[发明专利]一种煤层瓦斯压力和渗透率同步反演方法

权利要求书

1.一种煤层瓦斯压力和渗透率同步反演方法，其特征在于，在井下施工钻孔并封孔，测试孔口瓦斯流量，构建双重孔隙/双重渗透率气固耦合数学模型，并通过试验确定双重孔隙/双重渗透率气固耦合数学模型的参数，生成地质模拟几何模型结合地质模拟几何模型的边界条件计算得出对应钻孔瓦斯流量的模拟值，利用钻孔瓦斯流量的实测值和模拟值构建目标函数，通过代理优化算法反演得出煤层原始瓦斯压力和渗透率；

具体步骤如下：

a.在目标煤层施工测试钻孔，钻孔施工完成后对钻孔进行密封，通过孔口流量计测试不同时间的钻孔瓦斯流量值；

b.构建双重孔隙/双重渗透率气固耦合数学模型，并基于实验室和现场试验，确定双重孔隙/双重渗透率气固耦合数学模型的所有参数；

c.根据钻孔布置和钻孔周围煤岩层赋存情况，建立目标煤层相应的地质模拟几何模型并确定地质模拟几何模型的边界条件；

d.将目标煤层原始瓦斯压力和渗透率作为输入变量，并根据上述双重孔隙/双重渗透率气固耦合数学模型、双重孔隙/双重渗透率气固耦合数学模型参数、地质模拟几何模型及地质模拟几何模型边界条件，调用COMSOL Multiphysics with MATLAB软件中的固体力学和达西定律模块仿真计算出对应钻孔瓦斯流量的模拟值；

e.根据钻孔瓦斯流量实测值和模拟值构建目标函数，给定优化参数约束条件和优化停止条件，调用COMSOL Multiphysics with MATLAB软件中的代理优化求解器反演得出煤层原始瓦斯压力和渗透率；

f.根据煤层原始瓦斯压力以及现场采集到的信息：煤层孔隙率、煤层密度、煤层温度和煤体吸附常数，进一步计算出煤层瓦斯含量，根据煤层原始瓦斯压力、煤层瓦斯含量预测出地质模拟几何模型范围内煤层的突出危险性。

2.根据权利要求1所述煤层瓦斯压力和渗透率同步反演方法，其特征在于，对目标煤层施工的顺层钻孔或穿层钻孔，需要保证施工时钻孔50m范围内的煤层无地质构造、含水层、溶洞，且不受采动、瓦斯抽放及其它人为卸压的影响，顺层钻孔长度大于50m，且钻孔密封后钻孔前端保留1-2m的气室。

3.根据权利要求1所述煤层瓦斯压力和渗透率同步反演方法，其特征在于，所述的双重孔隙/双重渗透率气固耦合数学模型为：

将煤视为包含裂隙和基质的双重孔隙介质，煤体的变形为弹性小变形，且服从广义胡克定律，瓦斯为理想气体且以游离态和吸附态同时赋存于裂隙和基质中，钻孔施工后，裂隙中的大部分瓦斯和基质中的少部分瓦斯均以渗流的形式进入钻孔，其余瓦斯以扩散的形式在裂隙和基质间流动，其数学表达式如下：

式中，E为煤体弹性模量，MPa；v为煤体泊松比；u_i,jj和u_j,ji为煤体位移的张量形式，其中第一个下标分别表示i和j方向上的位移分量u_i和u_j，第二个下标分别表示u_i和u_j在j方向上的偏导数u_i,j和u_j,j，第三个下标分别表示u_i,j和u_j,j在j和i方向上的偏导数；α_m和α_f分别为基质和裂隙的比奥系数，α_m＝K/K_m-K/K_s，α_f＝1-K/K_m；K、K_m和K_s分别为煤体、煤基质和煤骨架的体积模量，MPa；p_m,i和p_f,i分别为基质瓦斯压力p_m和裂隙瓦斯压力p_f在i方向上的偏导数，MPa；e_L为朗格缪尔应变常数；P_L为朗格缪尔压力常数，MPa；f_i为i方向上的体积力分量，MPa；φ_m和φ_f分别为基质和裂隙的孔隙率；ρ_ga为标准状态下的瓦斯密度，kg/m³；ρ_c为煤体密度，kg/m³；V_L为朗格缪尔体积常数，m³/kg；R为理想气体常数，J/(mol·K)；T为煤体温度，K；M_g为瓦斯摩尔质量，kg/mol；为哈密顿算子；μ为瓦斯动力粘度，Pa·s；k_m和k_f分别为基质和裂隙的渗透率，mD；D_f0、D_a0为初始扩散系数，m²/s；D_r为残余扩散系数，m²/s；λ_f和λ_a为衰减系数，s^-1；L_m为基质间距，m；φ_m0和φ_f0分别为基质和裂隙的初始孔隙率；为平均应力，MPa；为初始平均应力，MPa；p₀为煤层原始瓦斯压力，MPa；f₁和f₂为吸附系数；ξ为无量纲系数，其表示基质初始渗透率与煤层原始渗透率的比值；k₀为煤层原始渗透率，mD。