COMSOL模拟热流固耦合作用下的二氧化碳驱替甲烷研究：探索煤层变形、孔渗变化及气体产量动态分...

原创于 2025-12-16 19:00:00 发布 · 229 阅读

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COMSOL 模拟热流固耦合作用下二氧化碳驱替甲烷，研究驱替过程中煤层的变形，和孔渗变化，以及甲烷的产量，二氧化碳的封存量。含讲解视频。

COMSOL玩热流固耦合，模拟二氧化碳驱替甲烷的过程，这事听起来就带劲。煤层变形、孔隙率变化、甲烷产量和二氧化碳封存效果，一个模型全搞定。咱们直接上干货，手把手拆解建模过程中的骚操作。

先整几何模型。煤层通常用二维轴对称结构，半径50米厚度5米这种参数你懂的。材料属性这块要命——煤的弹性模量给个4.5GPa，泊松比0.3，渗透率初始值1e-12 m²起步。代码里这么写：

model.param.set('E_coal', '4.5e9[Pa]');
model.param.set('nu_coal', 0.3);
model.param.set('k0', '1e-12[m^2]');

别小看这几个参数，煤层的倔强全在这了。弹性模量要是给大了，煤层硬得跟钢板似的，后续变形就演了个寂寞。

耦合设置才是重头戏。固体力学模块里得勾选几何非线性，毕竟煤层可能发生大变形。达西流模块要开启变渗透率选项，这里骚操作来了——渗透率随体积应变动态变化：

k = k0 * (1 + alpha*epsilon_vol)^3

这行代码直接决定了孔隙和裂隙的相爱相杀。alpha取0.8这种经验值，体积应变epsilon_vol一变化，渗透率直接三次方暴增或暴跌。实测发现，当煤层被压缩超过3%时，渗透率能掉到初始值的1/10，跟踩了急刹车似的。

传热方程必须和流体耦合，毕竟注液态CO₂时温度场能差出20℃。边界条件设定注入井压力12MPa，生产井压差控制在2MPa以内。代码里用PDE模块自定义耦合项：

// 热流固耦合源项
source_T = -beta*T*d(u,t) + gamma*d(p,t);
model.equ('heat').set('source', source_T);

beta和gamma这两个耦合系数能把人折腾疯。建议先做参数扫描，从0.1到10取对数间隔，不然求解器分分钟给你摆烂。

求解器配置是翻车重灾区。建议先用瞬态求解器跑前5秒，步长0.1秒手动苟住，等非线性收敛了再切自动步长。内存分配至少给16GB，别问为什么，问就是血泪教训。收敛判据建议放宽到相对容差1e-4，不然算到地老天荒。

后处理阶段重点关注三个指标：煤层最大位移量、甲烷日产曲线、CO₂封存效率。用LiveLink搞个自动生成报告的脚本：

exportData = model.result().numerical().create("exportData");
exportData.set("data", "dset1");
exportData.set("filename", "自动报告.txt");
exportData.run();

这脚本能直接把关键数据怼进txt，省得每次手动画图。实测某案例中，注CO₂前30天甲烷产量飙升2倍，但60天后断崖式下跌——煤层被压得太实，渗透率崩了。

最后给工程党们划重点：注气压力千万别超过14MPa，不然煤层直接表演原地裂开。最佳封存效率出现在注气速度0.5kg/s附近，这个数值跟煤层初始渗透率强相关。配套视频里演示了怎么调参让模型不崩，手把手教你避开80%新手会踩的坑。