【摘 要】
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煤储层内天然裂隙网络是煤层气运移的主要通道,控制着储层渗透率,对其结构进行量化表征以及构建考虑裂隙结构特征的渗透率模型对研究煤层气渗流机理、评估储层渗透性具有重要的理论意义和工程应用价值。针对以往的裂隙网络渗透率模型以及传统储层裂隙反演建模方法多假设裂隙为平行板裂隙,而对真实裂隙细节的描述存在不足这一关键问题。本文以煤储层内的天然裂隙为主要研究对象,通过室内试验、理论分析以及数值模拟相结合的方法,
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目（U19B2009）；
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煤储层内天然裂隙网络是煤层气运移的主要通道,控制着储层渗透率,对其结构进行量化表征以及构建考虑裂隙结构特征的渗透率模型对研究煤层气渗流机理、评估储层渗透性具有重要的理论意义和工程应用价值。针对以往的裂隙网络渗透率模型以及传统储层裂隙反演建模方法多假设裂隙为平行板裂隙,而对真实裂隙细节的描述存在不足这一关键问题。本文以煤储层内的天然裂隙为主要研究对象,通过室内试验、理论分析以及数值模拟相结合的方法,开展了复杂裂隙网络的定量表征、粗糙离散裂隙网络反演建模以及煤层气渗流机理研究,以揭示煤储层内天然裂隙发育特征,探究煤层气在裂隙内的渗流规律。本文的主要研究成果如下:（1）开展了不同尺度的裂隙煤岩体视显微镜观测试验,建立了一套基于图像的裂隙信息提取及表征程序,对获取的裂隙网络图像进行了信息提取,采用裂隙率、分形维数、开度、长度、倾角、迂曲度以及连通性等指标对天然裂隙网络进行了定量表征,统计和深入探究了裂隙结构参数之间的定量关系,揭示了煤储层天然裂隙网络的结构特征。（2）基于煤储层中天然裂隙迹线长度的幂律分布关系,结合分形几何在平行板立方定律的基础上推导了考虑裂隙结构特征参数的粗糙裂隙网络渗透率模型,并结合试验数据验证了模型的正确性。与传统平行板裂隙网络渗透率模型相比,增加了裂隙的迂曲度和裂隙之间的连通性特征。对比结果表明,该模型预测的渗透率值比传统平行板裂隙网络模型低约2～3个数量级,说明裂隙的迂曲度和连通性对储层渗透性的影响较为明显,也暗示了传统平行板裂隙网络渗透率模型过高的估计了储层渗透率。（3）定义了裂隙网络图像的孔隙度和渗透率函数,改进了基于裂隙网络图像建立煤层气流动数值模型的方法。通过对不同裂隙形态中的流速监测发现,不同裂隙形态对气体渗流的贡献也不相同,分析表明在裂隙网络中对渗流贡献较大的主要为邻接型和交叉型裂隙,而孤立型裂隙的贡献最小。（4）针对传统离散裂隙网络建模多假设裂隙为平行板裂隙,忽略了真实裂隙的几何特征这一不足,本文提供了一种新的粗糙离散裂隙网络建模方法,与传统方法相比,该方法充分考虑了裂隙自身的几何特征和随机分布特性,并且不受尺寸的限制,可根据实际裂隙统计信息建立不同尺度的粗糙离散裂隙网络模型。基于建立的粗糙离散裂隙网络模型,结合数值模拟分析了裂隙结构参数对储层渗透率的影响。结果表明,渗透率kf随着裂隙率φf（0.0635～0.164）、分形维数Df（1.571～1.755）、最大裂隙分支长度lbmax（0.0111～0.0249m）、连通性 c（0.808～2.789）以及比例系数β（0.0057～0.086）的增大而增大,随着裂隙倾角θ2（1.61°～88.39°）、迂曲度分形维数DTf（1.0018～1.0195）的增大而减小。（5）开展了应力加载条件下单裂隙以及复杂裂隙煤岩渗流试验,得到了不同有效应力作用下渗透率的演化规律。①应力加载条件下单裂隙煤岩渗流试验表明:裂隙渗透率随着有效应力的增加而逐渐减小,且渗透率呈现出负指数函数降低的趋势。②真三轴应力加载条件下复杂裂隙煤岩渗流试验表明:随着主应力σ1、σ2和σ3的升高,煤中的裂隙逐渐被压缩,气体的渗流通道变窄,裂隙煤岩渗透率随着主应力σ1、σ2和σ3的升高均呈现出了降低的趋势,并建立了考虑裂隙结构特征的真三轴应力条件下煤岩渗透率模型,并通过试验数据验证了模型的有效性,计算结果与试验值展现了较好的一致性,并且获得的曲线变化趋势与加载三个主应力的过程吻合度较好。（6）建立了煤层气运移的流固耦合模型,通过生成符合工程地质特征的煤层二维离散裂隙网络几何模型,进行了粗糙离散裂隙网络模型的煤层气抽采模拟。结果表明:由于煤体非均质特征的影响,煤层中气体压力和流速均呈现非均匀分布;随着抽采时间增加,气体压力、流速以及抽采流量下降速度逐渐变慢,体现了煤层气抽采先易后难的现象。
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