低渗透煤层气非线性渗流规律的数值模拟研究

刘继芹 田开庆

【摘要】为了更好地描述低渗透煤层中气体渗流特征，有必要深入研究煤储层的孔隙结构、气-固表面作用力对渗流过程的影响。低渗透煤储层中气体渗流是一个复杂的过程，复杂的孔隙结构中气-固界面的吸附等作用使其不再遵循达西渗流规律。研究低渗透煤层气非线性渗流规律，建立低渗透煤层气拟稳态条件下数学模型，研究考虑煤层气非线性渗流规律情况下，地层压力的变化及地层流体启动情况。

【关键词】煤层气 非线性 拟稳态 COMSOL Multiphysics

煤层岩孔隙属于孔隙-裂缝介质，尤其对于低渗透储层，孔隙结构更复杂，在裂隙界面与煤层气存在较强的吸附作用，复杂作用的影响使煤层气在低渗透储层中渗流规律并不遵循达西渗流模型。本文通过对低渗透煤层的孔隙结构及气-固作用力方面进行研究，建立煤层气非线性渗流模型，并应用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟研究。

1 低渗透煤层孔隙特征及渗流模型引入

煤是一种具有复杂孔隙结构的聚合物质，煤层气主要吸附在孔隙的内表面。煤层气与固体表面作用力的强弱决定了吸附量，同时也影响着煤层气的渗流。因此，煤层气-固界面作用对于致密低渗透煤层介质煤层气渗流的影响，比中高渗透煤层中煤层气渗流的影响大得多。低渗透煤层气渗流遵循一种非线性渗流规律[3，4]。本文引入新的煤层气渗流模型：

[1] Zhang H B，Liu J and Elsworth D.How sorption-induced matrix deformation affects gas flow in coal seams：a new FE model [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2008，45（8）：1226-1236

[2] 邓英尔，马宝岐，刘慈群.煤层气—固界面作用与吸附模型[J].煤田地质与勘探，2003，32（3）：24-26

[3] 张先敏，冯其红，陈东等.阜新盆地煤层气渗流规律实验[J].重庆大学学报，2011，34（4）：58-61

[4] 邓英尔，谢和平，黄润秋等.低渗透孔隙-裂隙介质气体非线性渗流运动方程，四川大学学报，2006，38（4）：1-4

[5] Palmer I，Mansoori J.How permeability depends on stress and pore pressure in coalbeds：a new model[C].Paper SPE 52607.SPE Reservoir Eval. Eng.（December），1998：539-544