工程论文哪里有？本文将开采石油天然气中水驱和气驱相结合的技术运用到煤层驱替瓦斯研究中，为提高煤层瓦斯抽采提供新的研究思路。
1 绪论
1.2 国内外研究现状
1.2.1 注水驱替煤层瓦斯技术研究现状
（1）瓦斯与水在煤层中的存在状态
煤层可以被认为是由固体、液体和气体组成的多相系统，水驱后煤层内以水和瓦斯两相流为主，水驱过程孔隙体系中煤基质与水分子的相互作用是由范德华力、氢键等多个作用体系导致的，其中交换力、取向力、诱导力以及色散力均对范德华力有影响，并且根据水在煤中的赋存形态又可简单分为外水、内在水分和结晶水[51,52]。
煤层中的瓦斯有两种主要的赋存形态：游离态和吸附态[53]。由于煤层中的大量孔隙，瓦斯在煤层中扩散流动是多样的，根据孔隙分类可以分为：微孔（＜8nm）是表面扩散，过渡孔（8~20nm）是混合扩散，小孔（20~65nm）是Kundsen扩散，中孔（65~325nm）是稳定层流，过渡孔（325~1000nm）是剧烈层流，大孔（＞1000nm）是紊流运动[54]。不仅如此，瓦斯渗流也与煤层吸附、温度、瓦斯压力等多种因素有关[55]。目前矿井瓦斯抽采的工艺水平和设备条件逐渐提高，瓦斯抽采技术也逐渐增强[56]，但是要想进一步提高瓦斯抽采率，需要寻找新的瓦斯抽采方法。
（2）注水驱替煤层瓦斯研究现状
注水驱替瓦斯是依靠外力水在压力的作用下解吸驱替煤层中吸附态瓦斯，水的进入不仅会改变煤层的内部结构，而且由于压力较大还会产生许多新的孔裂隙，从而降低瓦斯的压力达到卸压的效果，目前国内外使用较多的注水强化措施主要有：水力压裂、水力割缝和水力冲孔三种形式。谢明慧、阮淼等[57-59]通过对高瓦斯坚硬煤层进行超高压水力割缝用于强化瓦斯抽采，不仅可以缩短瓦斯抽采时间还可以增大瓦斯的抽采半径；李萌、王向阳等[60,61]采用高压水力割缝和超高压水力割缝方式对松软低透煤层进行瓦斯抽采，在增强煤层透气性的同时还可以安全经济的完成瓦斯治理工作；邓东生、秦剑云等[62-64]利用水力冲孔对煤层进行增透卸压，期间采用两堵一注措施来提高单孔抽采效率和纯量；常亚男等[65-68]利用有限元模拟方法，计算分析了在注水强化措施下的瓦斯渗透规律及煤层地应力变化，并且通过改变注水压力、注水时间、钻孔数量及间距等参数得出最优的瓦斯抽采条件，为现场实践提供了理论依据。
3 高压气-水两相驱替瓦斯模拟研究
3.1 COMSOL Multiphysics模拟软件介绍
COMSOL Multiphysics 对于处理大规模问题来说是一个强大的数值模拟工具。它广泛用于工程计算以及科学和工程中各种物理过程的建模，利用有限元法对单场或多场偏微分方程进行分析和求解，并且目前已经在流体流动、热传导、结构力学和电磁分析等方面有广泛的应用，用户不仅可以迅速地对各种预设模型进行模拟，同时也可以使用逻辑表达式或直接使用插值函数看到真实数据。其预先编程的多物理场应用实例可以用来寻找各种典型物理问题的解决方案，用户可以在同一时间内选取需要的物理域并指定其相关性。除此之外，COMSOL Multiphysics可以通过额外的功能模块快速升级，与其它有限元分析工具相比，更具适应性、灵活性和易用性。其具备以下突出的特点：
（1）用户可以通过图形界面简单地定义相关的个体偏微分方程。
（2）该模型的参数如材料的特性、边界条件以及载荷都可以通过任意一个单独的函数进行控制。
（3）专业计算模型库内置多种常用物理模型，用户可快速选择和修改。
（4）内嵌丰富的 CAD 建模工具，用户可直接在软件中进行建模。
（5）具备广泛构建网格、支持多个网格和支持移动网格的能力。
（6）得益于 64 位处理和并行计算，Linux、Unix 和 Windows 计算机可以进行大量的运算。
（7）用户自定义的后处理功能可实现各种数据、曲线、图片等结果的导出和处理。
（8）专业交互式参考文件，使用户可以通过学习软件操作手册更容易操作此软件。
4 高压气-水两相驱替瓦斯实验研究
4.1 实验系统和装置
4.1.1 实验系统
为了进一步研究不同的注入方式和条件下煤层中瓦斯运移流动规律，从而搭建了一套高压气-水混合驱替瓦斯实验装置系统，该实验系统包括了三大部分分别为轴压围压加载系统、注水与注气系统、气体检测系统。该实验系统通过控制注入方式、注入压力、轴压围压以及注入流量等条件研究不同情况对瓦斯驱替的影响过程，进而可以深入探究不同条件下瓦斯驱替的效果，原理图如图4-1所示，实物照片如图4-2所示。
4.2 实验结果与分析
4.2.1 不同注水压力下注水流量及瓦斯流量变化特征
将煤样分别在三种不同的注水压力下注水16h并观测柱塞泵中注水流量的变化，在注水前保证柱塞泵吸入足量的蒸馏水，然后关闭柱塞泵所有阀门设定注入压力，将蒸馏水压缩调节至实验所需的注入压力5MPa、8MPa、10MPa，待柱塞泵稳定之后可以通过柱塞泵记录注水过程中的注水流量和注水消耗的体积。由图4-10可以发现在不同注水压力驱替瓦斯过程中每个时刻注水流量均是不同的，当注水压力为5MPa时，经过7h的时间注水流量达到最大0.048ml/min；当注水压力为8MPa时，经过6h的时间注水流量达到最大0.111ml/min；当注水压力为10MPa时，经过4h的时间注水流量达到最大0.162ml/min,由此可以看出注入压力的提高会增大注水过程中的注水流量，这是因为注水会改变煤样的孔隙结构，压力达到一定时会使煤样增加新的孔隙裂缝甚至使煤样破碎，所以注水流量会增大。
除此之外，通过观察可发现注水流量过程可以大致分为三个阶段:
（1）第一个阶段注水流量快速上升直至达到顶峰； （2）第二个阶段注水流量先快速下降然后缓慢上升，该阶段呈V型变化； （3）第三个阶段注水流量逐渐下降直至恢复到注水前的状态。
由此可以推断出注入的水在刚开始接触煤样时，会以较快的速度侵入到煤样的各个孔隙裂缝中，并且还会伴随着新的裂隙的形成，此时瓦斯流量快速上升，随着时间的推移，注入的水会逐渐充满各个孔隙裂缝，这时注水流量会因为前面的水占据了孔隙裂缝达到瓶颈期，所以此时流量会下降一段时间，但是随着瓦斯气体被逐渐排出以及水的强吸附性会形成多分子层吸附，此时流量又将缓慢上升，当注入时间足够长，煤样中的水分子足够多时，各个孔隙裂缝会被水分子堵塞出现让人困扰的水锁效应，导致后续注入的水难以再进入煤样中，此时会出现第三阶段注水流量逐渐下降直至达到注水最初状态的情况。
5 结论与展望
5.3 研究展望
在进行仿真模拟分析和实验结果观测后，对于该方向有了更多的认识同时也意识到了一些不足之处，需要对以下几个方面进行深入思考：
（1）本文仿真模拟采用的是均质连续的多孔模型，虽然有利于描述瓦斯扩散特征及瓦斯含量和影响范围的分析，但是不能还原真实煤层的非均质性、孔隙裂缝杂乱不连续性以及注入高压水和高压空气后煤样的变形对瓦斯驱替的影响。
（2）水驱和气驱相结合的技术广泛应用于开采石油天然气，在煤层驱替抽采瓦斯方面研究较少，因此需要更深入地研究交替注入水和空气的周期、速率以及多次注入高压水和高压空气过程中水和空气之间的作用等对瓦斯驱替的影响，并结合现场试验来探究该驱替方法的可行性及驱替瓦斯的效果。
（3）实验过程中只能通过质量流量计观测到瓦斯的流量变化，不能实时监测到高温高压岩心夹持器装置内部水、空气和瓦斯的运移规律，可自主设计一套可视化装置进一步观测装置内部的运移规律，更有利于分析整个驱替过程。
参考文献（略）
