煤层气渗流规律及其实验方法研究

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1、煤层气渗流规律及其实验方法研究一、引言渗流力学是研究多孔介质内流体流动规律及其应用的科学。自1856年Darcy提出线性渗流定律以來，渗流力学就一直在不断地发展，并逐渐与其他学科交叉，在能源、资源的开发与利用以及工程建没中得到了非常广泛的应用。渗流力学最先应用在水利工程和地下水资源开发等领域；随后又成为石汕和天然气工业的一项基础理论。随着煤层气这一新型淸洁能源的重视与开发，渗流理论乂应用在煤层气的开发与利用中。煤层气渗流力学是研究煤层内瓦斯压力分布及其流动变化规律的理论，是由渗流力学、煤地质学、固体力学及采矿学等学科互相交叉滲透发展形成的。自煤层气渗流力学创立至今深

2、受有关研宂人员的关注，尤其自20世纪80年代以來发展更为迅速，表现在：应用范围更广；基本理论不断深化；研究手段及方法不断现代化。二、煤层气渗流规律研究内容及现状煤层气的渗流理论可分为线性渗流理论，非线性渗流理论，地球物理场效应的渗流理论和多煤层瓦斯越流理论，下面依次对其研宄内容及现状做一简要介绍。(一)线性渗流理论1、线性渗透理论为了适应采矿采煤业的大力发展，控制瓦斯技术己成为当时研宂的关键技术之一，早在20世纪40年代末，前苏联学者就己经建立起考虑吸附煤层瓦斯作用的瓦斯控制方程［式(1)】。在我国，周世宁院士等111首先进行了将达西定律应用于煤层化斯流动理论的开拓

3、性研宄，认为煤层瓦斯的流动基本符合线性渗流规律，其观点对煤层瓦斯渗流的应用和瓦斯动力学研究具有相当重要的指导意义。(1)p为瓦斯压力；咖/加为kdp/Zdn式中：v为流速；A为煤层的渗透率；//为瓦斯黏度系数;瓦斯压力在流动方向上的偏导数。此外还导出了瓦斯流量方程［式(2)］:q=-式巾，为瓦斯流量；A为煤层透气系数。20世纪80年代，多位研宂者在修正和完善数学模型、流动方程方而开展了相应的工作。巾于大多数井下沉斯流动都可简化为一维的平行流动和径向流动的有限流场、无限流场或其组合，为此，郭勇义等［2］针对一维流动，结合相似理论提出了修正的流动方程。谭学术等131利用

4、渗流理论和热力学理论，提岀了应用真实气体状态方程(而不是理想气体状态方程)的煤层气渗流方程，并做了线性化简化处理。余楚新等141提出参与渗流的沉斯U只是可解吸的那一部分，在瓦斯吸附与解吸过程完全可逆的假设条件下建立了相应的控制方程，做出了有一定新意的探索。随后，孙培徳又进一步修正和完善了线性流动数学模型。随着电子计算机和数值模拟方法的发展，针对煤层气流场内的压力分布及其流动规律进行数值模拟己经成为研宂的主要手段。针对压力是煤层气流动的主要动力因素，李英俊等181重点模拟研宄了煤层斯压力的分布规律，为预测tG斯涌出:W:及抽放效果提供了参考依据；魏晓林l9j采用有限差

5、分法对K斯流场中的压力分布以及流呈变化进行了数值模拟;Yu等分别采用有限元法(FEM)和边界单元法(BEM)实现了对瓦斯渗流流动的数值模拟。2、线性扩散理论tG斯扩散理论在欧美国家有较多研究，而在我国这方而的研宄较少，其扩散规律的理论依据是Fick扩散定律［式(3)］：J=-D—(3)dn式中：J为单位面积的扩散速度；D为瓦斯扩散系数；c为煤体瓦斯浓度。然而沉斯的涌出过程是一个很复杂的过程，杨其变等［121将煤层看作微孔隙裂隙体来讨论瓦斯的扩散过程，认为其属于气体在多孔介质中的扩散，其涌出规律符合扩散定律。依据扩散运动与热传导类似的原理，可以借助热传导的相关研究方法

6、来讨论瓦斯的扩散问题，并以此对瓦斯扩散规律进行理论探讨和实测对比分析。该理论适用于描述煤微孔隙及煤体表而的瓦斯流动规律。3、扩散-渗流理论瓦斯扩散-渗透理论认为，煤层内瓦斯的运动是包含了渗透与扩散的混合流动过程。煤层巾存在相互沟通的裂隙网络，游离瓦斯沿着这些裂隙流向低压工作面；同时煤块内部的瓦斯解吸附而向裂隙扩散，因此，煤层中瓦斯的渗透率及其扩散性共同决定了其流动状况。随着瓦斯运移规律研宄的深入，国闪外许多学者都赞同这一理论，周世宁院士1131指出在煤层裂隙及大孔隙中的流动属于渗透，符合达西定律；而在微孔隙结构屮的流动主要是扩散，符合Hck扩散定律；并按扩散-渗透规

7、律建立了煤层瓦斯流动方程式，与按单纯达两定律导出的方程式进行了对比，明确了达西定律的适用范围。Saghafi等从扩散力学出发，依据Rck扩散定律建立了煤块瓦斯扩散方程；又从渗流力学出发，依据达西定律建立了沉斯渗流方程；最后藕合成沉斯滲透-扩散的流动方程，结合边值条件建立了瓦斯渗透-扩散的动力模型，并进行了数值模拟。吴世跃［

8、41借鉴石油天然气相关的渗流理论，考虑了煤的结构特性与压缩性、吸附瓦斯与游离瓦斯流动的差异及其关系，在均质扩散模型和滲透模型的基础上，建立了扩散与渗流的物理数学模型，该模型在一定条件T又可转化为纯扩散或纯渗透模型,具有一定的普适性。(一)非线