煤层气微波注热的电磁-热-流-固全耦合模型

电磁注热增产已经广泛应用于石油领域，其原理是利用天线将电磁能导入储层，温度的提高降低了原油粘度并提高了其流动性，从而提高了石油产量。微波能量可以通过波导和天线导入煤层，首先，由底板巷向煤层施工瓦斯抽采钻孔；然后，将波导与天线连接并和抽采管一起放入钻孔内；天线与钻孔壁之间安装特氟龙护管；最后密封钻孔，打开微波发生器后实施瓦斯抽采。微波发生器产生的微波通过矩形波导、波导转换器及同轴波导传递到钻孔内的天线处，并由天线向煤层辐射注热，一方面，微波辐射热效应提高了煤体温度，瓦斯气体大量解吸；另一方面，微波辐射改变了煤体物性结构，煤层含水饱和度大大降低，煤体孔隙率、渗透率迅速提高，从而极大地促进了瓦斯抽采。由于煤基质是微波透明体，而煤中水分是微波吸收体，利用微波的穿透性对水进行选择性加热决定了其比注热水或热蒸汽更加节能，更加经济。

煤储层的微波注热增产示意图

煤层内的瓦斯运移涉及煤体变形、气体滑移、吸附导致的基质收缩/膨胀、及热传递，研究瓦斯运移必须兼顾各物理场的交互耦合。温度是影响煤体变形及瓦斯运移的关键。瓦斯赋存具有极强的温度敏感性；煤的异质性可能会引发不均匀受热从而产生热应力，这些热应力会引起煤体形变并改造渗透率；煤体升温会驱使气体从煤基质中解吸出来并处于一种自由、活跃状态。温度的升高会促使瓦斯由吸附态转变为游离态，微波热改造会导致煤层温度及含水率的改变，从而触发复杂的气-固耦合作用。近年来，众多学者为定量表征煤层气开采中复杂的气-固耦合过程已建立了一系列数值模型，然而涉及微波电磁-热耦合效应的煤储层渗透率模型罕有报道。本模型的首先通过介质损耗将电磁场与传热场联立起来以实现微波注热，这是一个双场双耦合过程；然后，通过热膨胀耦合模块、热流动耦合模块、热解吸效应、吸附膨胀效应建立起渗透率模型并将传热场、固体力学场及渗流场耦合起来，这是一个多场耦合过程；最终建立起一个电磁-热-流-固全耦合模型。

煤储层微波注热的电磁-热-流-固全耦合模型

利用 COMSOL 建立一个煤储层模型，见图 7-4，模型尺寸为 20 m×6 m，模型中间布置一个瓦斯抽采钻孔（直径为 0.075 m）；模型两侧布置两个微波源，将微波源简化为两个矩形波导。

煤储层微波注热几何模型

使用COMSOL5.6版本得到的几个云图如下：

煤储层温度云图

煤储层瓦斯含量云图

煤储层渗透率比值(k/k0)云图

注：以上文字及部分图片来自于论文《微波辐射下煤体热力响应 及其流-固耦合机制研究》。