CN112906312A - 变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法，包括：构建基于裂隙开度和应力的相关关系a＝a₀‑σ_n/k_n，其中a为节理裂隙开度，a₀为初始裂隙开度，σ_n为正应力，k_n为节理裂隙刚度；之后通过不同尺寸的裂隙岩体渗流模拟获得渗透率k的计算公式，根据裂隙可压缩性系数推导得出节理刚度与应力的相关关系

进行研究煤岩体的应力‑渗透率测试，获得破碎煤岩体对应的渗透率与应力的实验数据；最后根据实验室数据拟合获得初始裂隙开度a₀、初始裂隙可压缩系数cf₀以及裂隙压缩系数随有效应力的改变系数α_f。本发明相对于固定节理刚度匹配效果大幅度提升。

Description

变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法

技术领域

本发明涉及煤岩体勘探领域，具体涉及一种变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法，是一种在煤岩体流固耦合模拟过程中节理裂隙流固耦合模拟参数的选取方法。

背景技术

传统流固耦合模拟过程中，一般采用固定节理刚度进行应力裂隙开度的计算。因此，在高应力阶段要确保裂隙开度始终为正，则需要设置残余裂隙开度。这就导致在高应力状态裂隙应力敏感性与实际产生一定的区别。虽然这种固定节理的计算方式在低应力阶段存在一定的适用性。但对于埋深较大的煤层而言，地应力较高，如果采用上述方法，煤样节理裂隙开度几乎均会维持在残余裂隙开度，这对模拟结果造成一定的影响。

综上所述，现有技术中存在以下问题：传统流固耦合模拟过程中，模拟结果与实验结果匹配性不好。

发明内容

本发明提供一种变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法，以解决流固耦合模拟过程中采用恒定节理刚度出现与实验结果匹配性不好的问题。

为此，本发明提出一种变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法，所述变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法包括：

构建基于裂隙开度和应力的相关关系a＝a₀-σ_n/k_n，其中a为节理裂隙开度，a₀为初始裂隙开度，σ_n为正应力，k_n为节理裂隙刚度；

之后通过不同尺寸的裂隙岩体渗流模拟获得渗透率k的计算公式

根据裂隙可压缩性系数推导得出节理刚度与应力的相关关系

进行研究煤岩体的应力-渗透率测试，获得破碎煤岩体对应的渗透率与应力的实验数据；

最后根据实验室数据拟合获得初始裂隙开度a0、初始裂隙可压缩系数cf0以及裂隙压缩系数随有效应力的改变系数αf。

进一步地，所述变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法具体包括以下步骤：

步骤a、首先构建裂隙煤岩体流固耦合模拟的应力-裂隙开度相关关系a＝a₀-σ_n/k_n，其中a为节理裂隙开度，a₀为初始裂隙开度，σ_n为正应力，k_n为节理裂隙刚度；

步骤b、构建基于立方定量的二维模型渗流计算公式

其中q为渗流速率；μ为流体动力粘度；ΔP为上下游压力差；l为节理裂隙长度；

步骤c、根据渗流公式推导出渗透率的计算公式

步骤d、进行不同块体尺寸、不同边长、不同裂隙开度、不同压差条件下无应力的渗流模拟，获得模拟的渗透率校正公式

其中n＝l_s/l_a，h＝ΔP/l，l_a为块体边长，l和l_s为模型尺寸。

步骤e、根据实验室渗透率试验，各参数分别为l＝0.05m，l_s＝0.05m，l_a＝0.002m，ΔP＝0.2MPa，带入渗透率公式可以获得实验条件下的渗透率模拟结果k＝3.8677×a³×10¹⁶。

步骤f、建立节理裂隙可压缩性系数与有效应力的相关关系

其中c_f0是原始裂隙的压缩系数，α_f是裂隙压缩系数随有效应力的改变系数；

步骤g、根据节理裂隙刚度和可压缩系数的关系构建考虑应力的变节理刚度计算模型

步骤h、将构建的变节理刚度模型带入渗透率计算模型，可以获得应力与渗透率的相关关系

步骤i、根据实验室实测的不同应力状态下的渗透率结果采用应力渗透率模型拟合获得最终流固耦合模拟参数：初始裂隙开度a₀、初始裂隙可压缩系数c_f0以及裂隙压缩系数随有效应力的改变系数a_f0。

进一步地，所述变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法还包括：

步骤j、利用该方法进行各向同性流固耦合参数选择。

进一步地，所述变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法还包括：

步骤k、利用该方法进行各向异性流固耦合参数选择。

进一步地，所述步骤j具体为：

对于各向同性煤岩体而言，按照实验室煤岩体尺寸建立各向同性块体模型，根据任意一方向的应力渗透率试验结果进行节理裂隙参数拟合；

进一步地，所述步骤k具体为：

k1、对于各向异性煤岩体而言，首先将节理裂隙划分为面节理、端割理和此生节理，通过CT扫描获得各向异性煤岩体三类节理初始开度的相关关系a_f0＝1.5a_c0＝3a_s0；a_c0、a_f0以及a_s0分别为端割理、面节理以及次生节理的原始开度；

k2、分别建立各向异性煤岩体水平方向渗透率模型

和垂直方向渗透率模型

k3、分别进行实验室水平方向应力渗透率试验和垂直方向应力渗透率试验；

k4、将三类节理初始开度的相关关系带入水平和垂直渗透率模型，根据实验室垂直方向应力渗透率试验结果拟合获得次生节理及端割理参数；

k5、将次生节理及端割理参数带入水平渗透率模型，最终根据实验室水平方向应力渗透率试验结果拟合获得面节理参数。。

申请人经过研究发现：出现上述现象的主要原因为模拟过程中节理刚度为定值，即裂隙的可压缩性不变。因此如果采用固定节理刚度的方法，在非等压偏应力状态下，轴压或围压超过一定应力后，其裂隙开度达到残余裂隙开度不再变化，直接影响着计算精度，特别是对于有角度的节理。在轴压与围压相等的情况下，裂隙开度与倾角无关。但轴压与围压不等的情况下，节理倾角直接影响着节理的受力情况。除此之外，很多情况下，由于煤岩孔隙及层理结构导致煤岩的渗透率存在明显的各向异性，再加上采动形成的裂隙损伤结构同样存在各向异性性，都会对实验结果产生比较大的影响。

因此，申请人认为采用固定节理刚度进行应力裂隙开度的计算会对模拟结果造成一定的影响，而变节理刚度的渗流模拟更能贴近实验室实测情况。所以，申请人提供一种变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法，解决了恒定节理刚度出现与实验结果匹配性不好、需要设置残余裂隙开度等低精度模拟方法的问题，相对于固定节理刚度匹配效果大幅度提升。

附图说明

图1为本发明的各向同性模型示意图；

图2为本发明的各向异性模型示意图；

图3是各向同性模型实验室拟合结果示意图；

图4是各向异性模型轴向渗透率实验室拟合结果示意图；

图5是各向异性模型径向渗透率实验室拟合结果示意图；

图6是本发明的变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法和固定节理刚度模拟方法的对比图。

附图标号说明：

1、单元块体；2、单元节理；3、端割理；4、面节理；5、次生节理。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明。

a、首先构建裂隙煤岩体流固耦合模拟的应力-裂隙开度相关关系a＝a₀-σ_n/k_n，其中a为节理2的开度，a₀为初始节理开度(单位，m)，σ_n为正应力，单位为MPa，k_n为节理2的节理刚度(单位，GPa/m)。

b、构建基于立方定量的二维模型渗流计算公式

其中q为渗流速率，单位；m²/s，

μ为流体动力粘度，单位Pa·s(N·s/㎡)；ΔP为上下游压力差(ΔP＝P₁-P₂，P₁，P₂分别为上游压力，下游压力，单位为MPa，)；l为节理1的长度，单位为m；

c、根据渗流公式推导出渗透率的计算公式

d、进行不同单元块体1尺寸、不同边长、不同裂隙开度、不同压差条件下无应力的渗流模拟，获得模拟的渗透率校正公式

其中n＝l_s/l_a，h＝ΔP/l，l_a为块体2的边长，l和l_s为模型的长度和宽度尺寸(l_s为宽度)，单位为米，ΔP为上下游压力差，如图1所示。

e、根据实验室渗透率试验，各参数分别为l＝0.05m，l_s＝0.05m，l_a＝0.002m，ΔP＝0.2MPa，带入渗透率公式可以获得实验条件下的渗透率模拟结果k＝3.8677×a³×10¹⁶，单位，md。

f、建立节理2的可压缩性系数与有效应力的相关关系

其中

为节理裂隙可压缩性系数或压缩系数，c_f0是原始裂隙的压缩系数，α_f是裂隙压缩系数随有效应力的改变系数，；

g、根据节理2裂隙刚度和可压缩系数的关系构建考虑应力的变节理刚度计算模型

h、将构建的变节理刚度模型带入渗透率计算模型，可以获得应力与渗透率的相关关系

i、根据实验室实测的不同应力状态下的渗透率结果采用应力渗透率模型拟合获得最终流固耦合模拟参数：初始裂隙开度a₀(单位：米)、初始裂隙可压缩系数c_f0以及裂隙压缩系数随有效应力的改变系数α_f0

j、对于各向同性煤岩体而言，按照实验室煤岩体尺寸建立各向同性块体模型(如图1)，根据任意一方向的应力渗透率试验结果进行节理裂隙参数拟合(如图3)，可以获得a₀＝4.85×10^-6，c_f0＝1.43×10^-6，α_f＝0.3869；

k、对于各向异性煤岩体模型(如图2)而言，首先将节理裂隙划分为面节理4、端割理3和次生节理5。通过CT扫描获得各向异性煤岩体三类节理初始开度的相关关系a_f0＝1.5a_c0＝3a_s0；a_c0、a_f0以及a_s0分别为端割理2、面节理3以及次生节理4的原始开度。

l、分别建立各向异性煤岩体水平方向渗透率模型

和垂直方向渗透率模型

m、分别进行实验室水平方向应力渗透率试验和垂直方向应力渗透率试验；

n、将三类节理初始开度的相关关系带入水平和垂直渗透率模型，根据实验室垂直方向应力渗透率试验结果拟合(如图4)获得次生节理参数(a₀＝2.38×10^-6，c_f0＝0.67×10^-6，α_f＝0.3869)和端割理参数(a₀＝4.92×10^-6，c_f0＝1.46×10^-6，α_f＝0.3869)。

o、将次生节理及端割理参数带入水平渗透率模型，根据实验室水平方向应力渗透率试验结果拟合(如图5)最终获得面节理参数(a₀＝7.73×10^-6，c_f0＝2.28×10^-6，α_f＝0.4113)。

如图6所示，本发明提出的变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法比固定节理刚度模拟方法能够更加精确的匹配实验结果的同时实现各向同性和各向异性煤岩体流固耦合参数的选取，相对于固定节理刚度匹配效果大幅度提升。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法，其特征在于，所述变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法包括：

构建基于裂隙开度和应力的相关关系a＝a₀-σ_n/k_n，其中a为节理裂隙开度单位，m，a₀为初始裂隙开度单位，m，σ_n为正应力，单位为MPa，k_n为节理裂隙刚度，单位，GPa/m；

之后通过不同尺寸的裂隙岩体渗流模拟获得渗透率k的计算公式

单位mD；

根据裂隙可压缩性系数推导得出节理刚度与应力的相关关系

单位mD；σ₁是有效应力，单位为MPa，

进行研究煤岩体的应力-渗透率测试，获得破碎煤岩体对应的渗透率与应力的实验数据；

最后根据实验室数据拟合获得初始裂隙开度a₀、初始裂隙可压缩系数c_f0以及裂隙压缩系数随有效应力的改变系数α_f。

2.如权利要求1所述的变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法，其特征在于，所述变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法具体包括以下步骤：

步骤a、首先构建裂隙煤岩体流固耦合模拟的应力-裂隙开度相关关系a＝a₀-σ_n/k_n，其中a为节理裂隙开度，a₀为初始裂隙开度，σ_n为正应力，单位为MPa，k_n为节理裂隙刚度；

步骤b、构建基于立方定量的二维模型渗流计算公式

其中q为渗流速率；μ为流体动力粘度；ΔP为上下游压力差；l为节理裂隙长度；

步骤c、根据渗流公式推导出渗透率的计算公式

步骤d、进行不同块体尺寸、不同边长、不同裂隙开度、不同压差条件下无应力的渗流模拟，获得模拟的渗透率校正公式

其中n＝l_s/l_a，h＝ΔP/l，l_a为块体边长，单位为米，l和l_s为模型的长度和宽度尺寸，单位为米。

步骤e、根据实验室渗透率试验，各参数分别为l＝0.05m，l_s＝0.05m，l_a＝0.002m，ΔP＝0.2MPa，带入渗透率公式可以获得实验条件下的渗透率模拟结果k＝3.8677×a³×10¹⁶。

步骤f、建立节理裂隙可压缩性系数与有效应力的相关关系

其中c_f0是原始裂隙的压缩系数，α_f是裂隙压缩系数随有效应力的改变系数；

步骤g、根据节理裂隙刚度和可压缩系数的关系构建考虑应力的变节理刚度计算模型

步骤h、将构建的变节理刚度模型带入渗透率计算模型，可以获得应力与渗透率的相关关系

步骤i、根据实验室实测的不同应力状态下的渗透率结果采用应力渗透率模型拟合获得最终流固耦合模拟参数：初始裂隙开度a₀、初始裂隙可压缩系数c_f0以及裂隙压缩系数随有效应力的改变系数a_f0。

3.如权利要求2所述的变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法，其特征在于，所述变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法还包括：

步骤j、利用该方法进行各向同性流固耦合参数选择。

4.如权利要求2所述的变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法，其特征在于，所述变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法还包括：

步骤k、利用该方法进行各向异性流固耦合参数选择。

5.如权利要求4所述的变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法，其特征在于，所述步骤j具体为：

对于各向同性煤岩体而言，按照实验室煤岩体尺寸建立各向同性块体模型，根据任意一方向的应力渗透率试验结果进行节理裂隙参数拟合；

6.如权利要求4所述的变节理刚度的裂隙煤岩体流固耦合模拟参数选取方法，其特征在于，所述步骤k具体为：

k1、对于各向异性煤岩体而言，首先将节理裂隙划分为面节理、端割理和此生节理，通过CT扫描获得各向异性煤岩体三类节理初始开度的相关关系a_f0＝1.5a_c0＝3a_s0；a_c0、a_f0以及a_s0分别为端割理、面节理以及次生节理的原始开度；

k2、分别建立各向异性煤岩体水平方向渗透率模型

和垂直方向渗透率模型

k3、分别进行实验室水平方向应力渗透率试验和垂直方向应力渗透率试验；

k4、将三类节理初始开度的相关关系带入水平和垂直渗透率模型，根据实验室垂直方向应力渗透率试验结果拟合获得次生节理及端割理参数；

k5、将次生节理及端割理参数带入水平渗透率模型，最终根据实验室水平方向应力渗透率试验结果拟合获得面节理参数。

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