科技成果
成果名称: 国家自然基金结题
成果登记号: 9612022J0169
第一完成单位: 西安科技大学
联 系 人: 石钰
成果类型: 基础理论
成果体现形式 : 论文
应用行业: 采矿业
学科分类: 安全科学技术基础学科其他学科(620.1099)
完成人: 石钰
成果简介:
| 针对煤岩纳微米孔隙中煤层气运移特性及气-液两相运移机理展开研究。构建了不同孔径尺寸的煤狭缝孔模型、不同表面缺陷的煤分子模型以及表面活性剂改性的水-煤模型，发展分子动力学方法探讨了温度、压力、湿度、芳香单元堆砌层数等对甲烷最佳吸附位、吸附等温线以及甲烷与煤表面含氧官能团之间相互作用的影响机制，结合煤吸附甲烷实验，揭示了甲烷在不同变质程度煤内的吸附/解吸和扩散机理，为通过调控煤体润湿性促进煤层气解吸扩散提供了理论依据。基于气体动理学理论，发展了直接求解Boltzmann方程的离散速度法，该方法适合求解连续流区、过渡流区、滑移流区和自由分子流区的煤层气运移全尺度模拟，提出了基于Voronoi多面体抛分的多孔介质生成新方法，通过调节方法中的控制参数获得了具有特定要求（如孔喉比、比表面积、分形维数、迂曲度等）的煤岩纳微米孔隙网络模型，编写MPI并行计算程序，研究了纳微米孔隙介质中甲烷、二氧化碳、氮气、氢气等的非线性渗流规律，捕捉到气体渗流过程中的滑脱效应，获得了气体表观渗透率与理论解和实验结果吻合较好，阐明了注入二氧化碳驱替甲烷提高煤层气采收率的可行性，提出了高阶气体表观渗透率预测模型。发展了大密度比气-液两相流动三维等温格子Boltzmann伪势模型，编制OpenMP高性能计算程序，研究了复杂多孔介质中气-液界面张力、壁面润湿性、孔隙率、多孔介质非均质性等对气-液两相流动的影响机制，发现液体在超亲水壁面上迅速铺展，导致气-液两相流动速度加快，超疏水壁面可增大固-液之间的接触角，减小液体与固体壁面之间的摩擦阻力，促进气-液两相流动。发展了基于相场理论的含表面活性剂两相流格子Boltzmann模型，发现表面活性剂会朝向界面形变程度较大的区域迁移，与干净界面相比，含表面活性剂两相流界面在剪切力作用下更容易破裂，揭示了表面活性剂降低界面张力，促进两相流动的机理。研究为后续开展多物理场的煤层气运移尺度升级研究提供了理论依据、模型基础和算法支持。 |
