煤层气的高效开采对于提高能源利用率以及减少矿井瓦斯灾害具有重要意义。目前国内外关于煤层注水驱气技术的相关研究主要集中在煤层的宏观渗透率变化,对于煤层微观水气界面的动态演化关注较少。而煤层气的流动特性主要受煤岩微观孔隙结构、矿物组成以及裂隙连通性的影响,因此深入研究煤岩微孔裂隙结构中的水气两相运移分布特征,对于优化煤层气抽采技术、提高注水驱气效率具有重要意义。 本文结合微流控可视化实验与数值模拟,实现了煤岩微孔裂隙结构内水气界面动态演化的可视化观测,探讨了含水饱和度、孔隙率、注水速率对煤岩裂隙内水气两相微观流动特性的影响。主要研究成果如下: (1)采用高压压汞实验、XRD实验以及SEM实验探究了砂墩子煤矿S4103工作面煤样的孔隙结构和矿物组成。结果表明:煤样孔隙以微孔和细孔为主,占比超70%,大孔和中孔在煤样中主要影响煤体的渗透性;煤样中主要有石英和高岭石两种黏土矿物,衍射峰主要与Si O₂微晶结构的(101)面和Al₂(OH)₄Si O₅的(002)晶面对应;煤样表面的孔隙主要以气孔形式存在,是煤层气的主要赋存空间,裂隙类型以外生张性裂隙和内生缩聚裂隙为主,是煤层气运移的主要通道。 (2)利用微流控实验平台可视化观测裂隙内不同含水饱和度、孔隙率及注水速率的水气界面动态演化。实验结果显示,随着含水饱和度增加,驱替效率提高,水相分布逐渐均匀,但同时流动阻力和压力波动增大;随着注水速率升高,水相更易进入分支裂隙并向深部扩展,加强了封闭气体溃散的现象,但导致了局部压力积聚和界面不稳定性;随着孔隙率增大,裂隙网络逐渐复杂化,水相扩散范围更广,相界面沿着驱替方向演化更加均匀,压力均值趋于降低且波动幅度减小,局部区域因封闭气体的形成而引发压力波动。 (3)利用COMSOL相场法追踪水气界面,模拟不同孔隙率、注水速率对水气两相运移的影响。结果表明:裂隙几何形态决定流体流动方向,优势通道加速水相推进;封闭气受裂隙形态、毛细管力及压力梯度影响,主要形成盲端封闭气与绕流封闭气,封闭气区域容易引发局部涡流,导致压力分布不均;低孔隙率时水相推进集中,流速快,易形成指进现象,高孔隙率流动均匀但驱替效率降低,残余气相饱和度随孔隙率增大显著上升,在驱替时间180s时,高孔隙率的残余气相饱和度为低孔隙率的3.68倍;低注水速率下水相扩散缓慢,气体滞留严重,高注水速率可加快驱替过程,并减少封闭气的形成区域,优化煤层气采收,在驱替时间为180s时,低注水速率的残余气相饱和度为高注水速率的8.91倍,表明合理提高注水速率有助于煤层气开采效率的提升。 (4)将煤层注水驱气技术运用于砂墩子煤矿S4103工作面,通过钻孔监测注水前后瓦斯浓度与瓦斯纯量的变化。监测显示胶带顺槽和回风顺槽的瓦斯浓度平均降幅分别为14.39%和46.7%;瓦斯纯量平均降幅分别为14.58%和28.03%。