基于COMSOL注气驱替瓦斯的多物理问题耦合分析

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：大家好，我是康康学长，仿真秀专栏作者，硕士研究生，主要研究方向为地质岩石多场耦合，发表COMSOL相关方向中文EI一篇，SCI一区论文一篇，使用COMSOL软件3年，熟练使用热流固、多孔介质传热传质及pde自定义模块，欢迎技术交流。近日笔者在仿真秀原创《Comsol热流固THM耦合下煤层注CO2/N2驱替瓦斯案例仿真分析5讲》希望对学习者有所帮助。如有不当，欢迎批评指正，以下是正文。

随着科学技术不断进步，注气驱替瓦斯技术取得突破性进展。地面煤层气注气驱替ECBM( Enhanced Coal Bed Methane) 试验的成功，提供了采用注气驱替来提高井下瓦斯抽采效率的新思路。该技术不仅增大煤体内部气压，提高混气渗流速度，还可降低瓦斯有效分压，促使吸附态瓦斯解吸，有效弥补了抽采后期储层压降问题，为储层流场提供了充足动力和可靠运移通道。

该技术因其安全性、经济性、环保性及显著提升瓦斯采收率而备受关注，应用前景良好。而该项技术涉及到多场耦合问题，如孔隙/裂隙中的瓦斯渗流扩散场、煤层变形场及煤层瓦斯温度场之间的耦合，通过数值模拟技术可以为现场施工优化参数，节省成本。

一、热流固THM耦合下注CO2/N2驱替瓦斯多场耦合

一般来说，注CO2/N2驱替瓦斯多场耦合涉及流固耦合、热流固耦合及热流固化耦合等多种耦合形式，本视频主要介绍热流固(THM)多场耦合方法，以期为相关研究方向的老师学生提供参考。此方法具有以下几方面的技术难点：（1）煤层中注入CO2，涉及到双组分（CO2/N2和CH4），气体运移更复杂；（2）煤层的渗透率、孔隙率方程增添由CO2吸附扩散引起的变化项；（3）涉及到的物理场增多，方程更复杂，数值求解中模型收敛性存在一定困难。

本文构建的物理场方程来自于公开发表的文献，对于具体的数值求解方法，限于篇幅，会做出一部分解释，主要从CO2-ECBM的机理角度出发。

首先构建模型的物理场方程，如图1。该物理场方程主要分为气体扩散对流方程、温度场方程、煤体变形控制方程，其中还有一些辅助方程，如渗透率方程、孔隙率方程等。煤体的有效应力方程考虑了基质、裂隙中的孔压，基质变形引起的应力、煤层温度变化引起的热应力。同时在煤体变形控制方程中，考虑有效应力变化的煤体变形方程。煤体的对流扩散方程分为扩散项、对流项。此过程，将裂隙和基质假设为一个整体，在这个整体上获得统一的CO2与甲烷的对流扩散方程，其中该系统的源项为0。温度场需要考虑煤层本身的传热以及内部对流换热与基质、煤体变形引起的温度变化。将三个物理场方程耦合解算，是该数值模拟的一个难点。本案列选择多物理场求解工具COMSOL，其在多场求解方面广泛应用。

图1 CO2-ECBM多场耦合物理场方程

二、COMSOL设置简要介绍

COMSOL中求解步骤主要为参数、变量设置，几何模型设置，物理场设置，网格划分，求解器设置，后处理。参数变量设置中，需要把CO2-ECBM耦合方程中，相关的参数、变量设置到全局参数中。同时把一些物理场方程用到的变量设置到局部变量中。几何模型中，采用1/4煤层进行构建，在中心位置设置注气孔，在右上角设置抽采孔。

物理场选择2个系数型偏微分方程和1个一般形式偏微分方程，其中CO2与甲烷的对流扩散方程、温度场方程采用系数型偏微分方程，煤层变形控制方程采用一般形式偏微分方程。对流扩散方程的边界条件设置中，在注气孔边界只设置CO2注气边界，在抽采边界只设置甲烷抽采边界。煤层变形控制方程中，需要设置对称边界，即零通量。在上边界设置应力载荷，在右边界设置位移边界。煤层变形控制方程在固体力学中设置，也可以使用PDE模块，编写相应表达式。温度场可在多孔介质传热方程设置，也可以用PDE方程变形相应表达式。

本模型全部选用PDE方程编写表达式求解，其好处在于可在同一求解器中求解，方便方程收敛。求解器采用全耦合隐式算法，采用自动(牛顿)非线性方法终止。

图2 参数、几何模型设置

后处理设置：后处理主要展示煤层渗透率、CO2，甲烷的压力、煤层应力、位移变化等。具体分析，限于篇幅不在赘述，详细分析见文献。本案例还可以用在CO2地质封存分析中，以及其他相关案列中。欢迎大家交流学习。（参考文献题目：The coupling mechanism of the thermal-hydraulic-mechanical fields in CH4-bearing coal and its application in the CO2-enhanced coalbed methane recovery）

图3 CH4 (左)、CO2(右)压力分布

图4 渗透率比值分布

图5 煤层位移

三、COMSOL学习资料及建议

COMSOL为多场耦合软件，涉及的模块很多，大家在学习过程中要结合自身的研究方向，选择性的学习某一类模块。基础操作教学在COMSOL官网上有很多教程与案例，大家可以在仿真秀官网或App搜索COMSOL教程学习，并按照教程进行复现并充分理解每个步骤设置的含义。重要的是从案例中学习，找到与本专业相近的案例进行学习，并消化吸收。

近日，我在仿真秀原创的视频课程《Comsol热流固THM耦合下煤层注CO2/N2驱替瓦斯案例仿真分析5讲》，主要讲解煤层中注入二氧化碳，实现驱替甲烷，增加煤层开采率的理论。本案列为复现一区SCI论文，涉及到二氧化碳与煤层之间的竞争吸附关系，以及涉及到三场耦合，即煤层变形控制方程、温度控制方程、渗流扩散方程。

1、以下是我课程安排

《Comsol热流固THM耦合下煤层注CO2/N2驱替瓦斯案例仿真分析5讲》

此外，康康学长为所有订阅用户提供知识圈答疑服务和VIP用户交流群。并附赠课程相关资料等（平台支持自行开具电子发票）。

2、用户得到

通过本案例的学习，可对煤层中的多场耦合有清晰的认识，可将本案列拓展到相近的研究方向中，如煤层注水、注热以及其他流固耦合、热流固耦合中，该视频配套源文件，源文件获取请联系官方小助手进群领取。

3、适合谁看

（1）地质岩土类研究生、老师；

（2）多场耦合学习；

（3）二氧化碳地质封存类研究者

（4）COMSOL技能提升用户和兴趣爱好者

后续，我会发表相关的学习资料。在学习过程中，也可以参阅一些专业书籍，如《COMSOL Multiphysics工程实践与理论仿真多物理场数值分析技术》、《COMSOL Multiphysics基本操作指南和常见问题解答》、《COMSOL Multiphysics有限元法多物理场建模与分析》等书籍，欢迎大家联系仿真秀官方客服加入COMSOL软件技术交流群，与工程师朋友一起交流进步。

（完）

作者：CAE之家仿真秀优秀讲师

来源：仿真秀App

Comsol 非线性多孔介质电子岩土理论控制试验

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首次发布时间：2023-06-01