煤微观结构重构及煤层气运移的LBM模拟

发布时间：2017-12-12 18:00

  本文关键词：煤微观结构重构及煤层气运移的LBM模拟

  更多相关文章： 煤 三维重构 四参数随机生长法 孔隙随机生长 随机堆球 玻尔兹曼方法 渗透率 运移

【摘要】：煤是十八世纪以来人类世界使用最广泛的能源之一。在煤中含有大量的煤层气,俗称瓦斯,是近30年来公认的新型清洁能源。然而,在煤炭的工业开采中,不及时采集处理瓦斯,容易造成煤矿瓦斯突出、瓦斯中毒和瓦斯爆炸等灾害,给国家财产和人民生命健康带来巨大损失。在进行煤矿开采前或采煤期间,先进行采气,这样既可以获取廉价资源又预防灾害。因此,了解煤微观结构对煤层气的开采具有重要意义。目前,大多采用CT成像技术获取煤微观结构,这种方法非常昂贵。通过数值模拟方法能够建立煤微观三维结构。格子Boltzmann方法(LBM)是以分子动力学和统计力学为基础,具有处理复杂几何边界的优势,可以利用LBM来模拟煤孔隙内煤层气微观渗流问题,数值模拟方法和LBM结合能够解决煤层气在煤中运移过程的模拟。本文在学习数值模拟方法和格子Boltzmann方法的基础上,以四参数随机生长法(QSGS)和随机堆球方法构建多孔介质和煤的微观结构,用LBM模拟孔隙内气体渗流问题,以达西定律计算结构的渗透率。主要研究内容如下：(1)基于二维的四参数随机生长法,将其引入到三维空间中,分析三维QSGS中各参数对多孔介质微观结构构建的影响。实验中,考虑了初始生长核概率、生长异性因子和孔隙度等参数,构建了不同的多孔介质模型。并运用LBM模拟计算了不同异性因子及不同孔隙度条件下的渗流情况。实验结果显示,初始生长核概率越大,孔隙越多且小,反之则孔隙越少且大,初始生长核概率可以控制孔隙的大小与多少；异性因子越大,孔隙明显会分布不均匀,孔隙的走向具有方向性,并且孔隙的长度在增加,孔径在减小；孔隙度将直接控制结构的孔隙所占比例；异性因子大的结构其渗透率也大,表明异性因子增大可以提高孔隙的连通性。(2)运用改进随机堆球方法构建简单煤体三维结构,并建立煤层气在含钻孔煤体的渗流模型,分析在该模型下不同的钻孔对煤体渗流的影响。实验通过构造了在相同煤体中不同钻孔宽度、不同钻孔位置、不同钻孔方向模型,以及含相同的钻孔不同孔隙度煤体模型,并用LBM计算各模型的渗透率及格子气体速率。结果发现,煤体的渗透率随钻孔的宽度增加成指数增长,钻孔位置也对渗透率有一定影响,钻孔的方向对渗流影响很大,煤体的钻孔对低孔隙度的煤体影响更为显著。在实际的工程中我们应该关注沿着煤层气流动方向的较大的孔隙或裂隙。(3)结合四参数随机生长算法和随机堆球算法,提出一种随机堆球孔隙随机生长算法来构建煤岩的三维微观结构,构建不同孔隙度的微观结构,用LBM方法模拟孔隙中煤层气单向运移过程并计算其渗透率,并且直观显示出气体粒子运动的速度场。结果表明,随机堆球-随机生长算法能较好表征煤岩的微观结构,得到的孔隙度和孔隙宽度与煤岩渗透率之间也具有较好的关系；在孔隙度相同的条件下,随着孔隙宽度增长,其渗透率基本呈线性增长的关系；模拟得到的速度场能直观显示煤层气的运移行为。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712.67

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