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借助CFD对煤层分压注二氧化碳运移规律的研究

2020-07-03 288 上传者：管理员

摘要：为研究鲁西某矿煤层注二氧化碳工程中，压力与断层面积对二氧化碳在煤体中运移规律的影响程度，借助Ansys-Fluent仿真软件，模拟研究6MPa及12MPa压力下，分别对含少量和大量断层的煤体注入二氧化碳的煤体的降温效果。研究结果表明：在断层达到一定面积和数量后，单位面积断层对煤体降温作用的影响减弱，其主要原因是过高的断层面积分散了注二氧化碳压力。

关键词：
二氧化碳
仿真软件
压力
工程力学
断层面积
煤体降温
运移规律
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煤层开采过程中，不同区域煤体内所含断层数量与面积各不相同。断层的存在，将有助于提升煤层注二氧化碳的降温效果。但由于煤体内部孔隙断层结构复杂，二氧化碳的流动运移过程无法有效监测等原因，使得研究采用煤层注二氧化碳技术后，二氧化碳运移规律的实验不易进行。因此，通过数值模拟的方法研究对不同断层发育程度的煤体进行注二氧化碳后煤体降温的效果。研究选用成熟的多物理场耦合软件Ansys-Fluent，其CFD的多孔介质模块与物质传递模块可用于联合仿真煤体内二氧化碳流动运移与润湿过程。

煤层注二氧化碳对提高煤层甲烷采收率有着良好的效果。高远文等人对注入压力点对阜新煤矿注二氧化碳的影响进行了试验研究，结果表明在注入点较高压力下的二氧化碳置换效果好于较低压力下置换效果[1]；吴迪利用三轴吸附试验装置对体积应力及温度对煤层注二氧化碳条件下甲烷驱替量的影响规律进行了分析，得出了同温度条件下，体积应力增加，甲烷驱替逐渐减小，温度升高甲烷驱替逐渐增大的结论[2]。借助数值模拟方法进行流体计算成为广大科研人员研究煤层注二氧化碳流动运移过程的首选。例如，王永康等用数值模拟方法给出了注二氧化碳压力-时间-渗透条件动态变化关系[3]。孙可明等以渗流方程、扩散方程为基础联合初始条件及定解条件，建立了耦合方程，并且结合实验得出了注入点压力分布、气体浓度分布的规律[4,5]。目前针对煤层注二氧化碳的数值模拟研究，大都仅考虑了二氧化碳注入点压力、流动运移速度或润湿情况中的一种，未综合分析上述物理量间的联系，且忽略了煤体内部不同数量的断层对二氧化碳流动运移的影响[6,7,8]。在参考前人研究结果的基础上，通过建立不同断层面积的煤体模型，将煤体的断层发育程度划分为2个层级，以不同的压力开展煤层注二氧化碳作业，并分别进行模拟研究。

1、数学模型

煤作为一种典型的多孔介质，二氧化碳在其中的运移可用Darcy定律表示，其偏微分方程形式如下：

公式（1）

式中：t为时间，s；εp为孔隙率，%；ρ为二氧化碳的密度，kg/m3;k为渗透率，%；p为煤体中二氧化碳压力，MPa；μ为动力黏度，（N·s）/m2;Qm为质量源项，kg/（s·m3）。

考虑到流体在多孔介质中的吸附、分散与部分挥发后，二氧化碳在煤体孔隙中的物质传递在宏观上遵循如下偏微分方程：

公式（2）

式中：▽为向量微分算子；ci为二氧化碳的摩尔浓度，mol/m3;u为Darcy定律求解后得到的速度场矩阵，S为源项，kg/m3；Γi为二氧化碳的切向力，m/s。

2、物理模型及边界条件

2.1物理模型

中国矿业大学（北京）孟磊进行了大量含瓦斯煤体损伤破坏特征实验研究[9]。依据其损伤破坏实验的破坏结果，煤体产生的多种断裂面均可由尺寸较小的断裂平面通过相互连接构成，故本研究将断层含为若干包含相互连接的平面断层。同时，研究将煤体的断层总量划分为2个层级，即以约1000m2的断层代表含断层较多的煤体，采用6MPa的低压进行注二氧化碳；以约400m2的断层代表距含断层较少的煤体，分别采用6MPa与12MPa2种压力进行注二氧化碳。

根据鲁西某矿的实际情况，采用SolidWorks软件构建数值模拟几何模型尺寸为80m×80m×6m，注水孔长度为80m，注水孔直径为90mm，注水孔间距为20m。将上述几何模型保存为.STL的格式，导入到ICEM中进行网格划分，经过检验，网格划分质量均在0.4以上，符合模拟要求。其中，煤体的几何模型如图1，网格划分结果如图2。

2.2边界条件设定和主要模拟参数

图1煤体几何模型图

图2网格划分结果

依据该矿的实际情况，设定边界条件。煤体上表面边界承受垂应力大小为19.6MPa的上覆岩层压力，其余边界为自由界面。

依据煤样的基本岩石力学实验测定结果，设定的边界条件和模拟参数见表1。

3、煤层注二氧化碳数值模拟

为直观展现注二氧化碳过程中注入点压力、二氧化碳流动运移速度及二氧化碳量的分布及变化情况，做水平切面进行研究。

表1主要参数

3.1煤层注二氧化碳应力场分析

截取各模型在注二氧化碳进行5d后，注二氧化碳孔轴心切面上的压力分布图如图3。

1）通过对比图3(a）～图3(c）可以看出，高压注二氧化碳对煤体内局部的压力分布影响较大。在含二氧化碳煤体内，尽管断层及注入孔附近煤体的压力较为集中，但相较于6MPa的注入压力，煤体各处未达到平衡的压力分布仍较为明显。

2）含断层面积的增大，在一定程度上降低了附近煤体内的平均压力。整个注二氧化碳的过程中，含断层附近煤体平均压力从高到低依次为：含少量平面断层低压注二氧化碳煤体、含少量平面断层高压注二氧化碳煤体及含大量平面断层低压注二氧化碳煤体。其主要原因是较大的断层面积分散了注二氧化碳的压力。

图3煤体内压力模拟结果

3.2煤层注二氧化碳流动运移速度分析

各模型在流动运移速度在5d后，即应力达到平衡后，注入二氧化碳的孔轴心切面上的二氧化碳流动运移速度分布如图4。

图4煤体内二氧化碳流动运移速度模拟结果

1）相较于应力场，分压注二氧化碳对运移速度的影响较大。在12MPa注入压力的影响下，含少量平面断层低压注二氧化碳煤体、含少量平面断层高压注二氧化碳煤体及含大量平面断层低压注二氧化碳煤体中，5d后煤体内的二氧化碳流动速度最高分别约为2.17、2.33、1.12mm/s。

2）由统计数据可得，在注二氧化碳前期，二氧化碳由注入孔向煤体内渗入，此时二氧化碳流动运移速度较高。随着注入压力消耗，二氧化碳流动进入更大范围内的煤体，运移速度也随之降低。

3.3煤层注二氧化碳量分析

截取各模型在注二氧化碳进行5d后，注二氧化碳孔轴心切面上的煤体二氧化碳的增量分布图如图5。

图5煤层注二氧化碳量

1）低压注二氧化碳与高压注二氧化碳过程中，润湿煤体均集中于以注入孔或断层为轴心，半径约4.5m的煤体内，被润湿煤体的范围难以扩大。

2）由统计结果不难发现，断层对煤体润湿降温效果的辅助作用明显，且优于高注二氧化碳压力对煤体润湿降温效果的辅助作用。注入二氧化碳5d后，含少量平面断层低压注二氧化碳煤体、含少量平面断层高压注二氧化碳煤体及含大量平面断层低压注二氧化碳煤体的注入量分别约为11.98、12.85mol/m3与16.03mol/m3。

4、结论

1）煤体内的二氧化碳集中于注入孔及断层附近，但煤层整体的压力分布并未明显受到煤层注入二氧化碳压力差的影响，注入二氧化碳压力仅对局部煤体的压力分布产生了显著影响。

2）注入二氧化碳压力前期，二氧化碳由注入孔开始向煤体内渗入，此时二氧化碳流动运移速度较高，注二氧化碳压力在煤体内运移范围较小；随着二氧化碳流动运移进更大范围内的煤体，注二氧化碳压力消耗，流动运移速度也随之降低。

3）由于过高的断层面积会分散注二氧化碳压力，在断层达到一定面积后，单位面积断层对煤体润湿降温作用的影响同样会减弱。即在接近断层数量与面积较多处，其注二氧化碳压力效果与相同地质条件但断层较少处的高压注二氧化碳压力效果接近。因此，煤层注二氧化碳压力工作可依据断层发育状况，使得注二氧化碳压力始终随断层数量与面积保持正相关比例，随断层数量与面积的增加而提高，避免经济与资源的浪费。

4）在断层达到一定面积后，单位面积断层对煤体润湿降温作用的影响同样会减弱，其主要原因是过高的断层面积分散了注二氧化碳压力。

参考文献：

[1]高远文,刘大锰,姚艳斌,等.阜新煤田注二氧化碳提高煤层甲烷的研究[J].煤炭科学技术,2008(1):19.

[2]吴迪,刘雪莹,孙可明,等.热力作用下煤层注CO2驱替CH4试验研究[J].煤炭学报,2016,41(1):162.

[3]杨宏民,魏晨慧,王兆丰,等.基于多物理场耦合的井下注气驱替煤层甲烷的数值模拟[J].煤炭学报,2010,35(1):109-114.

[4]张宛君,邰英楼.煤层气注井开采数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2009,28(S2):289.

[5]孙可明,潘一山,梁冰.流固耦合作用下深部煤层气井群开采数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2007(5):994-1001.

[6]唐书恒,马彩霞,叶建平,等.注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的实验模拟[J].中国矿业大学学报,2006,35(5):607-611.

[7]马志宏,郭勇义,吴世跃.注入二氧化碳及氮气驱替煤层气机理的实验研究[J].太原理工大学学报,2001,32(4):335-338.

[8]余陶,卢平,姚尚文,等.易自燃大采高工作面采空区注二氧化碳自燃区域分布规律研究[J].安全与环境学报,2016,16(1):29-32.

[9]梁卫国,吴迪,赵阳升.CO2驱替煤层CH4试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(4):665-673.

刘国栋.基于CFD的煤层分压注二氧化碳运移规律[J].煤矿安全,2019,50(11):192-195.