一种辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法

本发明涉及煤层瓦斯抽采，具体为一种辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法。

背景技术：

1、随着我国煤矿开采深度不断增加，煤层普遍存在“高储低渗”特征，导致瓦斯抽采难度不断增大。在抽采过程中，煤层中存在基质孔隙扩散和裂隙系统渗流两种瓦斯运移基本形式，其中渗流在抽采初期占主导地位，而在抽采后期，随着钻孔与原始储层间瓦斯压力梯度的逐渐降低，扩散在抽采后期的限流控制作用越来越明显。低压力梯度条件下流体在多孔介质的流动需达到启动压力梯度才能发生流动，否则仅发生扩散行为，在远离煤层抽采钻孔扰动的高地应力低渗区域可能存在非定常瓦斯渗流边界，而边界附近的低压力梯度会导致瓦斯流动困难。针对不同煤体结构煤层，如何准确地判断低渗煤体在不同抽采时期的渗透率演化规律，辨识抽采钻孔影响区域范围的瓦斯扩散-渗流有效边界，从而评价抽采难易程度及选择适宜的抽采工艺，是当前瓦斯抽采工程亟待解决的关键问题。

2、目前对于煤体内瓦斯扩散和渗流系统界限的划分，大多认为两者之间存在临界孔径，对于小于临界孔径的孔隙结构，瓦斯只能以扩散形式运移。由于煤体孔隙结构的复杂无序性，仅通过单一孔隙参数（临界孔径）难以有效区分瓦斯扩散和渗流系统界限，有必要建立综合反映孔隙连通性及对气体输运可达性的归一化参数来更好地判识扩散和渗流主控机制。此外，现阶段煤层瓦斯抽采技术往往忽略了储层低渗区域存在的低速非线性渗流现象及扩散限流控制作用，导致瓦斯抽采效果评价及抽采钻孔精准有效设计出现偏差，目前瓦斯抽采技术往往忽略了低渗区域低速非线性渗流现象，无法厘清抽采钻孔低渗区域瓦斯运移机制。因而需要建立考虑煤体孔隙结构拓扑通达性和临界渗流压力梯度的瓦斯运移多场耦合模型，提供一种合理辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法，以实现煤层低渗区域瓦斯运移规律的精准预测。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法，包括如下步骤：

3、a、煤体等效孔隙网络模型的构建及拓扑通达特征归一化表征；

4、b、考虑孔隙结构拓扑通达特征的扩散-渗流临界点判识；

5、c、临界压力梯度下瓦斯扩散-渗流边界主控流动转换机制的获取。

6、优选的，本申请提供的一种辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法，其中，所述步骤a具体步骤如下：

7、a、煤样采集与制备：采集新鲜块煤并迅速密封保存，采用物理破碎法和钻割取样法来破碎并筛分出合适的块体或粒径范围，所有样品通过红外干燥箱干燥 48h 后密封备用；

8、b、孔隙多维形态精细表征：采用全自动工业分析仪、场发射式扫描电镜和原子力显微镜对煤体进行分析，测定孔隙的多元物性参数。采用流体注入法测量煤中的孔径分布特征，实现对全尺度的孔径分布进行精细表征。采用数字岩心技术，搭配三维重构软件，实现全尺度孔隙三维可视化重构；

9、c、孔隙拓扑骨架化模型构建及拓扑连通参数获取：以孔隙三维重构结果为依据，构建拓扑骨架化模型；同时依据拓扑结构精准识别来获取拓扑连通参数，实现孔隙结构拓扑空间全尺度定量化表征；

10、d、等效拓扑网络模型分形学厘定及拓扑通达指数归一化：在孔隙拓扑骨架化模型的基础上构建样品的等效拓扑网络模型；再根据多孔介质分形学理论构建分形几何结构模型，将前述获取的形态特征参数和拓扑连通参数转化为分形几何参数并代入上述结构模型中，通过数学变换和归一化处理，获取综合表征煤体孔隙连通性和气体运移可达性的拓扑通达指数，最终通过微积分获得每个孔隙的拓扑通达概率密度分布。

11、优选的，本申请提供的一种辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法，其中，所述步骤b具体流程如下：

12、a.变压力梯度下煤体渗透率演化理论模型的构建：结合步骤a获取的拓扑通达概率密度分布，对等效模型的控制方程进行积分处理来获得整个体系总流量积分变限函数表达式；同时得到拓扑通达指数与临界驱动压力之间的数学关系，并转化为压力梯度与渗流临界拓扑通达概率密度的数学关系；两者结合构建变压力梯度下煤体渗透率演化理论模型；

13、b.考虑扩散临界拓扑通达指数扩散理论模型的构建：结合不同孔隙拓扑通达概率密度与渗流临界压力梯度内在联系，厘定变压力梯度下不同拓扑通达概率密度的孔隙结构发生渗流的关键临界点，在此基础上构建考虑扩散临界拓扑通达指数的煤体孔隙扩散理论模型。

14、优选的，本申请提供的一种辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法，其中，所述步骤c具体流程如下：

15、a. 变压力梯度下扩散-渗流主控流态贡献度判识：通过基于步骤a得到的拓扑通达概率密度分布和基于步骤b得到的考虑临界拓扑通达指数的扩散和渗流理论模型，获取变压力梯度控制下表征扩散和渗流作用对瓦斯总流量贡献程度的临界特征系数，揭示变压力梯度下扩散-渗流主控流动转换机制；

16、b.考虑拓扑通达和渗流临界压力的瓦斯运移多场耦合模型构建：通过基于步骤a和步骤b建立的等效拓扑网络模型、渗透率演化理论模型和扩散理论模型，构建考虑拓扑通达和渗流临界压力的瓦斯运移多场耦合模型；

17、c. 考虑拓扑通达指数的扩散和渗流对瓦斯运移的控制机制及主控转换机制揭示：基于变压力梯度下渗流孔和扩散孔拓扑通达指数动态响应，确定临界压力梯度的煤层瓦斯渗流演化特性与拓扑通达特征之间的联系，从而揭示考虑拓扑通达指数的扩散和渗流对瓦斯运移的控制机制及主控转换机制。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明突破了煤体瓦斯扩散和渗流本质差异化特征及变压力梯度下煤层瓦斯流态判识的理论瓶颈，实现了考虑对孔隙结构复杂性的瓦斯扩散和渗流系统界限有效判识方法，克服了现有瓦斯运移多场耦合模型普遍缺少对煤层低渗区域非定常瓦斯渗流边界及非线性流动的相关理论研究的缺陷，有助于评价抽采难易程度及选择适宜抽采工艺，以实现高效抽采。

技术特征：

1.一种辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法，其特征在于：所述步骤a具体步骤如下：

3.根据权利要求1所述的一种辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法，其特征在于：所述步骤b具体流程如下：

4.根据权利要求1所述的一种辨识低渗煤体瓦斯扩散-渗流有效边界的方法，其特征在于：所述步骤c具体流程如下：

技术总结
本发明公开了一种辨识低渗煤体瓦斯扩散‑渗流有效边界的方法，包括如下步骤：A、煤体等效孔隙网络模型的构建及拓扑通达特征归一化表征；B、考虑孔隙结构拓扑通达特征的扩散‑渗流临界点判识；C、临界压力梯度下瓦斯扩散‑渗流边界主控流动转换机制的获取。本发明克服了现有瓦斯运移多场耦合模型普遍缺少对煤层低渗区域非定常瓦斯渗流边界及非线性流动的相关理论研究的缺陷，有助于评价抽采难易程度及选择适宜抽采工艺，以实现高效抽采。

技术研发人员：张开仲,张浩宇,王亮,李嘉阳,邹傲傲,李宇乐,邢向前
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24