多物理场耦合下致密岩石渗透率演化规律研究

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渗透系数是煤层气/页岩气开采过程中最重要的参数之一。国内外学者对煤/页岩渗透系数的演化进行了详尽的研究,提出了广泛的渗透率模型。这些模型通常是基于基质和裂隙中气压平衡假设推导出来的。在该假设下,这些模型将煤/页岩的渗透系数定义为气压或者有效应变的函数。然而,实验观察表明煤/页岩的渗透系数在注气压力或有效应力为常数的情况下也会发生变化。本文的研究任务和目标就是解决这一矛盾。在本研究中,我们假设煤/页岩的渗透系数与气体由裂隙进入到基质而引起的膨胀有密切的关系。当气体渗透的区域在裂隙周围的局部区域时,气体引起的膨胀会减小煤/页岩的渗透系数;当气体渗透的区域扩散至整个基质整体时,气体引起的膨胀也会增加煤/页岩的渗透系数。利用叠加法将局部膨胀(裂隙附近)向整体膨胀(基质介质)过渡的重要机理融合进渗透率演化模型当中。利用这个方法,将煤/页岩表示成包含有四个相互关联的连续介质的宏观模型:(1)煤/页岩基质系统;(2)煤/页岩裂隙系统;(3)气体在基质中流动;和(4)气体在裂隙中流动。这四个连续体通过一系列方程耦合在一起:(a)基质和裂隙间的局部力平衡;(b)基质和裂隙间的局部变形相容;和(c)基质和裂隙间的气体质量交换。应用该模型计算得出煤/页岩在多场耦合下的渗透系数演化图。对于特定的煤样/页岩样品,当煤/页岩为自由膨胀时渗透系数将沿着上边界演化,如果边界条件为常体积时,渗透系数沿着下边界演化。渗透系数在上边界和下边界之间的变化取决于基质和裂隙间的动态相互作用。当前的实验测试方法受限于基质和裂隙间达到平衡状态的限制。利用该理论模型的数值计算结果也与文献中实验测试数据进行了对比分析,验证了模型的合理性。
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