粗糙割理中煤层气运移机理的数值分析

"该研究主要探讨了煤储层粗糙割理中煤层气的运移机理，通过结合裂隙的立方定律与广义Kozeny-Carman孔-渗方程，推导出一个新的考虑内外摩擦效应的裂隙-渗透性关系模型。在模型中，内摩擦用煤层气的水文弯曲度表示，外摩擦通过割理端面的曲折率来刻画。利用分形理论量化描述割理端面的粗糙几何特性，并运用格子Boltzmann方法模拟煤层气的流动过程，深入分析了端面分形维数、绝对粗糙度和相对粗糙度对煤层气输运特性的影响。进一步比较新模型的解析值与数值模拟的渗透率，验证了新模型在描述微观粗糙割理中煤层气运移规律的有效性及其明确的物理意义。" 这篇学术论文主要关注的是煤层气在具有粗糙表面的煤储层割理中的迁移机制。煤层气作为一种重要的清洁能源，其开采和运输的效率受到储层特性的影响，尤其是割理的粗糙程度。传统的模型往往忽略了割理粗糙度对气体运移的影响，而该研究弥补了这一不足。 首先，作者结合了裂隙的立方定律，这是描述裂隙网络中流体流动的一个基本法则，它指出流体通过裂隙的速度与其宽度的三次方成正比。同时，他们应用了Kozeny-Carman方程，这是一个广泛用于多孔介质渗透性的经验公式，通常用于计算渗透率。在新的模型中，他们将这两个理论相结合，引入了内摩擦和外摩擦的概念，以更全面地描述煤层气在割理中的流动情况。 内摩擦效应被定义为煤层气流动时的水文弯曲度，这反映了气体在不规则表面流动时的曲率影响。外摩擦则通过割理端面的曲折率来量化，这个参数描述了割理边缘的复杂性和不规则性如何阻碍气体的流动。通过引入这些因素，模型能够更好地捕捉到割理粗糙度对煤层气运移的实际影响。 为了进一步研究这一问题，研究者采用了分形理论，这是一种处理复杂几何形状的有效工具。分形维数被用来量化割理端面的粗糙程度，而绝对粗糙度和相对粗糙度则分别衡量了割理表面的微观结构和相对于割理宽度的粗糙程度。通过格子Boltzmann方法，一种基于统计力学的数值模拟技术，研究者模拟了煤层气在不同粗糙条件下的流动特性。 通过对不同参数的数值模拟，研究者发现端面的分形特性、绝对粗糙度和相对粗糙度显著影响煤层气的输运性能。最后，他们将新模型的解析结果与数值模拟的渗透率进行了比较，证实了新模型在描述粗糙割理中煤层气运移规律的准确性，而且模型的物理意义清晰，有助于提升煤层气产能评估的精确性。 这项工作对于理解和优化煤层气的开采策略具有重要意义，尤其是在考虑地质条件复杂性时，为提高能源提取效率提供了理论依据。未来的研究可能会进一步扩展此模型，包括更多实际工况下的因素，如温度、压力变化和煤层气的非理想气体行为，以实现更精确的预测和控制。