煤层气储层为裂缝型储层,力学性质较弱,流固耦合作用深刻影响储层孔渗参数,从而对多相流体运移及煤层气开采产生显著影响,因而探究煤层气流固耦合机理,对准确预测煤层气开采及煤储层商业开发评估意义重大。另外,煤层气储层的流固耦合作用(地质力学效应),不仅包括有效应力效应,而且包括因气体吸附/解吸引起的基质膨胀/收缩作用。 为研究储层流固耦合机理,研究者发展出许多不同的流固耦合模型。本文主要讨论解析流固耦合模型与全流固耦合模型,两者的区别在于求解多孔介质力学方程的方式上,前者引入某些力学假设,如“固定上覆压力”和“单轴向应变”,简化并得到力学方程的解析解,进而得出简洁的渗透率方程,然而该模型反映煤岩固相真实力学行为的能力一直备受质疑;而后者由多孔介质力学方程及多相流体流动方程构成,通过求解多孔介质力学方程来量化煤储层的力学行为,提供更准确的固相形变及应力应变等信息,得出更准确的渗透率预测结果。本论文致力于构建煤层气全流固耦合模型。 论文主要内容包括:针对煤层气初采(CBM)及强化开采(ECBM)不同的力学、多相流体流动特点,分别构建CBM及ECBM全流固耦合模型以探讨CBM与ECBM流固耦合机理;通过全流固耦合模拟,检验解析流固耦合模型常用假设(“固定上覆压力”与“单轴向应变”)的合理性;针对煤层空间非连续分布、各向异性的力学特征,进一步发展出正交各向异性等效连续介质煤储层全流固耦合模型,并探讨各向异性介质流固耦合作用效果;应用流固耦合煤层气模型并结合蒙特卡罗(Monte Carlo)方法进行了参数全局敏感性分析,找出影响中国高、中、低煤阶煤层煤层气开采的主导因素,为实际生产提供借鉴。 首先构建了煤层气初采(CBM)全流固耦合煤层气模型,模型包括多孔介质力学模型和流动模型,煤层为各向同性孔隙弹性连续介质,多相流体流动采用三孔双渗模型描述。采用全隐式有限体积法数值求解全耦合模型,发展出全流固耦合、三孔双渗、多相单组分气体的CBM模拟算法。在此基础上,通过两组算例模拟深入研究了流固耦合作用,分别讨论有效应力效应及基质收缩作用对煤层气产量及渗透率的影响,并对煤层流固耦合条件下的多相流体运移动态展开分析。 其次建立了强化煤层气开采(ECBM)和CO2地质埋存的全流固耦合煤层气模型,煤层为各向同性孔隙弹性连续介质,流动模型为全组分流动模型,充分考虑各组分(包括水组分)在气液两相之间的物质交换,并采用相间热动力平衡运算量化物质相间分布,此外为更准确地得到气组分在水中的溶解度,对Peng-Robinson状态方程(Equation of State)按照Soriede and Whitson(1992)方法进行修正。采用全隐式有限差分方法数值求解此全耦合模型,得到了全流固耦合、完全组分、多相多组分、多孔多过程的CBM/ECBM模拟算法。在此基础上,通过数值模拟深入研究了ECBM流固耦合作用;讨论了相间物质交换对ECBM模拟的影响;论证了全耦合渗透率方程的准确性,方法为通过对FBV4A实际烟气注入数据的历史拟合进行间接论证;详细论述了流固耦合效应对渗透率、煤层气生产及CO2埋存的影响;仔细评估了不同的混合气体(CO2和N2)注入方式对渗透率、煤层气产量及CO2埋存的影响。 随后应用全流固耦合模型,检验解析流固耦合模型常用假设(“固定上覆压力”与“单轴向应变”)的合理性。对典型煤储层和不同力学强度(杨氏模量)、不同基质形变强度(εLCH4,CO2)煤储层进行CBM以及CO2-ECBM全流固耦合模拟,详细分析了若干代表性位置处垂向主应力、水平应变变化情况;通过对比Shi&Durucan解析渗透率模型,研究“固定上覆压力”与“单轴向应变”假设对渗透率、煤层气产量、CO2注入量的影响。据此得出关于“固定上覆压力”和“单轴向应变”合理性的结论。 接下来,针对煤层空间非连续分布、各向异性的力学特征,进一步发展出各向异性等效连续介质煤储层全流固耦合模型。在此基础上,对正交各向异性煤层分别进行煤层气初采及CO2-ECBM全流固耦合模拟,并与平面各向同性煤层的模拟结果进行对比,分析讨论了各向异性储层流固耦合作用效果,即各向异性力学特征对水平应力改变、渗透率与渗透率变化、煤层气产量/CO2注入量的影响。 最后应用煤层气流固耦合模型并结合蒙特卡罗方法进行了参数全局敏感性分析,找出影响中国与美国高、中、低各煤阶储层煤层气开采及CO2埋存的主导因素;在此基础上,分析比较中美各煤阶储层的主导因素,结合美国CO2-ECBM实践经验,为中国ECBM项目实施提供借鉴。该敏感性分析全面考虑了煤层气储层较为重要的参数,包括吸附参数(Langmuir吸附体积、Langmuir吸附压力以及解吸时间)、孔渗参数(孔隙度、渗透率、水平渗透率比以及渗透率模型指数)、力学参数(杨氏模量、泊松比以及基质膨胀系数)。 本文主要的创新点和特色是:1、建立了全流固耦合、三孔双渗、多相单组分气体的煤层气初采(CBM)模型及相应全隐式数值模拟算法;2、构建了全流固耦合、完全组分、多孔多过程、多相多组分煤层气强化开采(ECBM)模型及相应全隐式数值模拟算法;3、针对煤层空间非连续分布、各向异性的力学特征,发展出了正交各向异性等效连续介质煤储层全流固耦合模型;4、首次应用煤层气流固耦合模型并结合蒙特卡罗方法对中国各煤阶储层进行了全面的参数全局敏感性分析。