低阶煤气水两相渗流特征的数值模拟研究_祝捷.pdf

采矿与井巷工程第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.001低阶煤气水两相渗流特征的数值模拟研究*祝捷，侯晨雨，刘谨嘉，唐俊，邵唐砂，邹骐竹（中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083）摘要：以海拉尔盆地伊敏低阶煤为研究对象，建立了考虑煤体三维变形的煤储层气水两相流模型，运用COMSOL软件得到了与伊敏煤样气驱水实验结果吻合的气、水流量和进口气体压力变化曲线。进一步探讨了不同井底流压下降方案（0.005 MPa/d和0.01 MPa/d）的煤储层产气特征。研究表明：煤层气井排采需经历产量提升阶段，在井底流压达到最低值时，产气量达到峰值，然后产量降低进入稳产阶段；减缓井底流压的下降速率有利于保持稳产阶段的产气量。关键词：低阶煤；气水两相流；数值模拟；产气量；井底流压中图分类号：TE312文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 001 04Research on Numerical Simulation of Gas-Water Two-phase Seepagein Low-rank CoalsZHU Jie,HOU Chenyu,LIU Jinjia,TANG Jun,SHAO Tangsha,ZOU Qizhu(School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China)Abstract：Yimin low-rank coal in Hailar basin were selected as the research object,and the gas-watertwo-phase flow model of coal reservoirwas established considering the three-dimensional deformation ofcoal body.Using COMSOL software,the gas and water flow rate and inlet gas pressure curve wereobtained which were consistent with the results of the Yimin coal sample gas driving water experiment.The gas production characteristics of coal reservoir under different bottom-hole flowing pressurereduction schemes(0.005 MPa/d and 0.01 MPa/d)were further discussed.The research shows that CBMwell drainage needs to go through the production increase stage.When the bottom-hole flowingpressure reaches the minimum value,the gas production reaches the peak value,and then theproduction decreases and enters the stable production stage;slowing down the decline rate of thebottom-hole flowing pressure is conducive to maintaining the gas production in the stable productionstage.Key words:low-rank coal;gas-water two-phase flow;numerical simulation;gas production;bottom-hole flowing pressure0引言世界煤层气行业总体经历了“中煤阶起步、低煤阶崛起”的过程。我国低煤阶煤层气资源量约占煤层气总资源量的40，低煤阶含煤盆地主要集中在西部地区准噶尔盆地、吐哈盆地，东北地区海拉尔盆地、二连盆地、三江盆地，以及阜新盆地、滇东盆地等。煤层气开采导致储层气体压力减小，煤层气由吸附变为游离状态，在储层中出现气水共存现象，形成两相流。研究储层开采过程的气水流动特征，对提升煤层气井产量至关重要。本文以取自海拉尔盆地伊敏煤矿的煤样为研究对象，对煤储层排采过程中的气水两相流动特征进行模拟分析，研究了排采参数对煤层气井产量的影响特征。1煤储层气水两相流力学模型1.1控制方程煤体吸附气体产生的体积应变s=ppgpg+pL（1）式中pg孔隙气体压力，MPa；pLangmuir最大吸附应变；pL煤样Langmuir压力常数，MPa。煤体中气、水流动控制方程为SgMgRTpgt+g0cVLpL(pg+pL)2pgt+gSgt+Sggt+(-gkkrggpg)=qg（2）wSwt+Swwt+(-wkkrwwpw)=qw（3）其中，三轴应变条件下煤体绝对渗透率k=k0exp-3Cf(p0-p)1-KppL(p+pL)(p0+pL)（4）式中煤体的孔隙率；Sg,Sw煤体中气、水饱和度；*国家自然科学基金项目(52074297)；中央高校基本科研业务费专项基金(2022YJSLJ03)1低阶煤气水两相渗流特征的数值模拟研究祝捷，等第42卷第03期Vol.42 No.03Mg气体的摩尔质量，g/mol；R通用气体常数，J/(molK)；T绝对温度，K；t时间，s；g0气体的标况密度，g/cm3；VL煤样Langmuir体积常数，cm3/g；c，g，w煤体和气、水的密度，g/cm3；pw煤体中的水压力，MPa；krg，krw煤体中气、水的相对渗透率；g，w煤体中气、水的动力黏度系数，MPas；qg，qw煤体气源和水源，kg/(m3s)；k0初始渗透率，m2；Cf裂隙压缩系数，MPa-1；p0煤体初始气体压力，MPa；p煤体当前气体压力，MPa；K煤体的体积模量，MPa。渗透率和孔隙度之间的关系满足立方定律kk0=(0)3（5）式中0煤体的初始孔隙率。气体和水的相对渗透率与饱和度的关系方程为krg=g(1-SwD)m（6）krw=wSwDn（7）其中，有效含水饱和度SwD=Sw-Swr1-Swr-Sgr（8）式中Sgr，Swr束缚水、气饱和度；g，w，m，n拟合参数。1.2模型的验证文献6给出了伊敏煤样的气水两相渗流实验全过程，即实验轴压和围压保持8.0 MPa，在气测渗透率和液测渗透率之后，对水饱和状态的煤样注入5.0 MPa的CO2气体，然后关闭气源，在入口气体压力降低过程中，测得入口气体压力、出口气-水流量如图1所示。图1煤样的两相渗流实验结果基于COMSOL Multiphysics软件中的固体力学和多孔介质多相流模块，利用式(1)、式(2)和式(3)所示气液固耦合控制方程，进行了实验条件下的两相流数值模拟。实验煤样尺寸为300 mm50 mm圆柱体，数值模拟采用二维轴对称模型，几何模型建立如图2所示。几何模型的网格采用自由四边形网格划分，模型整体采用以普通物理为校准的超细化网格，按此标准共划分了275个域单元和120个边界元。实验煤样的进气口压力逐渐降低，因此数值模型的进气口压力与实验条件保持一致，按式（9）设置：p1t-Auzp1（9）式中p1进气口压力，MPa；A气体流经煤样入口处的横截面积，m2；uzt时刻气体在入口处的轴向流速，m/s。出口气体压力保持为大气压，应力场和渗流场边界条件如图2所示，模拟计算参数：初始绝对渗透率k0/m22.0210-16初始孔隙率00.028绝对温度T/K297.81Langmuir压力常数pL/MPa7.45Langmuir体积常数VL/cm3g-13.75Langmuir应变常数p0.023初始含水饱和度Sw01束缚水饱和度Swr0.563束缚气饱和度Sgr0煤样密度/kgm-3950煤样的裂隙压缩系数Cf/MPa-10.061CO2黏度g/MPas1.55105水的黏度w/MPas1.03103CO2的摩尔质量Mg/gmol-144.01通用气体常数R/J(molK)-18.314杨氏模量E/MPa909泊松比0.095气相渗拟合参数g0.46气相渗拟合参数m1.95水相渗拟合参数w0.99水相渗拟合参数n1.79(a)应力场边界条件(b)渗流场边界条件图2模型几何及边界条件本文计算得到了煤样出口处的气、水流量随时时间/min3 5003 0002 5002 0001 5001 00050001005008.06.04.02.0入口气体压力水流量气流量入口气体压力/MPa6.05.04.03.02.01.00.010.08.06.04.02.0水流量10-1/mLmin-1气体流量10/mLmin-1300轴对称边界25轴对称边界300p1p2252低阶煤气水两相渗流特征的数值模拟研究祝捷，等第42卷第03期Vol.42 No.03间的变化规律，如图3所示。模拟采用的入口气体压力降低过程与实验一致，得到的出口气、水流量与实验结果吻合良好，可见本文建立的两相流模型及其参数符合实验要求。(a)入口压力对比(b)气流量对比(c)水流量对比图3煤样模拟结果与实验数据的对比2低阶煤储层气水两相流动特征基于海拉尔盆地伊敏煤矿的实际工程条件，本节将上述煤储层气水两相流力学模型用来分析工程尺度条件下煤储层气水两相流特征，分析评价不同排采方案下的煤层气井产气量。煤储层数值模型的几何参数和边界条件如图4所示，煤层尺寸为200 m200 m，煤层厚度15 m，开采井口半径为0.5 m。模型上边界为恒定载荷条件，上覆压力为8 MPa，相当于煤层埋深320 m，为有效地进行数值模拟计算，将模型简化为二维平面模型，尺寸为储层模型的1/4。1/4储层几何的上侧和右侧边界设置8 MPa的边界载荷，左侧和下侧设置为对称边界。对于流体场，二维模型的四边均采用无流动边界条件。储层初始渗透率设置为9.8510-15m2，初始水饱和度设置为0.9，其他参数设置同1.2节。图4煤储层气水两相流模型几何特征和边界条件伊敏煤矿煤岩的兰氏体积为3.758.84 m3/t，兰氏压力值为3.097.41 MPa。临界解吸压力pcd=VipLVL-Vi=2.7 MPa（10）式中Vi煤层含气量，Vi=1 m3/t。根据式（10）计算得到伊敏组煤层的最大临界解吸压力，本文针对煤储层发生气水两相流的阶段，因此假定初始储层压力与临界解吸压力相同，即为2.7 MPa。当采用0.005、0.01 MPa/d这2种压降方案时，储层压力从2.7 MPa恒速压降到稳定井底压力0.15 MPa所用时间分别为510、255 d。2种开采条件下的煤层气井排采均经历了产量提升阶段，在井底流压达到最低值时，产气量达到峰值，产量峰值分别为1 190、1 040 m3/d，然后产量降低进入稳产阶段，如图5所示，稳产阶段的平均产气量在900 m3/d左右。由图5可知，采用0.01 MPa/d的压降方案，提高井底流压下降速率即可提高产量提升阶段的产气量，但在井底压力达到最低值之后，煤层气井产气量产生大幅减小，从1 190 m3/d下降到808 m3/d，减小了32%，对稳产阶段的产量造成不利影响，而0.005 MPa/d的压降方案，产气量从1 040 m3/d下降到896 m3/d，减小了14%，因此在实际排采过程中，应减缓井底流压下降速率，避免出现井底流压的突变。图5不同压降速率影响下的产气量图6(a)为压降速率为0.005 MPa/d的煤储层在不同排采时间的气体压力