试验研究

为研究渗流对花岗岩残积土抗剪强度衰减的影响,使用SLB型号三轴剪切渗透试验仪,分别进行了K0固结排水剪切试验、恒水头渗流剪切试验和恒流量渗流剪切试验,研究了围压和渗透压对试样应力-应变关系、峰值强度和抗剪强度参数的影响.研究结果表明:应力-应变曲线均为应变硬化曲线,随着轴向应变的增加试样的主应力差增加,且增加的趋势逐渐减小.试样在相同的应变情况下,主应力差值和峰值强度均随着土体试样围压的增大而增大;随着渗透压的增加,主应力差值和峰值强度均逐渐减小;随着轴向应变的增大,渗透压对应力-应变曲线的影响越明显.随着渗透压增加,有效黏聚力逐渐下降,但有效内摩擦角几乎不受渗透压的影响.     

边界层流体对低渗透油藏渗流特性的影响

以去离子水在半径为2.5μm和1.0μm微圆管中流动的实验结果为基础,拟合得到去离子水在微圆管中的有效流动半径公式和基于边界层流体的不同半径毛管束视渗透率公式,并比较了视渗透率与理论渗透率之间的关系.研究结果表明:随着管径尺寸的减小,边界层流体对渗流特性的影响变大;边界层流体厚度是压力梯度的函数,并随压力梯度的增加而按指数规律递减;毛管束视渗透率随压力梯度增大而增大,并最终趋近于理论值.边界层流体是导致低渗透油藏非线性渗流特性的主要因素之一.     

影响再生骨料透水性混凝土性能各因素的实验分析

试验研究了再生粗骨料的粒径、水灰比、骨灰比和砂率四种因素对再生骨料透水性混凝土的抗压强度、有效孔隙率和透水系数三种性能指标的影响规律.结果表明：抗压强度随着骨料的粒径、水灰比和砂率的增加而增大,随着骨灰比的增大而降低;有效孔隙率随着骨灰比的增大而增大,随着粒径、砂率的增大而减小,随着水灰比的逐渐增大呈现先上升后下降的趋势;各因素对透水系数的影响与对有效孔隙率的影响规律是一样的.     

考虑温度和滑脱效应的煤渗流应力耦合模型

温度变化、滑脱效应、有效应力等对煤层变形和瓦斯流动耦合机制的影响规律是煤层瓦斯突出灾害防治、煤层气抽放设计等工程中的关键。从吉林华兴矿取原煤,粉碎后制备型煤试样,利用自行研制的三轴渗流应力温度耦合实验装置开展了三轴气渗流试验,研究了孔压、有效应力及温度对型煤渗透率的影响规律,结果表明:1)低孔压条件下,随着孔压增加煤样渗透率减小,当减小至某一临界值后,渗透率再随孔压增加而缓慢增长,即表现为所谓的滑脱效应。2)有效围压对煤的渗透率有很大影响,围压增加,煤样所受有效应力增大,煤样内的孔隙和裂隙空间被压缩,瓦斯的渗流通道变窄,渗透率降低。3)温度变化对煤的渗透率有显著影响,温度升高,煤的渗透率降低。这主要是由于温度升高使得煤样体积膨胀,由于周围的约束使得煤样内部出现温度压应力,煤的孔隙和裂隙空间被压缩,试样的渗透率降低。同时,温度升高使得甲烷气体黏性增强,加剧了煤的渗透率降低的趋势。温度变化对煤渗透率的影响近似服从线性关系。4)建立了考虑温度变化、有效应力及滑脱效应影响的煤渗透率演化方程。将煤视作弹性介质,结合有效应力原理和本文的煤渗透率演化方程,建立了考虑温度变化、滑脱效应影响的煤变形和瓦斯流动耦合数学模型,在Matlab软件下开发了相应的有限元程序。通过数值算例研究了温度变化和滑脱效应对煤变形和瓦斯流动的影响规律,结果表明:1)若不考虑温度变化和滑脱效应的影响,将偏于低估瓦斯流动能力,在煤变形和瓦斯流动耦合分析中应考虑温度变化和滑脱效应的影响。2)本文建立的模型能较好地考虑温度变化、滑脱效应和有效应力对煤层瓦斯流动的影响,从而为煤层瓦斯运移预测提供了一个新的思路。     

Bingham流体在低渗透多孔介质中球向渗流的分形模型

基于分形理论及广义达西定律研究了非牛顿流体Bingham流体在各向同性多孔介质中球向渗流问题,推导了Bingham流体球向渗透率和启动压力梯度的解析表达式.研究结果表明球向渗透率随径向距离和迂曲度分形维数的增大而减小,随孔隙率的增大而增大;启动压力梯度随径向距离、屈服应力和迂曲度分形维数的增大而增大,同时也随毛细管最大直径的增大而减小.     

多场耦合下煤岩渗透率演化规律——以平煤十矿为例

为深入探讨多场耦合下的煤岩渗透率演化规律,文中以平煤十矿己15-16煤为研究对象,进行了不同围压、气体压力和温度条件下的型煤渗透率测定实验研究。结果表明:围压决定煤岩内部的有效应力,围压增加促使煤体被压缩,渗流和扩散通道变窄,导致煤岩渗透率降低;气体压力升高促使煤体对气体的吸附量增加,导致吸附于孔裂隙壁的气体分子增加,进而降低了孔裂隙截面积,同时煤基质吸附大量气体产生膨胀变形,从而导致煤岩渗透率的降低;温度的升高引起气体分子渗透和扩散能力的改变,同时也导致煤基质的膨胀变形,两者耦合作用促使煤岩渗透率随温度升高先增加后降低,即在20~40℃时,温度升高促使煤岩渗透率增加,而40~100℃时,温度升高促使煤岩渗透率整体上逐渐降低,但在围压较低时煤岩渗透率具有一定的波动。     

基于煤岩割理正交各向异性性质的低渗透煤层压力数值模拟研究

考虑煤岩面割理和端割理两个方向不同渗流性质,建立了低渗透性煤层气水固三相流固耦合模型,利用该模型分析了沁水盆地煤层气井在开采过程中压力及解吸半径变化规律,并对影响煤层压力的割理参数进行分析.计算结果表明:非耦合模型比耦合模型的解吸面积要大;随着煤岩割理渗透率正交各向异性系数的增大,煤层面割理方向解吸半径逐渐增大,而煤层端割理方向解吸半径逐渐减小;面割理方向,随着割理渗透率正交各向异性系数和割理宽度的增大,煤层压力先增加后降低;端割理方向,煤层压力随着渗透率正交各向异性系数、割理密度和割理宽度的增大而增大.