基于钻孔抽采数据的煤层瓦斯抽采特征参数快速反演方法技术

本发明专利技术公开了一种基于钻孔抽采数据的煤层瓦斯抽采特征参数快速反演方法，首先建立煤层内瓦斯渗流数学模型，并结合瓦斯抽采流量演化与瓦斯压力分布的表征关系，建成瓦斯流量正演模型，根据现场情况确定煤层物性参数以及边界条件，可以得到以煤层初始渗透率和抽采时间为自变量的正演瓦斯流量函数；接着拟合现场抽采数据作为现场瓦斯抽采流量函数；将上述正演模拟的瓦斯流量与现场数据拟合的瓦斯流量作差作为适应度函数；采用粒子群算法寻找适应度最小值对应的煤层初始渗透率和钻孔抽采时间；最后将获得的煤层初始渗透率及钻孔抽采时间代入瓦斯流量正演模型，计算煤层残余瓦斯压力/含量、抽采率、抽采影响半径以及渗透率等特征参数。征参数。征参数。

【技术实现步骤摘要】
基于钻孔抽采数据的煤层瓦斯抽采特征参数快速反演方法


[0001]本专利技术涉及一种煤层瓦斯抽采特征参数快速反演方法，具体为一种基于钻孔抽采数据的煤层瓦斯抽采特征参数快速反演方法，属于煤矿瓦斯抽采


技术介绍

[0002]作为瓦斯资源化利用的基础和煤矿瓦斯灾害的治本性措施，煤层瓦斯的采前预抽一直是煤矿开采工作中必不可少的环节。在抽采过程中，瓦斯抽采基本参数是瓦斯抽采系统规划设计，瓦斯抽采效果评价和瓦斯抽采工程安全技术管理的基本科学依据。因此如何快速准确地获得瓦斯抽采参数具有重要意义。
[0003]然而目前行业内对于煤层瓦斯抽采特征参数的测定普遍存在操作复杂、耗时费力的问题，以煤层渗透率为例：目前行业内煤矿的煤层渗透率测量方式主要有实验室测量和现场测试两类方法。在实验室测量煤样渗透率中，由于完整煤样制备难度大、煤样在钻取的过程中易出现裂缝，以及煤体的各向异性特征等原因，导致煤层渗透率的测量结果较现场情况出现较大偏差，因此实验室很难模拟真实情况,只能进行定性的、规律性的研究。而在现场测定煤层渗透率时，目前国内主要采用钻孔瓦斯径向流量法，该渗透率测定方法探测效果较好，但是径向流量法仍然存在着测定周期长、待测参数复杂等缺点。
[0004]在煤层气抽采作业过程中，瓦斯抽采特征参数的动态变化特征是通过生产资料直接体现。而煤层气生产资料是煤矿施工现场第一手数据，具有较高的真实性和准确性。因此关于如何实现通过生产资料快速而准确地反求瓦斯抽采特征参数，为煤层气安全高效开采提供科学支撑的问题，有着较好的发展前景，需要进一步研究。
[0005]与一般研究所用的正向推导不同，根据结果或信息反推事件发生的过程或机制称为“反演”，其核心思想在于可观测参数推测研究对象内部源参数。目前有学者分析了煤层渗透率的复杂变化特点，建立了二维条件下的煤层瓦斯流动非耦合数学模型，并使用超松弛迭代法进行求解，最终实现了通过煤层瓦斯压力反演渗透率。但在实际施工过程中，煤层压力本身作为待测瓦斯抽采特征参数，测量往往存在操作复杂且具有滞后性的问题。还有学者建立了煤层双孔隙的耦合无量纲方程，并在此基础上提出了新的煤基质渗透率和裂隙渗透率的反演方法，结果表明基于流固耦合控制方程的反演算法具有较高的准确性。但是该研究只是通过试算匹配，并不涉及具体的非线性反演方法，具体应用效果较差。
[0006]因此，如何提供一种新的方法，使其以煤层多场耦合三维模型为基础，将煤层瓦斯抽采特征参数作为目标，搭建基于真实生产资料的煤层抽采特征参数反演算法，从而快速且精准的得出煤层抽采特征参数，是本行业的研究方向之一。

技术实现思路

[0007]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于钻孔抽采数据的煤层瓦斯抽采特征参数快速反演方法，其以煤层多场耦合三维模型为基础，将煤层瓦斯抽采特征参数作为目标，搭建基于真实生产资料的煤层抽采特征参数反演算法，从而快速且精准的得出
煤层抽采特征参数。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于钻孔抽采数据的煤层瓦斯抽采特征参数快速反演方法，具体步骤为：
[0009]步骤一、根据瓦斯渗流理论，先建立煤层内瓦斯渗流数学模型，根据该数学模型能确定初始渗透率及钻孔抽采时间与煤层瓦斯压力之间的关系，然后确定煤层瓦斯流量与煤层瓦斯压力之间的关系式，将该关系式与建立的煤层内瓦斯渗流数学模型相结合，从而建成瓦斯流量正演模型，该瓦斯流量正演模型中所涉及的煤层物性参数以及边界条件根据现场地质情况确定，最后根据该瓦斯流量正演模型得出以煤层初始渗透率及抽采时间为自变量的正演瓦斯流量函数；
[0010]步骤二、通过瓦斯流量传感器采集现场瓦斯抽采流量，并将获得的抽采数据进行拟合形成连续函数，该连续函数即为拟合现场瓦斯抽采流量函数；
[0011]步骤三、将步骤一获得的正演瓦斯流量函数与步骤二获得的拟合现场瓦斯抽采流量函数，两者之间的差函数D(k0,t)作为适应度函数，并以适应度函数最小值为目标；
[0012]步骤四、采用粒子群算法寻找使步骤三中适应度函数最小值时对应的煤层初始渗透率和钻孔抽采时间；
[0013]步骤五、通过步骤四获得的煤层初始渗透率及钻孔抽采时间，将该数据代入步骤一建立的瓦斯流量正演模型，最终根据该模型计算确定煤层的瓦斯抽采特征参数。
[0014]进一步，所述步骤一具体为：
[0015]A)：根据瓦斯渗流理论，建立如式(1)所示瓦斯渗流三维流固耦合数学模型：
[0016][0017]式中，G代表煤的剪切模量，MPa，G＝E/2(1+v)；K和E分别为煤的体积模量和杨氏模量，MPa，K＝E/3(1
‑
2v)；v代表煤的泊松比；α是煤的Biot系数,α＝1
‑
K/K
S
；ε
s
为煤的吸附诱导体积应变；ε
L
是朗缪尔体积应变常量；S＝ε
v
+(P/K
s
)
‑
ε
s
,S0＝(p0/K
s
)
‑
ε
L
p0/(p0+p
L
)；p0代表煤层初始压力；p代表煤层瓦斯压力；φ0代表煤层初始孔隙度；φ表示煤层孔隙度，k表示煤层渗透率，k表示煤层渗透率，k0表示煤层初始渗透率；
[0018]B)：求解式(1)能得到在煤层初始渗透率k0下任意时刻瓦斯压力分布，并依此得到此时煤层内单位体积煤体瓦斯含量m，如式(2)所示：
[0019][0020]其中，ρ
a
为标准状态下瓦斯密度，kg/m3；ρ
c
是煤密度，kg/m3；V
L
为朗缪尔体积常数，m3/kg；P
L
代表朗缪尔压力常数，MPa；
[0021]将抽采t时刻单位体积煤体内瓦斯量m|
t
对煤体积分，能得到任意体积煤体瓦斯含量M|
t
，如式(3)所示：
[0022]M|
t
＝∫∫∫
V
m|
t
dx dy dz
ꢀꢀꢀ
(3)
[0023]式中：M|
t
为t时刻煤层内的瓦斯含量，kg。
[0024]C)：任意t时刻瓦斯抽采的流量可以表示为：
[0025][0026]式中，Q|
t
为t时刻的瓦斯抽采流量，m3/s；
[0027]由式(1)到式(4)得到，瓦斯抽采流量Q为初始渗透率k0和抽采时间t的函数，即
[0028]Q＝Q(k0,t)
ꢀꢀ
(5)
[0029]通过步骤A)
‑
C)能建立抽采瓦斯流量与煤层初始渗透率及钻孔抽采时间之间的关系，即瓦斯流量正演模型，在瓦斯流量正演模型中通过任意给定煤层初始渗透率k0和抽采时间t能得到该时刻的钻孔瓦斯流量。
[0030]进一步，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于钻孔抽采数据的煤层瓦斯抽采特征参数快速反演方法，其特征在于，具体步骤为：步骤一、根据瓦斯渗流理论，先建立煤层内瓦斯渗流数学模型，根据该数学模型能确定煤层初始渗透率及钻孔抽采时间与煤层瓦斯压力之间的关系，然后结合瓦斯抽采流量演化特征与瓦斯压力分布特征的参数表征关系，建成瓦斯流量正演模型，该瓦斯流量正演模型中所涉及的煤层物性参数以及边界条件根据现场地质情况确定，最后根据该瓦斯流量正演模型得出煤层的正演瓦斯流量函数；步骤二、通过瓦斯流量传感器采集现场瓦斯抽采流量，并将获得的抽采数据进行拟合形成连续函数，该连续函数即为拟合现场瓦斯抽采流量函数；步骤三、将步骤一获得的正演瓦斯流量函数与步骤二获得的拟合现场瓦斯抽采流量函数，两者之间的差函数D(k0,t)作为适应度函数，并以适应度函数最小值为目标；步骤四、采用粒子群算法寻找使步骤三中适应度函数最小值时对应的煤层初始渗透率和钻孔抽采时间；步骤五、通过步骤四获得的煤层初始渗透率及钻孔抽采时间，将该数据代入步骤一建立的瓦斯流量正演模型，最终根据该模型计算确定煤层的瓦斯抽采特征参数。2.根据权利要求1所述基于钻孔抽采数据的煤层瓦斯抽采特征参数快速反演方法，其特征在于，所述步骤一具体为：A)：根据瓦斯渗流理论，建立如式(1)所示瓦斯渗流三维流固耦合数学模型：式中，G代表煤的剪切模量，MPa，G＝E/2(1+v)；K和E分别为煤的体积模量和杨氏模量，MPa，K＝E/3(1
‑
2v)；v代表煤的泊松比；α是煤的Biot系数,α＝1
‑
K/K
S
；ε
s
为煤的吸附诱导体积应变；ε
L
是朗缪尔体积应变常量；S＝ε
v
+(P/K
s
)
‑
ε
s
,S0＝(p0/K
s
)
‑
ε
L
p0/(p0+p
L
)；p0代表煤层初始压力；p代表煤层瓦斯压力；φ0代表煤层初始孔隙度；φ表示煤层孔隙度，k表示煤层渗透率，k表示煤层渗透率，k0表示煤层初始渗透率；B)：求解式(1)能得到在煤层初始渗透率k0下任意时刻瓦斯压力分布，并依此得到此时煤层内单位体积煤体瓦斯含量m，如式(2)所示：其中，ρ
a
为标准状态下瓦斯密度，kg/m3；ρ
c
是煤密度，kg/m3；V
L
为朗缪尔体积常数，m3/kg；P
L
代表朗缪尔压力常数，MPa；将抽采t时刻单位体积煤体内瓦斯量m|
t
对煤体积分，能得到任意体积煤体瓦斯含量M|
t
，如式(3)所示：
M|
t
＝∫∫∫
V
m|
t
dx dy dz
ꢀꢀ
(3)式中：M|
t
为t时刻煤层内的瓦斯含量，kg；C)：任意t时刻瓦斯抽采的流量能表示为：式中，Q|
t
为t时刻的瓦斯抽采流量，m3/s；由式(1)到式(4)得到，瓦斯抽采流量Q为初始渗透率k0和抽采时间t的函数，即Q＝Q(k0,t)
ꢀꢀꢀ
(5)通过步骤A)
‑
C)能建立抽采瓦斯流量与煤层初始渗透率及钻孔抽采时间之间的关系，即瓦斯流量正演模型，在瓦斯流量正演模型中通过任意给定煤层初始渗透率k0和抽采时间t能得到该时刻的钻孔瓦斯流量。3.根据权利要求1所述基于钻孔抽采数据的煤层瓦斯抽采特征参数快速反演方法，其特征在于，所述步骤二中拟合现场瓦斯抽采流量函数具体为：式中，t表示抽采时间，d；t0表示首次记录瓦斯流量时钻孔已抽采时间，d；Q
R
为拟合现场瓦斯抽采流量，m3/min；a、b代表函数系数。4.根据权利要求1所述基于钻孔抽采数据的煤层瓦斯抽采特征参...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫世平，王育坤，夏同强，李子龙，李振东，宋涛，
申请(专利权)人：江苏中矿辰源科技有限公司中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：