煤层气开发过程中产出煤粉是制约气井产量提升的主要问题之一,建立考虑煤粉影响的气-水-固渗流数学模型与数值模拟研究是当前煤层气数值模拟的研究难点和热点,论文的选题和主要研究内容是“十二五”国家重大科技专项《沁水盆地南部煤层气直井试井及数值模拟技术研究》(2011ZX05060-004)研究中的科学问题之一。当前煤层气开发中的各个环节均未考虑煤粉对开发的影响,煤粉在地层中的运移对气井产量造成极大影响,描述煤粉在地层中的运移面临诸多问题,包括(1)煤粉类型、产出阶段、产出通道及物理产出过程;(2)建立描述煤粉产生、运移、沉降、堵塞过程的渗流数学模型;(3)数学模型的求解及考虑煤粉影响的数值模拟实现方法。论文以建立描述煤粉颗粒产生、运移、沉降、堵塞过程的气-水-固渗流数学模型和实现考虑煤粉影响的数值模拟为目标,分析煤粉的来源、产出阶段、类型及产出通道和物理产出过程,设计建立数学模型所需开展的五种开发实验,探索考虑煤粉影响的数值模拟研究的实现方法,论文主要研究内容和成果如下:1.采用对比分析方法结合煤岩工业分析、显微组分分析、X射线衍射分析、压汞等技术手段,测得SZ区块煤层水分平均含量4.02%,灰分平均含量18.33%,矿物平均含量19.38%,矿物中粘土矿物平均含量68%,SZ区块平均孔隙度5.41%,大孔含量4.43%,裂缝系统极为发育,平均密度5-15条/cm,裂缝和大孔中部分被高岭石、伊利石充填,气井生产时易产生大量煤粉;2.根据气井产出煤粉粒径分析将煤粉产出阶段分为I、II、III三个阶段,不同产出煤粉阶段煤粉产生机理不同:第I阶段,剪切破坏占主导因素,第II产阶段以剪切破坏、拉伸破坏和粘结力破坏为主;第III阶段拉伸破坏和粘结破坏同时作用。通过室内岩心实验模拟分析可知煤粉运移通道主要为裂缝系统,煤粉产出量主要取决于排采强度;3.根据煤粉物理产出过程及煤层气生产特点分别建立了煤粉产生模型、地层水流速与煤粉流速关系模型、煤粉沉降模型,结合裂缝流动方程、基质流动方程、辅助方程;建立了可以描述煤层煤粉的剥蚀、启动、运移以及沉降过程的高阶煤层气-水-流固-静固流动数学模型,并设计了求解模型所必须开展的五种开发实验:最大携煤粉能力实验、地层水剥蚀煤粉实验、地层水与煤粉液的渗流物性差别实验、煤粉沉降对裂缝物性影响实验以及压裂缝中不同浓度煤粉液速敏实验;4.研制了煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪,设备由抽真空模块、岩心驱替模块、可视化岩心夹持模块、底水模块、围压模块、回压模块、计量模块、显微数码影像分析模块、温度及数据采集模块组成。采用研发的设备完成了最大携煤粉能力实验、地层水剥蚀煤粉实验、地层水与煤粉液渗流物性差别实验、煤粉沉降对裂缝物性影响实验以及压裂缝中不同浓度煤粉液速敏实验,运用回归分析方法获取渗流速度与最大携液能力关系式、不同可动煤粉浓度下煤粉流速和水流速之间关系式、驱替流速和剥蚀煤粉量关系式、裂缝填充度与煤样渗透率关系式、压裂缝内不同浓度煤粉液与临界流速关系式;5.建立了气-水-流固-静固渗流数学模型,并对所建立的数学模型求解,分析了产煤粉量、产气量和产水量之间的关系,结合实验得到的地层水流速、渗透率建立了地层水流速、渗透率、网格传导率之间等对应关系,以SZ区块X-47井为例开展考虑煤粉影响的数值模拟研究,验证了所建立模型的适用性和有效性。数值模拟研究结果表明:煤粉运移与沉降对气井的排采过程具有显著影响,排采制度需要在防止煤粉运移的基础上进行合理的煤粉排出,SZ区块存在考虑煤粉的适度排液强度,SZ区块最佳排液强度为5.5m3/day。