煤层气抽采过程中煤储层参数动态响应物理模拟.pdf

第 ４２ 卷第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ６ ２０１４ 年６ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｎｅ ２０１４ 煤层气抽采过程中煤储层参数动态响应物理模拟 许 江１ꎬ彭守建１ꎬ２ꎬ刘 东１ꎬ张超林１ １􀆱 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室ꎬ重庆 ４０００４４ꎻ２􀆱 中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司ꎬ重庆 ４０００３７ 摘 要针对在煤层气抽采工程现场难以对煤储层参数动态响应进行深入研究的问题ꎬ提出了基于物 理相似模拟技术ꎬ采用真实煤样建立相似物理模型ꎬ试验研究煤层气抽采过程中煤储层参数动态响应 特征的方法ꎬ并利用自主研制的煤层气抽采物理模拟试验系统ꎬ开展了三维应力状态下单一储层煤层 气抽采物理模拟试验ꎬ初步获得了煤储层抽采流量、气体压力、流场及温度等参数的动态演化规律抽 采流量在抽采初期急剧增大ꎬ然后逐渐降低ꎻ距离钻孔越近气体压力下降越快ꎻ靠近钻孔处气体流速 较大ꎻ抽采初期ꎬ煤储层温度变化量小ꎬ抽采后期ꎬ随着吸附气体的解吸ꎬ温度变化量逐渐增大ꎮ 研究 结果可为数值模拟和煤层气抽采工程设计提供基础参数和理论依据ꎮ 关键词煤层气抽采ꎻ煤储层参数ꎻ动态响应ꎻ物理模拟 中图分类号ＴＤ７１２ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０６－００６１－０４ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｄｕｒｉｎｇ Ｃｏａｌｂｅｄ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｄｒａｉｎａｇｅ ＸＵ Ｊｉａｎｇ１ꎬＰＥＮＧ Ｓｈｏｕ￣ｊｉａｎ１ꎬ２ꎬＬＩＵ Ｄｏｎｇ１ꎬＺＨＡＮＧ Ｃｈａｏ￣ｌｉｎ１ １.Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｍｉｎｅ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ＣｏｎｔｒｏｌꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４ꎬＣｈｉｎａꎻ ２.Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ ＬｉｍｉｔｅｄꎬＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＧｒｏｕｐꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３７ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｈａｒｄ ｔｏ ｂｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｉｔｅꎬｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｒｅａｌ ｃｏａｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ａ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ.Ａｎ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｉｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｓｅａｍ ｕｎｄｅｒ ａ ３Ｄ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ.Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｌａｗｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｆｌｏｗꎬｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅꎬｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄꎬｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙ.Ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｆｌｏｗ ｗａｓ ｓｈａｒｐｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｗａｓ ｓｔｅａｄｉｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ.Ｔｈｅ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗｉｔｈ ａ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｏｒｅ ｃｌｏｓｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｍｏｒｅ ｒａｐｉｄｌｙ.Ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｃｌｏｓｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｗａｓ ｈｉｇｈ.Ａｔ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｐｅｒｉｏｄꎬｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｗａｓ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｔｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｐｅｒｉｏｄꎬｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｇａｓꎬｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａ￣ ｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｓｔｅａｄｉｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ.Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕ￣ ｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｐｒｏｊｅｃｔ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｄｒａｉｎａｇｅꎻｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓꎻｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅꎻｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期２０１４－０３－２５ꎻ责任编辑王晓珍 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０６.０１３ 基金项目国家科技重大专项资助项目２０１１ＺＸ０５０３４－００４ꎻ国家自然科学基金资助项目５１３０４２５５ꎻ重庆市基础与前沿研究计划资助项目 ｃｓｔｃ２０１３ｊｊＢ９０００１ 作者简介许 江１９６０ꎬ男ꎬ湖南永兴人ꎬ教授ꎬ博士ꎮ Ｔｅｌ０２３－６５１１１２３６ꎬＥ－ｍａｉｌｊｉａｎｇｘｕ＠ ｃｑｕ􀆱 ｅｄｕ􀆱 ｃｎ 引用格式许 江ꎬ彭守建ꎬ刘 东ꎬ等.煤层气抽采过程中煤储层参数动态响应物理模拟[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２６６１－６４. ＸＵ ＪｉａｎｇꎬＰＥＮＧ Ｓｈｏｕ￣ｊｉａｎꎬＬＩＵ Ｄｏｎｇꎬｅｔ ａｌ.Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｄｕｒｉｎｇ Ｃｏａｌｂｅｄ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｄｒａｉｎ￣ ａｇｅ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２６６１－６４. ０ 引 言 煤层气作为一种潜在的清洁能源ꎬ其安全高效 的开发利用对于矿井瓦斯灾害治理、能源综合利用、 环境污染防治以及改善能源结构等都有着重要的意 义ꎮ 我国进行煤层气抽采实践已经多年ꎬ但是煤层 气抽采效果并不理想ꎬ井下煤层气抽采浓度及抽采 率均不高ꎻ地面抽采煤层气井的持续生产能力差ꎬ气 １６ ２０１４ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 井产量衰减快ꎮ 这些除了与我国煤储层渗透率低等 客观原因有关外ꎬ也与对煤层气开采过程中煤储层 参数的动态变化规律认识不清有关ꎬ致使在煤层气 抽采参数选择上带有经验性ꎬ没有形成系统的煤储 层动态评价技术体系ꎮ 为深入认识煤层气抽采过程 中相关参数的变化规律ꎬ李宗翔等[１－２]利用有限元 数值模拟方法ꎬ并基于非均质采空区煤层气渗流－ 扩散模型ꎬ模拟研究了煤层气抽采流量与采空区煤 层气涌出量和抽采煤层气浓度之间的关系ꎻ唐世斌 等[３]利用 Ｆ－ＲＦＰＡ２Ｄ数值模拟软件对采动影响下煤 层气抽采时的运移规律进行了研究ꎻ滕桂荣等[４]基 于格子玻尔兹曼方法建立了可模拟裂隙煤体内煤层 气抽采的二维动力学模型ꎬ并对流场压力和流动速 度的分布规律进行了模拟ꎻ王路珍等[５]应用 Ｄａｒｃｙ 定律、质量守恒定律建立了钻孔周围煤体中煤层气 不稳定径向流动的数学模型ꎬ并对钻孔过程中孔壁 煤层气涌出进行了数值模拟ꎻ张春会等[６]借助煤岩 弹性变形理论和渗流理论ꎬ建立了煤层气抽采的弹 性固结数学模型及其有限元离散方程ꎻ范家文等[７] 研究了瓦斯排放过程中煤体孔隙压力、有效应力的 变化规律ꎬ揭示了煤体孔隙压力、有效应力以及等效 孔隙压力系数随时间的变化规律ꎻ丁厚成等[８]依据 煤层气流动理论和质量守恒定律ꎬ以顺煤层抽采钻 孔周围煤层气流场为研究对象ꎬ建立了钻孔抽采煤 层气流动方程的数学模型ꎻ郭培红等[９]利用 Ｆｌｕｅｎｔ ６􀆱 ３ 计算流体力学软件建立了钻孔煤层气抽采流动 模型ꎬ通过气体渗流理论模拟抽采过程煤层气流动 规律ꎬ分析了抽采负压和煤层渗透率对煤层气抽采 效果的影响规律ꎻ杨天鸿等[１０]根据煤层气渗流与煤 体变形的基本理论ꎬ引入煤体孔隙变形与透气性演 化的耦合作用方程ꎬ建立了考虑煤层吸附、解吸作用 的煤岩固－气耦合作用模型ꎬ模拟研究了不同压力 影响下煤层气抽采过程中煤层透气性的演化和抽采 孔周围煤层气压力的变化规律ꎻ汪有刚等[１１]进行了 采动影响下煤层气渗透率示踪试验ꎬ获得了采动煤 层气渗透率响应规律ꎮ 尽管学者们对煤层气抽采过 程中的相关参数进行了研究ꎬ但仍缺乏基于物理模 拟试验的机理深入分析ꎮ 为此ꎬ笔者在试验研究的 基础上ꎬ提出基于现代物理模拟技术ꎬ结合煤层气煤 储层地质特征与赋存条件ꎬ采用真实煤样建立相似 物理模型ꎬ开展室内物理模拟试验ꎬ分析研究煤层气 抽采过程中煤储层物性参数动态响应规律及其影响 因素ꎬ为数值模拟和煤层气抽采工程设计提供基础 参数和依据ꎮ １ 煤层气抽采物理模拟试验 １相似性原理ꎮ 基于相似性原理ꎬ在物理模拟 煤层气抽采过程中煤储层参数动态响应时应重点考 虑以下 ３ 个方面的相似性ꎮ ①需要充分考虑煤层 气煤储层特征ꎬ从岩性和物性上建立与工程实际相 似的物理试验模型ꎮ ②需要充分考虑煤层气煤储层 赋存条件ꎬ在物理模型的地应力及气体压力加载时 考虑与工程实际的相似性ꎮ ③需要充分考虑生产条 件ꎬ在物理模拟过程中气体流量的变化与控制应考 虑与生产实际的相似性ꎮ ２物理模拟试验系统ꎮ 为实现不同试验条件 下煤层气抽采的物理模拟试验ꎬ自主研发了多场耦 合煤层气开采物理模拟试验系统ꎬ该试验系统在多 场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统[１２]的基础 上新设计了抽采管路系统ꎮ 该试验系统实现了三向 应力加载ꎬ在垂向和 ２ 个水平方向上分别施加 １０ ＭＰａ 的应力ꎬ可有效模拟煤储层的真实受力状态ꎮ 此外ꎬ在试验箱体的垂向和一侧水平方向上分别设 计 ４ 个加压杆ꎬ可实现非均布加载ꎮ 该装置试件箱 内部几何尺寸为 １ ０５０ ｍｍ ４１０ ｍｍ４１０ ｍｍꎬ在试 件箱左壁均匀设置 ３ 排共 ５４ 个传感器连接通道ꎮ 抽采管路设计有单一抽采管和多个抽采管 ２ 种图 １ꎬ可分别安设于试件箱前侧和左侧ꎬ实现单一煤 层或多煤层统一含气系统状态下的联合抽采ꎮ 图 １ 抽采管路 ３数据采集ꎮ 通过将伺服液压系统与测控仪 连接ꎬ并利用 Ｍａｘ Ｔｅｓｔ－ｃｏａｌ 测控软件可对 ９ 个液压 ２６ 许 江等煤层气抽采过程中煤储层参数动态响应物理模拟２０１４ 年第 ６ 期 缸进行力加载或位移加载控制ꎬ同时可以对 ９ 个液 压缸进行编组ꎬ通过程序实现对煤层应力的自动加 卸载ꎮ 此外ꎬ各液压缸的力传感器和位移传感器与 物理模拟试验系统连接ꎬ可在控制液压缸的同时观 察加压杆的力和位移变化情况ꎮ 利用试件箱左壁设 置的 ３ 排共 ５４ 个传感器连接通道ꎬ可在煤样成型过 程中将传感器预先埋设于煤体内不同监测点ꎬ则在 抽采过程中能采集抽采煤体内不同监测点的气压、 温度和地应力等参数动态响应情况ꎮ 通过流量计监 测煤层气抽采流量ꎬ考虑流量在试验前后期的变化 范围较大ꎬ为了使流量计量程及其精度满足试验测 试要求ꎬ将 ５５０ Ｌ/ ｍｉｎ 的浮子流量计和 ０５ Ｌ/ ｍｉｎ 的质量流量计并联使用ꎬ组成气体流量测量组ꎮ 在 试验过程中ꎬ将气体流量测量组连接于抽采管出口 端ꎬ监测数据经采集卡输入计算机软件实时显示ꎮ ４试验操作步骤ꎮ ①试件成型将煤样加入试 件箱ꎬ使用成型压力机压制成型ꎬ在成型过程中ꎬ为 将相关传感器埋设于煤体试件内ꎬ需分层成型ꎬ成型 完成后密封试件箱体并安装好抽采管ꎮ ②抽真空与 吸附试件成型后ꎬ密封箱体ꎬ启动数据采集系统ꎬ先 对试件施加预设的应力ꎬ然后打开真空泵抽真空ꎬ使 试件箱内的压力达到 ０􀆱 １ ｋＰａꎬ稳定 １ ｈ 后打开气瓶 进行吸附ꎬ吸附时间为４８ ｈꎮ ③煤层气抽采吸附完 成后关闭进气口阀门ꎬ打开出口阀门进行抽采ꎬ并监 测试件内各参数变化及气体流量变化ꎮ ④试验结 束当抽采流量小于 ０􀆱 ０６ ｍ３/ ｈ 时结束抽采ꎬ关闭三 向应力加载系统和数据采集系统ꎮ ５试验模型ꎮ ①原岩应力及采动应力影响条 件下ꎬ单一煤层煤层气抽采过程中煤储层参数动态 响应物理模拟分析其产量、压力、温度等参数ꎬ为煤 储层储量评价、井网部署等提供技术依据ꎮ ②统一 含气系统多煤层联合抽采过程中煤储层参数动态响 应物理模拟ꎬ分析多煤层合采时的层间干扰与单一 煤层的产气特征ꎬ进行层间干扰、含气层供气特征、 合理配产、产能变化规律等机理研究ꎬ为多煤层联合 抽采的动态分析和气井配产提供研究手段和依据ꎮ ③水力冲孔、水力压裂后煤层气抽采过程中煤储层 参数动态响应物理模拟ꎬ分析人工卸压增透后煤层 气运移产出规律ꎬ揭示由于裂隙形成及扩展在煤层/ 围岩层中生成相互连通复杂裂隙网络的增透机理ꎮ ２ 模拟实例 目前仅采用煤层气抽采物理模拟方法进行了三 维应力状态下单一煤层煤层气抽采物理模拟试验ꎮ 所用煤样取自重庆松藻煤电 Ｋ３煤层ꎬ煤样含水率为 ５％ꎬ试件成型压力为 ７􀆱 ５ ＭＰａꎬ试验过程中施加的 最大主应力为 ２􀆱 ２ ＭＰａꎬ中间主应力为 １􀆱 ８ ＭＰａꎬ最 小主应力为 ０􀆱 ７ ＭＰａꎬ气体压力分别为 ０􀆱 ７、１􀆱 ０ 和 １􀆱 ２ ＭＰａꎬ吸附时间为 ４８ ｈꎮ 煤样试件应力加载及 传感器布设如图 ２ 所示ꎮ 试验时在试件布设气体压 力传感器 ３４ 个ꎬ其中 ３２ 个布置于试件内部ꎬ另外 ２ 个分别布置在气体进、出口端ꎮ σ１σ３分别为最大、中间和最小主应力ꎻ１７ 为传感器编号 图 ２ 应力加载及传感器布设 不同气体压力下煤层气抽采流量变化如图 ３ 所 示ꎮ 从图 ３ 可看出ꎬ在抽采初期ꎬ由于煤储层内形成 气体卸压通道ꎬ游离气体迅速渗流至抽采管道中排 出ꎬ煤储层与抽采管之间具有较高的压力梯度ꎬ抽采 流量急剧增大ꎬ这期间抽采的主要是游离气体ꎮ 随 着抽采进行ꎬ吸附的气体开始解吸补充游离气体ꎬ煤 储层压力梯度开始减小ꎬ气体解吸变慢ꎬ煤储层压力 变化率减缓ꎬ流量开始逐渐降低ꎬ此时抽采的主要是 解吸气体ꎮ 在抽采后期ꎬ随着压力梯度的进一步减 小ꎬ解吸速率越来越小ꎬ抽采流量也变得越来越小并 趋于零ꎬ该变化趋势与现场抽采情况较为吻合ꎮ 此 外ꎬ随着煤储层压力的增加ꎬ抽采量也增加ꎮ 图 ３ 煤层气抽采流量变化 图 ４ 为第一断面上不同测点气体压力随时间的 ３６ ２０１４ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 变化曲线ꎮ 由图 ４ 可见ꎬ测点与钻孔轴向中心线距 离越近气体压力下降越快ꎬ且在抽采初期气体压力 下降较快ꎬ这主要是模拟试验用煤样试件的渗透率 较大而导致气体压力在短时间内降低至较小值ꎬ为 更真实地模拟煤层气抽采过程ꎬ后续研究中应开展 相似材料配比试验ꎬ进一步降低煤样试件的渗透率ꎮ 采用内插法对第一断面上 ７ 个气体压力传感器数据 进行插值拟合ꎬ并利用 ＭＡＴＬＡＢ 中 ｑｕｉｖｅｒ 函数绘出 了该断面在抽采 ５０ ｍｉｎ 时的气体流场ꎬ如图 ５ 所 示ꎮ 从图 ５ 可看出ꎬ在抽采过程中ꎬ等压线以钻孔为 中心近似呈圆环形分布ꎬ并随着距钻孔距离的增加ꎬ 相邻等压线的间距增加ꎬ说明距离钻孔越远压力梯 度越小ꎬ气体压力降低量越小ꎮ 在抽采过程中煤层 气由煤储层向钻孔内运移ꎬ靠近钻孔处气体流速 较大ꎮ 图 ４ 第一断面气体压力变化 图 ５ 第一断面气体流场 图 ６ 第一断面测点 １ 的温度变化对比 随着抽采管周围气体压力的降低ꎬ煤储层孔隙 中的吸附气体不断解吸ꎬ而瓦斯解吸是一个吸热过 程ꎬ这必然导致煤储层的温度降低ꎮ 煤储层温度降 低量与煤储层瓦斯解吸量基本成正比ꎬ因此ꎬ煤层气 抽采过程中不同位置的温度变化ꎬ可以从侧面反映 煤储层的瓦斯解吸情况ꎮ 图 ６ 为不同初始气体压力 下抽采过程中第一断面测点 １ 的温度变化对比ꎮ 从 图 ６ 可知ꎬ在抽采初期ꎬ煤储层温度变化量小ꎬ变化 速率也较平缓ꎬ这是因为初期抽采的主要是游离气 体ꎬ吸附气体解吸量少ꎬ而在抽采后期ꎬ随着吸附气 体的解吸ꎬ温度变化量迅速增大ꎬ且煤储层压力越 高ꎬ煤储层吸附瓦斯含量越大ꎬ解吸过程中吸热量也 就越大ꎬ导致煤储层温度降低量也就越大ꎮ ３ 结 语 提出了基于现代物理模拟技术ꎬ结合煤层气煤 储层地质特征与赋存条件ꎬ采用真实煤样建立相似 物理模型ꎬ开展室内物理模拟试验ꎬ分析研究煤层气 抽采过程中煤储层参数动态响应规律ꎮ 利用煤层气 抽采物理模拟试验系统开展了三维应力状态下单一 煤层煤层气抽采物理模拟试验ꎬ初步获得了煤储层 抽采流量、气体压力、温度及流场等参数的动态演化 规律ꎬ可为数值模拟和煤层气抽采工程设计提供基 础参数和理论依据ꎮ 目前仅初步开展了三维应力状 态下单一煤层煤层气抽采物理模拟试验ꎬ后续将基 于该物理模拟试验技术深入开展单一煤层抽采、多 煤层联合抽采及水力增透过程中的煤储层参数动态 响应的物理模拟试验研究ꎮ 参考文献 [１] 李宗翔.回采采空区上隅角瓦斯抽采的数值模拟与参数确定 [Ｊ].矿业安全与环保ꎬ２００２ꎬ２９１１５－１６. 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