文摘

water-driven-methane效应的存在瓦斯煤已经验证通过现场试验和实验室实验。然而,water-driven-methane数学模型,考虑甲烷吸附和解吸尚未建立。基于water-driven-methane过程流固耦合数学模型建立了甲烷的水。验证模型的可靠性water-driven-methane物理实验的结果,通过使用一个解决COMSOL多重物理量的软件。孔隙压力的时空分布规律,water-methane两相饱和度,孔隙压力梯度water-driven-methane过程进行了分析。结果显示以下。(1)water-driven-methane多孔煤流固耦合数学模型是可靠的。(2)在water-driven-methane过程中,有一个增加区和减少区域煤样的孔隙压力。孔隙压力的增加区是最接近的进水口,和它的面积逐渐减少。孔隙压力的降低区是最接近的甲烷出口,和它的面积逐渐增加。 Over time, the methane pressure in the increasing zone of pore pressure first increases and then decreases, and the methane pressure in the decreasing zone of pore pressure continuously decreases. The change (increase or decrease) rate of the methane pressure gradually decreases from both ends towards the middle of the coal sample. (3) The curve of the water saturation over time changes from a lower concave curve to a straight line, while the curve of the methane saturation with time changes from an upper convex curve to a straight line. The methane saturation in the decreasing zone of pore pressure is greater than that in the increasing zone of pore pressure. Over time, the water saturation of a specific point in space continuously increases while its methane saturation continuously decreases. Both of the increase rate of the water saturation and the decrease rate of the methane saturation gradually reduce over time. (4) The pore pressure gradient along the driving direction first decreases and then increases. The decreasing zone of the pore pressure gradient is located in the increasing zone of pore pressure, and the increasing zone of the pore pressure gradient is located in the decreasing zone of pore pressure. Over time, the pore pressure gradient at the side of the water inlet increases, and its increase rate decreases. The pore pressure gradient at the side of the methane outlet decreases, and its decrease rate decreases. The rate of increase in the pore pressure gradient at the side of the water inlet is greater than the rate of decrease in the pore pressure gradient at the side of the methane outlet.

1。介绍

注水或水力压裂过程中瓦斯煤,气流在巷道的甲烷浓度明显增加。这种现象被称为water-driven-methane效应(1]。这种现象的存在已被证实在实验室实验。的影响在生产实践中都有各自的优势和劣势。一方面,它能提供新想法和煤层气的开发,技术和液压措施是用来消除甲烷爆发。另一方面,它可以增加气流的甲烷浓度的道路除了甲烷含量和甲烷煤层局部区域的压力,这是不利于预防煤与甲烷爆发和甲烷爆炸(2- - - - - -7]。事实上,water-driven-methane过程一直存在的负面影响,但它并没有一个明显的灾难的原因,没有引起了确立和研究人员的注意。与煤层的开采深度增加天然气和煤炭资源,water-driven-methane效应的正面和负面的影响已经越来越明显8,9]。然而,目前,一个数学模型考虑在煤甲烷吸附和解吸的影响尚未建立了描述煤water-driven-methane效应。因此,water-driven-methane过程中,水的分布规律和甲烷饱和除了孔隙压力及其梯度仍不清楚。因此,准确地描述water-driven-methane过程,应该建立一个数学模型。基于此数学模型,水的分布规律和甲烷饱和度和孔隙压力及其梯度可以分析。更全面和深入的了解这一过程的影响将有助于这一现象的最好的利用优点和克服缺点。

目前,已经建立了一个数学模型来描述水煤气或油水两相驱动过程在传统多孔介质储层(10- - - - - -12]。当然,煤岩体也多孔介质。煤岩体中的water-driven-methane过程也属于水煤气多孔介质中两相流。然而,煤炭是甲烷吸附和解吸的影响明显不同于water-driven-gas过程煤岩体和传统的多孔介质。排水过程中,减少压力,煤层气解吸,水气两相流阶段。流固耦合数学模型,考虑甲烷吸附和解吸的影响已经建立了描述这一阶段,但它仍然不能直接用来描述water-driven-methane过程煤炭因为以下的原因。(1)煤层气排水的流固耦合模型是用来描述的过程water-methane两相流减少水压力和吸附煤层气成为免费的煤层气。然而,甲烷受水的流固耦合模型需要描述赶走了甲烷在煤的过程中注入水,注入的煤炭。上述两个过程的边界条件是不同的。此外,注入水还会引起瓦斯压力的增加,导致自由甲烷吸附甲烷的变换。 (2) For the coupled fluid-solid mathematical models of coalbed methane drainage, some equations are only listed but not solved, and for the other equations, only the numerical solutions are offered. However, the reliability of these mathematical models has not been verified. Furthermore, these models primarily study the evolution regularities of reservoir permeability and methane production but rarely address the distribution regularities of water-methane two-phase saturation and of the pore pressure and its gradient [13- - - - - -15]。

澄清water-methane两相饱和度的分布规律和孔隙压力和孔隙压力梯度的机制在water-driven-methane过程中,纯多孔煤岩没有骨折被选中在这项研究中,从而排除断裂的结构的影响。基于多孔介质的弹性理论,有效应力原理,甲烷吸附和解吸的原则,质量守恒原理和达西定律,一个流固耦合的数学模型建立了甲烷的水。这个模型认为煤层气吸附和解吸的影响,煤岩体的变形场和渗流场的水和甲烷。的可靠性数学模型验证了物理实验的人为压制成型煤。数学模型的基础上,进一步研究开发的分布规律water-methane两相饱和度和孔隙压力和孔隙压力梯度的机制。科学理解为water-driven-methane提供过程中多孔煤。

2。概念模型

多孔煤岩(图1(一))的特点是空气孔和模孔的孔隙结构和类似的结构(图1(b)),它可以提供免费空间甲烷和吸附甲烷(图1(c))16- - - - - -18]。多孔煤岩,有许多相互联系的毛孔,可视为流体的迁移通道(19,20.]。

甲烷是由水之前,主要有甲烷和少量的水(图1(c))煤岩的孔隙。压力被认为是初始孔隙压力。water-driven-methane过程中,压力水将流沿孔隙通道(21- - - - - -24]。这打破了原始煤样力学平衡,压力是再次重新分配。甲烷的压力将上升距离注水位置。孔隙中的水驱动甲烷在孔隙通道前进,直到甲烷是煤岩体开除了。同时,甲烷的孔隙空间也被水(1]。占据的孔隙水形成区,但一定数量的甲烷仍在水里区。甲烷形成气体所占据的孔隙空间区域,也有少量的气体中的束缚水区域。根据上述过程,概念模型的甲烷由水在多孔煤岩(图2)在本研究构造。

3所示。数学模型

3.1。基本假设

建立的数学模型是基于以下六个基本假设:(1)water-methane两相流是一个非混相系统,甲烷在水中的溶解度是不被认为是在模型中。(2)渗流场的温度是一个常数,和水、甲烷和岩层处于热平衡状态。(3)甲烷是理想气体。流动的水和甲烷在多孔煤炭以层流和遵循达西定律。(4)多孔煤岩是均匀和各向同性。其固体骨架和孔隙是可压缩的,多孔煤岩的变形是弹性和小。(5)毛细管压力和重力的影响被认为是在数学模型。(6)只有water-driven-methane效应被认为是,water-displaced-methane效应被忽略。

3.2。基本方程

3.2.1之上。应力场的方程

免费的煤层气和水在煤可以传输流体压力。当甲烷吸附表面的煤,煤的表面张力降低,导致体积的膨胀。然而,当甲烷而眠煤表面,它的体积收缩。上述差异促使学者补充Terzaghi有效压力的原则适应煤的变形,富含吸附煤层气。基于多孔介质的弹性理论,煤的本构方程的身体考虑甲烷吸附和解吸的影响如下(14]: 在这 在哪里剪切模量,弹性模量,泊松比,代表正应力的组件,孔隙压力,是毕奥有效应力系数,是煤岩的体积模量煤岩骨架的体积模量,煤岩骨架的弹性模量,克罗内克符号(什么时候等于 , 是1;当是不平等的 , 是0),甲烷的吸附压力,甲烷的吸附压力系数,是朗缪尔压力不变,是朗缪尔体积不变,水饱和,是水的孔隙压力,是甲烷饱和,的孔隙压力是甲烷。

根据弹性力学理论,应变和位移之间的关系

从静力平衡条件,可以得到如下:

用(1),(2)和(3)(4),修改后的纳维平衡方程(5)从根本上以位移为未知数和耦合项包括可以获得。 在哪里位移沿方向和的体积力吗方向 。

3.2.2。质量守恒方程

甲烷在煤吸附甲烷和有空。最初的甲烷吸附在矩阵的内部表面毛孔,成为free-phase甲烷由于孔隙压力降低。相反,随着孔隙压力的增加,free-phase甲烷可以成为吸附甲烷。

总可以计算甲烷 在哪里甲烷和自由吗是吸附甲烷。

免费的甲烷含量可以计算如下: 在哪里甲烷和密度吗是煤岩的孔隙度。

通过对甲烷作为原始气体,它的密度和压力之间的关系可以表示如下: 在哪里是甲烷(Pa)的压力, 压缩系数(公斤/米³Pa)),是甲烷的分子量(公斤/摩尔),理想气体常数(3.814 kJ /(摩尔·K)),然后呢是绝对温度(K)。

根据(8)和(9),甲烷的密度可以计算 在哪里标准条件下的压力(101325 Pa)和在标准条件下甲烷的密度(0.717公斤/米³)。

吸附甲烷含量满足朗谬尔公式,其相应的方程 在哪里是最终的甲烷的吸附容量(m³/公斤),甲烷的吸附平衡常数(Pa吗⁻¹),煤的密度(公斤/米³)。

根据质量守恒原理,流体的质量连续性方程表示如下: 在哪里代表或 ,在哪里是一个水阶段和是一个甲烷阶段;的质量吗步流体(公斤/米³);的质量吗步流体(公斤/米³);的平均速度吗步流体(m / s);是煤炭的绝对渗透率(m²); 的导电率吗步流体;的相对渗透率是吗步流体;动态粘度的吗步液体(Pa·s);和是坐标系统(m)的高度。

通过对甲烷可压缩流体和水作为不可压缩流体,与联盟(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(10),(11)和(12),甲烷和水的质量连续性方程可分别表示如下:

为进一步简化,(13)可以分别表示如下:

3.2.3。水平集输运方程

水平集方法,首先提出Osher Sethian,是解决两相流动方程的数值方法包括表面张力的阶段。它可以用来模拟water-driven-gas过程。了解水、气两相流的动态变化特征,该方法具有方便、可视化等。水平集方程写如下(25]: 在哪里水煤气两相界面的轮廓线,是仅参数方程的解决方案,是流体的速度,水煤气界面的厚度,是水和气体流量的时间。

为了避免数值计算的不稳定,液体的密度和粘性属性参数附近的接口需要平滑。的平滑方法水平集方程描述了密度和动态的变化过程中粘度的水气两相流水平集函数,和相应的方程 在哪里和水和气体的密度(公斤/米³),分别和动态粘度的水和甲烷(Pa·s),分别。

3.2.4。孔隙度和渗透率的动态模型

甲烷迁移是由煤的孔隙度和渗透率的岩石,是应力场和渗流场之间的桥梁。这两个关键参数密切相关的压力和煤岩固有的材料特性。

多孔煤岩多孔介质。其孔隙度是影响孔隙压力和矩阵扩张/收缩引起的甲烷吸附/解吸。考虑孔隙压力的综合效应和矩阵扩张/收缩,孔隙度的动态模型可以写成如下(26,27]: 在这 在哪里煤岩的初始孔隙度;煤岩的体积应变; , ,和的体积应变吗 , ,和分别为方向;是煤炭骨架的体积模量;和索引0等于相应的参数的初始值。

多孔介质的绝对渗透率也受到原位应力的影响。绝对渗透率的动态模型可以表示如下(28,29日]: 在哪里是初始多孔介质的渗透率。

毛细管压力曲线是由布鲁克斯和Corey-Burdine模型用于计算流体在多孔介质的相对渗透率。根据布鲁克斯和Corey-Burdine模型,水的相对渗透率和甲烷在多孔煤岩含水饱和度的函数。相应的表达式如下(30.]: 在哪里水相相对渗透率的端点,气相相对渗透率的端点,的残余饱和度是水相,是气相的残余饱和度,是一个参数,表示多孔介质的孔隙结构特征。

当参数布鲁克斯和Corey-Burdine模型的是1,水和甲烷的相对渗透率曲线计算与实验结果不稳定的方法一致,如图3(31日]。

3.2.5。毛细管方程

当水和气体流量的两种非混相流体孔隙通道,meniscus-shaped接口之间的水和甲烷组成。两边的压力接口是不连续的。压力之差称为毛细力,和相应的表达式 在哪里毛细力,是甲烷的压力,是水的压力。

3.2.6。饱和度公式

在饱和多孔介质,有效的毛孔都装满水和天然气。这个过程是饱和度方程所描述的:

3.3。几何模型和边界条件

从钻孔水进入煤岩石后,它将推动前进的甲烷在煤岩孔隙通道。对应于物理模型的边界和初始条件如下:

4所示。模型的实验验证

4.1。甲烷的实验由水在多孔煤岩

以下4.4.1。实验系统

基于甲烷流离失所水的原则,一个伪多轴water-methane位移(图的实验系统4)是发达。这个实验系统可以模拟的过程取代甲烷被水条件下圆柱的轴向和围压煤样品直径50毫米和100毫米的高度。实验系统包括一个轴向和围压加载系统、注水系统、注气系统和流离失所的气体收集和测量设备。water-methane位移装置的原理和真正目的是蓝色矩形虚线框,如图所示4。轴向压力由液压千斤顶加载的底部water-methane位移装置,以及围压应用通过注入液压油进入环形空间。水压加载由四通道控制、电液伺服控制系统基于MOOG阀。气路系统的压力调整使用压力释放阀的出口甲烷气缸。流离失所的收集和体积测量甲烷的帮助下完成地质勘探甲烷解吸乐器。

4.1.2。制备的坯块煤炭

煤球煤是由煤粉在压力下提供了一个严格的压力测试机,和团块的内部结构煤是多孔。为了避免离散关节和裂缝等因素的影响,煤球煤可以理想的多孔煤。制备过程用于煤球煤在本文(图5)如下。首先,筛出煤粉与直径的0.3 ~ 0.45 mm筛(图5(a))。煤炭粉和水混合实现的质量比10:1,然后把煤水混合物放入模具(图5(b))。施加一个压力100 MPa(图5(b))在刚性压力试验机的煤水混合物。弹射后(图5(c)),煤样团块直径50毫米和100毫米的高度(图生产5(d))。

4.1.3。实验过程

water-displaced-methane实验的过程如下。(1)负载轴向和围岩压力。2 MPa的轴向压力和围压1 MPa同时应用于加载率0.2 MPa / s和0.1 MPa / s,分别。然后,保持2 MPa的轴向压力和围压1 MPa 5分钟。(2)通风空气。打开摄入和出口阀门和收集气体出口。当收集到的气体的甲烷浓度接近100%,相信实验系统的空气已经发泄出去了。然后,关闭出口阀。(3)实现甲烷吸附和解吸平衡。打开气缸和入口阀门和控制气缸的输出压力通过调整减压阀。 The coal sample finally arrives at a state of adsorption and desorption equilibrium, and the corresponding methane pressure is 0.5 MPa. (4) Drive the methane by water injection. Close the gas inlet valve, and open the gas outlet and water inlet valves. Maintain a water pressure of 0.7 MPa, and inject water into the coal sample. Collect the methane displaced by water until no further methane is released.

4.2。计算的数学模型

4.2.1。准备几何模型

圆柱模型直径50毫米和100毫米(图6(一))是采用数值模拟。方便的监测和分析后处理模型的相关参数,water-displaced-methane方向的标记为正方向设在一起,这九个监视点分别分布在10毫米的位置,20毫米,30毫米,40毫米,50 mm, 60毫米,70毫米,80毫米,90毫米的圆柱。同时,圆柱体的轴被选中的监测。水进入煤样从顶部和驱动甲烷在煤前进。圆柱的侧面是一个不透水边界,上表面为进水口,下表面是甲烷。在water-displaced-methane过程中,轴向和围压力的加载条件图所示6 (b)。

4.2.2。确定数值模拟的参数

解决方程的过程中利用COMSOL多重物理量软件实际上是一个递归的一个物理过程。复发的物理过程需要一系列的基础建立在合理的参数。只有用这种方法可以解决方程收敛和物理过程的递归式成功。以确保类似于真正的物理实验,数值模拟的实际物理参数实验煤样团块用于数值计算在最远的程度上成为可能。该数值模拟中使用的相关参数如表所示1。

4.3。对比实验和数值计算结果

甲烷的水主要是免费的甲烷在煤。免费甲烷包括原始自由甲烷(图中黑线7)和甲烷吸附甲烷眠(红色线在图7)。当压力水进入毛孔的煤炭、自由甲烷的毛孔会向前推动沿渗流方向的压力水。随着更多的水进入毛孔,额外的甲烷是由水。从图可以看出7,在最初的20分钟的收集甲烷体积water-displaced-methane明显高于实验值计算的数学模型;然而,从20分钟到60分钟,收集甲烷的实验和数值计算逐渐趋同。在一个小时内,收集到的甲烷体积water-displaced-methane实验的数值计算的高出1.4%。这是因为水进入煤后,毛孔的甲烷自由和自由的甲烷吸附甲烷流离失所水同时赶出。虽然只有一个体积小的甲烷是流离失所的水,它的存在证实了实验[1,32- - - - - -35]。目前,甲烷流离失所水不能定量计算的数学公式。本文的数学模型还缺乏定量表达式甲烷体积。这是微妙的原因实验和计算结果之间的差异。总的来说,结果表明,甲烷受水的数学模型是可靠的,可以用于预测的甲烷体积water-driven-methane过程。

5。甲烷受水的规律

5.1。Water-Methane两相饱和的时空分布规律

5.1.1。的时空分布的可视化Water-Methane两相饱和行驶方向

在water-driven-methane过程中,水的空间分布的动态过程和甲烷饱和度饱和云图像能清晰显示。水的空间分布和甲烷饱和度在四个1分钟的时候,5分钟,10分钟,30分钟图所示8。以下从图可以看出8。(1)当水进入毛孔,甲烷不能完全排出,还有残留的甲烷在煤岩的孔隙。剩余甲烷饱和数值模拟设置为0.2,所以最大的含水饱和度是0.8。当煤样的含水饱和度达到0.8,相信毛孔与水在这一领域已经饱和。(2)有束缚水煤样品。与束缚水的存在,煤岩的毛孔不能完全充满甲烷。因此,煤样的束缚水饱和度设置为0.05,和最大甲烷饱和是0.95。

结果如图8在协议的预设参数数学模型,这表明间接的数学模型的可行性和可靠性。的帮助下COMSOL软件多重物理量,water-driven-methane行为的可视化实现。这有助于semiqualitative和半定量的研究的时空分布的可视化water-methane两相饱和。

5.1.2中。时空分布Water-Methane两相饱和的轴向监控线沿行驶方向

当压力水注入煤样,被水占据越来越多的空间。与此同时,甲烷被水向前推动,导致占据的空间减少甲烷。因为水和甲烷饱和的和在任何空间点是1,水和甲烷饱和度的变化规律在任何时候在太空是相反的。换句话说,含水饱和度大于甲烷饱和是小,这是靠近进水口。从图可以看出9。(1)在同一位置,含水饱和度随时间的增加(例如,20毫米的位置的含水饱和度增加从0.05到0.65在30分钟),但甲烷饱和度随时间(例如,20毫米的甲烷饱和位置减少30分钟内从0.95到0.35)。与此同时,含水饱和度的增加率逐渐降低,并减少甲烷饱和率逐渐降低。增加率的空间分布在1 ~ 5分钟大于含水饱和度,在10 ~ 30分钟。(2)同时,沿着行驶方向的含水饱和度变化中不断减少间隔从0.05到0.8,而甲烷饱和显示连续变化间隔内从0.2增加到0.95。(3)随着时间的推移,从低含水饱和度变化的曲线凹曲线为一条直线,和甲烷饱和曲线的变化从一个上凸曲线为一条直线。与连续water-driven-methane过程表明,沿行驶方向的含水饱和度显示了甲烷饱和线性增加,显示了一个线性减少。

5.1.3。时空分布Water-Methane两相饱和的轴向沿行驶方向监视点

从图可以看出10和表2水饱和的时空分布规律如下。(1)空间同一点,含水饱和度首先提出了一种近线性增加到一定值,然后保持稳定。这是因为,随着时间的推移,水继续流入煤炭样本,导致连续增加水饱和度。然而,此时孔隙空间是有限的。当孔隙空间被水完全占领,这一点的含水饱和度逐渐饱和,达到一个稳定值。(2)增加的含水饱和度值在0 ~ 10米5分钟,5 ~ 10分钟,10 ~ 15分钟,分别为0.653,0.02,和0.002,这表明水饱和度的增加率逐渐降低。水饱和度的变化在50米和90米位置遵循同样的规律,在10米的位置。

从图可以看出10的时空规律甲烷饱和如下。(1)空间同一点,甲烷饱和首先提出了一种近线性减小到一定值,然后保持稳定。这是因为,随着时间的推移,压力水进入煤样,驱动甲烷从煤炭样本,占孔隙空间的甲烷。然而,煤炭的总孔隙空间有一定的价值。增加水进入煤样,孔隙空间被水逐渐增加,甲烷所占据的孔隙空间逐渐减少。当煤样的孔隙空间被水往往是稳定,占据的孔隙空间的甲烷最终会稳定。(2)减少甲烷的饱和值10米的位置在0 ~ 5分钟,5 ~ 10分钟,和10 ~ 15分钟是0.653,0.02,和0.002,分别。这表明,随着时间的推移,减少甲烷饱和率逐渐降低。甲烷饱和的变化在50米和90米位置遵循同样的规律,在10米的位置。(3)同时,甲烷饱和度较低,靠近进水口。 This is because the water injection volume at a specific time is certain. The closer to the water inlet, the greater the pore space occupied by water and the lower the pore space occupied by methane.

5.2。孔隙压力的时空分布规律

5.2.1。时空分布的孔隙压力沿行驶方向

以下从图可以看出11。(1)煤样的初始孔隙压力为0.5 MPa。然而,在water-driven-methane过程,煤样的孔隙压力不再是0.5 MPa。这表明,water-driven-methane过程,煤样的孔隙压力重新分配。与初始孔隙压力为0.5 MPa,最大孔隙压力重新分配后0.7 MPa和再分配后的最小孔隙压力为0.1 MPa。这表明,只有一系列增加区域引起的孔隙压力水压力的传播。(2)使用的初始孔隙压力0.5 MPa为分界线,煤样可分为孔隙压力的增加区和减少区域,如图所示,虚线箭头在图11。随着时间的推移,孔隙压力的增加逐渐降低,但降低的孔隙压力逐渐增加。(3)随着water-driven-methane过程的继续,沿着行驶方向的孔隙压力逐渐降低。这是因为在进口0.7 MPa水压力与大气压力出口为0.1 MPa。煤的孔隙压力从0.7 MPa是连续到0.1 MPa,见云孔隙压力在图的图像11。(4)在空间同一点,煤样的瓦斯压力随时间逐渐减少。这是因为自由甲烷在煤样例是由水,导致自由甲烷含量和减少甲烷在煤样的压力。

结合孔隙压力的时空分布规律与water-methane两相饱和的时空分布规律,结果表明,在降低甲烷饱和区孔隙压力大于孔隙压力的增加。即自由甲烷含量下降区孔隙压力大于孔隙压力的增加。这是因为,在孔隙压力的增加,一些免费的甲烷是驱动的孔隙压力的减少区和一些免费的甲烷转化为吸附甲烷。孔隙压力的自由甲烷减少区内包括免费甲烷由水从孔隙压力的增加,原来的自由地区甲烷,甲烷和自由而眠的吸附甲烷。

5.2.2。时空分布的孔隙压力沿行驶方向轴线

以下从图可以看出12和表3。(1)煤样的初始孔隙压力为0.5 MPa,因此最初的煤样孔隙压力在每个空间点是0.5 MPa。当压力水进入煤样品,免费的甲烷在毛孔向前推动,孔隙压力沿行驶方向是重新分配。因此,孔隙压力在10毫米,20毫米,30毫米,40毫米和50毫米都大于初始孔隙压力,表明这些点在空间位于区孔隙压力增加。然而,孔隙压力在60毫米,70毫米,80毫米和90毫米小于初始孔隙压力,表明这些点在空间位于减少孔隙压力区。即增加孔隙压力分布接近带进水口端,减少区域的孔隙压力分布接近甲烷出口端。这是因为进水口端接近0.7 MPa的高压源,和甲烷出口端接近0.1 MPa的低压来源。(2)随着时间的推移,孔隙压力的增加区先增加然后减少,但减少区域的孔隙压力不断降低。(3)初water-driven-methane过程的变化(增加或减少)率孔隙压力降低从两端到中间的煤样。这是因为煤样的两端接近高或低压源,从初始孔隙压力形成压力差。 At the beginning of the water-driven-methane process, to realize the continuous distribution of the pore pressure in the coal sample, it is necessary to overcome this pressure difference in order to realize the connection and transition of the pore pressure in the coal sample.

5.3。时空分布的孔隙压力梯度沿行驶方向

以下从图可以看出13和表4。(1)当时间常数,孔隙压力梯度在监测行先增加然后减少。孔隙压力梯度的降低区位于孔隙压力的增加,和孔隙压力梯度的增加区位于减少孔隙压力区。(2)30分钟时,孔隙压力梯度在甲烷出口端7 ~ 9倍的进水口。这表明孔隙压力梯度的甲烷出口大于,进水口。这是由于压力差为0.4 MPa初始孔隙压力与大气压力之间的差异大于0.1 MPa之间的水压力和初始孔隙压力。(3)随着时间的推移,孔隙压力梯度的侧进水口的增加,但增加的速度减少。例如,0.183 MPa / m的增长率在10 ~ 20分钟的孔隙压力梯度大于0.141 MPa / m的增长率在压力梯度20 ~ 30分钟。(4)随着时间的推移,孔隙压力梯度的甲烷出口减少,以及减少的速度减少。例如,5.515 MPa / m的增长率在10 ~ 20分钟的孔隙压力梯度大于1.76 MPa / m的增长率在压力梯度20 ~ 30分钟。 (5) The rate of increase in the pore pressure gradient at the water inlet is less than the rate of decrease in the pore pressure gradient at the methane outlet.

6。结论

(1)概念模型的基础上甲烷在多孔煤岩,由水和甲烷吸附和解吸的影响考虑流固耦合的数学模型建立了甲烷的水。数学模型的准确性和可靠性已water-driven-methane实验的结果验证了煤样团块。(2)的帮助下COMSOL软件多重物理量,时空分布的可视化water-methane两相饱和可以实现。含水饱和度随时间变化的曲线从较低的凹曲线为一条直线,而甲烷饱和度随时间变化的曲线的上凸曲线为一条直线。与此同时,含水饱和度的增加率和减少甲烷饱和率逐渐降低。(3)在water-driven-methane过程中,煤样的孔隙压力重新分配。最大孔隙压力的水压力在一边进水口,和最小孔隙压力是大气压力的甲烷出口。沿着行驶方向的孔隙压力降低。使用初始孔隙压力作为分界线,煤样可分为增加区和减少孔隙压力区。孔隙压力的增加区靠近进水口的一边,和孔隙压力的降低区接近出口的甲烷。孔隙压力的增加逐渐减少,减少区域的孔隙压力逐渐增加。随着时间的推移,孔隙压力在孔隙压力的增加先增加然后减少,和孔隙压力降低区孔隙压力不断降低。的变化(增加或减少)的煤样的孔隙压力逐渐减少从两端向中间的煤样。(4)孔隙压力梯度降低,然后增加行驶方向。孔隙压力梯度的降低区位于孔隙压力的增加,和孔隙压力梯度的增加区位于减少孔隙压力区。water-driven-methane过程中,孔隙压力梯度的分布受到不同初始孔隙压力与大气压力的出口甲烷和水压力之间的差异的进水口和初始孔隙压力。在前两个之间的压力差大于后者两个,孔隙压力梯度的甲烷出口大于,进水口。随着时间的推移,孔隙压力梯度的侧进水口增加,及其增长率下降。孔隙压力梯度的甲烷出口减少,下降速度也减少。增加的速度在孔隙压力梯度的进水口大于孔隙压力梯度下降的速度在甲烷出口。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

提供的金融支持这项工作,国家重点研发项目中国没有。2017 yfc0603001),美国国家科学基金优秀年轻学者(没有。51522406),中央大学的基础研究基金(中国矿业大学和技术)(没有。2015 xkzd04)。