煤层气的特殊赋存方式使其总储量和生产历史的评价比常规天然气资源更不可预测,给勘探开发带来了独特的问题。以往关于煤层煤阶、压力条件、裂隙发育情况和矿物质含量等煤层气资源评价方面的研究已经提供了煤层气的基本认识,但是由于宏观尺度岩层构造、裂隙发育和煤岩组分等具有强非均质性的特点,许多研究的结论是相互矛盾的,并且许多特定盆地开发的相关经验关系很难普遍地应用到其他地方。而且在煤层气生产后期,产气量维持在一个较低的水平,但是通常可以持续相当长的时间,这主要是由于基质微孔隙中的气体扩散和解吸控制着后期产量,形成了产能曲线的尾端。煤层气的开采与煤岩的微观结构和渗流特性及甲烷吸附解吸规律密切相关,而宏观大尺度的技术和方法已经很难在上述问题中提供帮助。以往研究煤层气吸附行为的常规方法主要是基于等温吸附方程对煤粉颗粒或其切割样品进行实验测量。这些实验提供的最终结果是样品在不同温度和压力时的等温吸附曲线。煤岩样品的等温吸附曲线对储层评价和数值建模具有重要的参考价值,但等温数据只提供了静态的宏观信息,忽略了吸附-解吸的动态过程以及纳米孔隙表面的吸附细节。同时,由于煤岩中的孔隙孔径分布很广,气体在煤岩中的流动表现为黏性流、滑移流、过渡流和Knudsen扩散(自由分子流)多尺度流动过程。除了宏观连续的黏性流动行为外,气体滑移、扩散和解吸等微观渗流行为也是流动机制的重要部分。随着煤层气的生产开发,其流动机制也随着开采压力而改变,这就会导致排水降压过程中,煤层气的运移行为难以估计。在微、纳尺度针对煤的微介观结构特点对煤基质建模,可以得到更为普适的规律,为煤层气在储层中的运移规律提供解释,同时,深入地分析影响煤层气扩散-吸附过程和渗透率的关键因素,对合理地确定煤层气的开采模式、提高采收率具有重要意义,也可以为煤层气开采提供有效地指导。针对上述问题,本文基于格子-Boltzmann方法(LBM)直接针对煤岩基质建模,分别建立了孔隙尺度和表征单元体(REV)尺度的动态扩散-吸附及渗透率预测模型,以探讨微、纳米尺度煤层气动态扩散-吸附特征和渗透率变化规律。本文的研究工作主要从以下几个方面展开:(1)首先,介绍了格子-Boltzmann方程的基本原理;然后,分别介绍了格子-Boltzmann方法的几种基本模型,如标准LB模型、被动标量LB模型和REV尺度的LB模型,并以REV尺度的LB模型为例,用Chapman-Enskog技术对其进行了扩展,恢复了相应的广义Navier-Stokes方程;另外,还介绍了几种常用的边界处理格式,以及格子-Boltzmann方法计算的程序结构;最后,通过简单的实例分别示范了多孔介质复杂边界识别和处理方法,以及格子单位和物理单位之间的相互转换方法。(2)其次,建立了孔隙尺度煤层气多孔介质流动-扩散-吸附耦合的LB模型,该模型通过一个LB双分布函数分别控制流体黏性流动和扩散的演化过程,同时还考虑气体在煤岩有机质组分中的Knudsen扩散和动态吸附-解吸。首先通过两个经典案例验证了模型的正确性;然后利用3个无量纲数,即Re、Pe、Da,分别探讨了流体流速、气体在大孔隙/裂隙中的扩散速率、吸附速率常数对气体扩散-吸附过程的影响;另外,修正了基于Langmuir等温吸附理论的吸附层效应模型,使其更适用于考虑时间效应的吸附/解吸条件,得到了一个随局域气体吸附-解吸而自适应变化的动态扩散系数模型;利用自行开发的RCP多孔介质随机重构算法生成了孔隙尺度煤基质重构图像;并基于重构的煤基质图像分别探讨了不同Pe和Da、不同平均孔隙半径时,气体吸附对煤基质气体扩散性能的影响,同时将结果与基于Langmuir等温吸附理论的吸附层效应模型作了对比。结果表明,流体流速对孔隙尺度煤层气扩散-吸附过程的影响很小,可以忽略不计;气体扩散速率的大小影响气体扩散的波及范围,同时也控制着吸附过程,决定了吸附作用发生的位置和形式(是否均匀吸附)。吸附常数的量级决定了吸附作用的强度/速率,提高扩散系数和吸附常数能有效的增强气体的吸附速率,气体浓度-吸附量变化趋势越接近Langmuir等温吸附曲线。吸附过程中,固体颗粒内的气体扩散速率受大孔隙/裂隙中的气体扩散速率和基质吸附性能的控制,提高大孔隙中气体扩散速率或吸附速率能有效加速气体的吸附,但是,固体颗粒中的气体扩散性能将加速下降;吸附/解吸过程中,若不考虑微孔中气体的吸附层效应,扩散系数的预测可能是错误的。空间大小固定的煤基质,由于对气体的吸附量是有限的,时间足够充分的条件下,采用动态吸附-解吸模型得到的结果最终也将回归静态等温吸附方程的解析解,但是中间过程受扩散系数、吸附/解吸常数的影响,差异很大。由于煤岩通常是致密、低渗的,当气体扩散、吸附/解吸不充分时,直接采用静态常数会产生很大的误差。(3)然后,建立了考虑气-固动态吸附-解吸的REV尺度煤层气输运GLBM模型。该模型通过一个双分布LB方程分别控制广义LB广义Navier-Stokes方程和对流-扩散方程,气-固动态吸附-解吸过程的处理包含在一个源/汇项中。根据煤岩显微图像开发了一种固体基质、裂隙二值化算法,可以将二维扫描图像二值化并导入LBM中进行计算。分别基于规则分布基质模型和煤岩显微图像重构模型分析了比表面积、孔隙率和煤岩吸附性能对吸附过程的影响。结果表明,随着比表面积和裂隙孔隙率的增加,或基质尺寸的减小,吸附的效果增强。由于吸附速率随饱和吸附容量与吸附量之差的增加而增加,饱和吸附量对吸附过程的作用随着比表面积和裂隙孔隙率的增加而减小,或随基质尺寸的减小而增加,而兰氏压力呈现的趋势刚好相反。煤岩显微重构模型的模拟结果证实了甲烷-煤吸附受基质孔隙度/渗透率、Langmuir压力以及几何复杂度的影响。较高的基质孔隙度/渗透率或较低的Langmuir压力增大了吸附速率和相应的影响面积。扩散峰曲线的出现表明几何复杂程度,包括矩阵大小、形状和分布等在吸附-解吸过程中起着重要的作用。(4)最后,建立了一个黏性流、滑移流、过渡流和Knudsen扩散全耦合的REV尺度煤层气渗透率预测的GLBM模型。该模型还考虑了吸附层效应和表面吸附的作用,并采用权重因子自动调节黏性流动和Knudsen扩散对气体总流量的贡献。另外,根据煤岩基质中有机质、无机质组分和裂隙的形态和分布特征,开发了三组分多孔介质随机生成算法。开始计算之前,基于已发表文献中的实验数据验证了LB模型的正确性。结果表明,煤岩基质中的孔隙孔径大小是影响气体渗透性能的关键因素。Knudsen扩散、表面扩散和吸附层效应的作用随孔径的增大而越小,在大孔中都可以忽略不计;在纳米孔隙中,Knudsen扩散和表面扩散是主要的流动机制,而吸附层的存在会削弱Knudsen扩散和表面扩散对气体总流量的贡献;当平均孔径小于1Onm时,如果忽略Knudsen扩散或表面扩散的影响,渗透率将会被严重的低估。储层压力对气体在煤层中的渗透率的作用显著,渗透率是储层压力的函数。Knudsen扩散和表面扩散在压力较低时对总流量的贡献更大,在储层压力较低时,IOM中的气体的运移主要由Knudsen扩散控制;而在OM中Knudsen扩散和表面扩散同时于物质传递机制中占主导地位。无机质组分由于孔径分布范围广,介孔、大孔分布相对较多,对气体通过能力的贡献较大。煤基质本身渗透率极低,裂隙对煤层中的气体渗透性能提升的贡献非常大;而且裂隙分支越多(分形维数越大,体积分数越大),渗透率越大,能有效的提高气体的流量,在煤层气开发过程中采用水力压裂等储层激励技术是很有必要的。