煤层气作为一种非常规能源近年来受到高度重视,我国高阶煤储层资源丰富,但其 普遍具有低渗、低压、欠饱和的特征,严重制约了煤层气井的单井产能。因此,对煤层 气井提出一种合理的增产方式势在必行。目前,煤层气常见的增产方式主要有二次压裂、 注气开采、多层合采、负压排采、井网的部署与优化等。超声波增产技术是近几十年来 发展起来的一种新型物理增产方式,相比于其它増产方式而言,其具有对储层无污染, 受储层条件约束小,设备简单成本低等优势。超声波的主要作用机理包括:机械振动效 应、热效应以及空化效应三种。已有研究表明,超声波产生的机械振动效应以及热效应 可有效改善煤储层的渗透率,同时热效应使储层温度上升,从而促进煤基质表面吸附气 体的解吸。 超声波在煤储层中传播时,能量会发生衰减,本文通过特定的实验设备,测定出不 同声波频率的超声波在含水煤岩中的衰减系数与含水饱和度的变化关系,得到衰减系数 与含水饱和度的拟合函数关系式,将不同频率的超声波衰减系数带入能量衰减公式得到 超声波在煤储层中的作用半径。煤层气的流动与产出是一个较为复杂的过程,结合已有 超声波作用机理实验结果,得到超声波作用后煤储层物性参数的动态变化关系。本文以 煤层气的产出机理以及超声波的作用原理为理论依据,推导得出超声波作用下的煤储层 气水两相多场动态耦合数学模型,并给出各场的定解条件,最后运用COMSOL Multiphysics多物理场耦合求解软件对该模型进行求解,分析不同参数对数值模拟结果 的影响,从而得出结论。 研究结果表明,超声波在不同含水饱和度下的煤岩中的衰减系数不同,其值随着含 水饱和度的增大呈先增大后减小的变化趋势,二者关系可拟合成二次函数表达式。将测 得的衰减系数带入超声波能量衰减公式后可知,超声波在饱水煤岩中能量的衰减程度相 比于在干燥煤岩中要慢,能量可传播更远。不同频率的超声波在煤岩中的作用半径不同, 频率越高,衰减程度越大,作用半径越小。根据模型的计算结果可知,超声波作用后的 煤储层温度会有一定程度的上升,得出超声波热效应的作用范围,可知超声波的作用范 围不仅限于储层近井区域。对比不同声场强度下的超声波的作用效果,绘制出不同声场 强度下的煤储层压力、温度、渗透率、含气饱和度的分布云图,可看出超声波作用后的 明显变化。对比一定时间内,不同声场强度、声波频率的超声波作用后的煤储层气井产 量变化规律可知,有超声波作用相比于无超声波作用的储层,气井日产气量和累积产气 量都有一定程度的上升,且效果明显。 关键词:煤层气;超声波增产;声波衰减;渗流;COMSOLAbstract Thecoalbedmethane,asanunconventionalenergysource,hasbeenhighlyvaluedin recentyears.Ourcountry^highrankcoalreservoirisrichinresources.Butithasthe characteristicsoflowpermeability,lowpressureandlesssaturation,whichseriouslyrestricts thesinglewellproductivityofcoalbedmethanewells.Therefore,itisimperativetoput forwardareasonablewaytoincreaseproductionincoalbedmethanewells.Atpresent,the mainwaystoincreasetheproductionofcoalbedmethaneincluderepeatedfracturing,gas injection,multi-layermining,negativepressuredrainage,deploymentandoptimizationofwell network.Ultrasonicstimulationtechnologyisanewphysicalexploitationtechnology developedinrecentdecadesparedwithotherwaysofincreasingproduction,ithasthe advantagesofnopollutiontothereservoir,littleconstrainedbyreservoirconditions,simple equipmentandlowcost.Themainmechanismofultrasonicwaveincludesmechanical vibrationeffect,thermaleffectandcavitationeffect.Studieshaveshownthatthemechanical vibrationeffectandthermaleffectproducedbyultrasoundcaneffectivelyimprovethe permeabilityofcoalreservoirs,whilethethermaleffectincreasesthereservoirtemperature, therebypromotingthedesorptionofadsorbedgasonthecoalmatrixsurface. Intheprocessofthetransmissionofultrasonicwaveincoalreservoir,theenergywill decay.Inthispaper,therelationshipbetweenattenuationcoefficientandwatersaturationof differentultrasonicfrequenciesinwaterbearingcoalisdeterminedthroughspecific experimentalequipment,andafittingfunctionrelationbetweenattenuationcoefficientand watersaturationisobtained.Theactionradiusofultrasonicwaveinthecoalreservoiris obtainedbytakingtheattenuationcoefficientofultrasonicwaveatdifferentfrequenciesinto theenergyattenuationformula.Theflowandoutputofcoalbedmethaneisacomplexprocess. Combinedwiththeexperimentalresultsofexistingultrasonicmechanism,thispapergetthe dynamicrelationshipofphysicalparametersofcoalreservoirafterultrasonicaction.Basedon themechanismofcoalbedmethaneproductionandtheprincipleofactionofultrasound,this paperdeducesthemultifielddynamiccouplingmathematicalmodelofgasandwater two-phaseundertheactionofultrasonicwave,andgivestheconditionsforthesolutionof eachfield.Finally,theCOMSOLMultiphysicsmultiphysicalfieldcouplingsolutionsoftware isusedtosolvethemodel,andtheinfluenceofdifferentparametersonthenumerical simulationresultsisanalyzed. Theresultsshowthattheattenuationcoefficientofultrasonicwaveincoalunder differentwatersaturationisdifferent.Itsvalueincreasesfirstlyandthendecreaseswiththe increaseofwatersaturation.Thetworelationscanbefittedtoexpresstwotimesfunction expression.Whenthemeasuredattenuationcoefficientisintroducedintotheultrasonicenergy attenuationfonnula,wecanseethattheattenuationdegreeofultrasonicenergyinsaturated coalisslowerthanthatindrycoalandtheenergycanspreadfarther.Theactionradiusof ultrasonicwaveatdifferentfrequenciesisdifferentincoal,thehigherthefrequency,thegreatertheattermationandthesmallertheradiusofaction.Accordingtothecalculation resultsofthemodel,itisknownthatthetraiperatureofcoalreservoiraftertheactionof ultrasonicwillrisetosomeextent,andtherangeoftheeffectofultrasonicheatingcanbe obtained.Itisknownthattiieactionrangeofultrasonicisnotlimitedtothereservoirnear wellareaparingtheeffectofultrasonicwaveunderdifferentsoundfieldintensity,we drawoutthedistributionnephogramofcoalreservoirpressure,temperature,permeabilityand gassaturationunderdifferentintensityofsoundfield,wecanseetheobviouschangeafter ultrasonicactionparedwithacertainperiodoftime,theproductionvariationruleofcoal reservoirgaswellafterultrasonicactionwithdifferentsoundfieldintensitymidacoustic frequencycanbeseenthatthedailygasproductionandcumulativegasproductionofthegas wellhavebeenincreasedtoacertainextent,andtheeffectisobvious. Keywords:thecoalbedmethane;ultrasonicincreaseproduction;acousticattenuation; seepage;COMSOL目录 m1胃绪论1 1.1研宄目的和意义 1 1.2国内外研究现状 2 1.2.1煤层气增产方式研宄现状 2 1.2.2超声波在石油行业中的应用 4 1.2.3超声波增产机理研究现状 5 1.3研宄内容与技术路线 7 1.3.1主要研宄内容 7 1.3.2技术路线 7 第2章煤层气藏的储层特征及流动机理 9 2.1煤层气藏的储层特征 9 2.1.1煤储层的孔隙结构特征 9 2.1.2煤储层的渗透特性 11 2.2煤层气藏赋存特征 13 2.2.1游离态煤层气 13 2.2.2溶解态煤层气 14 2.2.3吸附态煤层气 14 2.3煤层气的流动特征及产出机理 17 2.3.1煤层气的解吸机理 17 2J.2煤层气的扩散机理 18 2.3.3煤层气的渗流机理 20 2.4本章小结22 第3章超声波在煤储层中传播特性实验研究 24 3.1声波的性质及作用原理 24 3.1.1声波的概念 24 3丄2超声波与微波的异同点 26 3.1.3超声波的作用原理 27 3.2煤岩声波传播特性实验研究 30 3.2.1实验设备介绍 30 3.2.2煤样的制备与分析 31 3.2.3实验原理及实验步骤 32 3.2.4数据处理 33 3.2.5实验结果分析 34 I3.2.6衰减系数计算程序的编制 41 3.3超声波作用范围分析 42 3.4本章小结46 第4章超声波作用下煤层气解吸渗流规律的数学模型 47 4.1煤层气渗流数学模型的建立 47 4.1.1模型假设条件 47 4.1.2裂缝流动方程 47 4.1.3基质物质平衡方程 50 4.1.4辅助方程 50 4.2考虑超声波作用的耦合模型关键参数 51 4.2.1煤储层孔隙度变化特征 51 4.2.2超声波作用下煤储层渗透率变化特征 52 4.2.3超声波热效应对Langmuir吸附模型的影响 53 4.3超声波作用下煤储层温度场数学模型的建立 54 4.3.1煤层气开发中的热力学理论 55 4.3.2煤岩骨架的能量方程 56 4.3.3煤岩裂缝系统中流体非等温能量方程 58 4.3.4超声波作用下的热平衡方程 60 4.4超声波作用下的煤层气动态耦合数学模型 62 4.4.1超声波作用下煤层气多场耦合数学模型 62 4.4.2耦合模型的边界条件和初始条件 63 4.5本章小结65 第5章数学模型的求解与效果评价 66 5.1COMSOL模型的建立 66 5.1.1COMSOLMultiphysics软件平台 66 5.1.2单井数值模型的建立 67 5.1.3模拟区域参数选定 68 5.2数值模拟结果分析 69 5.2.1超声波作用下煤储层压力分布 69 5.2.2超声波对煤储层温度的影响 73 5.2.3超声波对煤储层渗透率的影响 77 5.2.4超声波对储层含气饱和度的影响 80 5.2.5超声波对气井产量的影响 82 5.3本章小结87 第6章结论及建议89 6.1结论89 II6.2mx90 m9i