Simulation and Modeling of Underground Coal Gasification Using Porous Medium Approach
本研究提出了一种基于多孔介质方法的地下煤气化（UCG）数值模拟方法，用于模拟煤层中煤气化过程的热力学、化学动力学和流体流动行为。该方法借鉴油气藏模拟技术，使用商业热采数值模拟器（CMG-STARS）构建三维地质模型，模拟不同布井方式（如LVW、L-CRIP、P-CRIP）下的气化过程。研究通过小尺度实验（如燃烧管、热解、自气化）验证模型可靠性，并应用于阿尔伯塔Ardley煤层和比利时Thulin试验等大型案例，分析不同技术路径下的产气速率、合成气组成、空腔演化及温度分布等关键参数。该方法避免了传统CFD模型计算量大、难以扩展至矿场尺度的问题，为UCG工程设计与优化提供了可行的数值工具。
CMG软件应用情况
本研究全程使用 CMG-STARS（Steam, Thermal, and Advanced Processes Reservoir Simulator） 软件，主要应用包括：
- 建立三维热采模型，模拟煤层中固体燃料（煤、焦炭）与气体（O₂、H₂O、CO₂、H₂、CH₄等）之间的多相流动与反应；
- 模拟干燥、热解、氧化、气化等多个物理化学过程；
- 设置多井系统（垂直井、水平井、CRIP井型）及回退策略；
- 模拟不同地质条件（如低渗煤层、盖层、倾角）下的气化过程；
- 耦合地质力学模块，分析应力-渗透率变化对气化过程的影响；
- 对比不同UCG技术（LVW、L-CRIP、P-CRIP）的产气效果与空腔演化特征。
结论
- 多孔介质方法可有效模拟UCG过程，适用于矿场尺度三维建模，避免了CFD方法计算复杂、难以扩展的问题。
- 模型可合理预测合成气组成、产气速率、空腔形状与扩展趋势，与实验数据及现场试验结果吻合良好。
- 三种主流UCG技术中，P-CRIP与L-CRIP产气量相近，但P-CRIP合成气热值更高；LVW初期热值高，但后期热损失大。
- 对于低渗煤层（如Thulin试验），需引入压力-应力相关的渗透率模型（如地质力学耦合）以避免气体滞留与模型崩溃。
- 单步热解模型适用于大规模模拟，同时可通过实验数据拟合获取反应动力学参数。
- 建议未来工作中引入扩散、湍流、灰分熔融、热-力耦合等机制以提升模型精度。
作者单位
- 加拿大卡尔加里大学化学与石油工程系
