煤層氣熱力開采的氣水兩相流動(dòng)機(jī)理研究.pdf

1、煤層氣作為與煤伴生、共生的氣體資源，以其清潔、熱值高、開發(fā)利用前景廣闊的特點(diǎn)，已經(jīng)成為非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)。我國煤層氣形成的地質(zhì)條件和賦存環(huán)境條件復(fù)雜，其開發(fā)受到地應(yīng)力、含壓地下水及溫度等多場耦合作用。本文以煤層氣熱力開采為背景，采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法，對(duì)煤體常溫及高溫應(yīng)力作用下氣水兩相滲流規(guī)律做了研究，本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　1)從煤層氣產(chǎn)出機(jī)理出發(fā)，分析了煤層氣的開采是氣體“解吸-擴(kuò)散-滲流”的運(yùn)動(dòng)過程。

2、根據(jù)汽化和凝聚的動(dòng)力學(xué)平衡原理、Fick定律、Darcy定律，得到了煤層氣氣水兩相滲流模擬的數(shù)值模型。在一般的求解過程中，根據(jù)不同情況對(duì)毛細(xì)管力及重力進(jìn)行分析，得到了簡化的滲流微分方程。
　　2)采用自行研制的氣水兩相高精度滲透系統(tǒng)，進(jìn)行了大量非穩(wěn)態(tài)氣水兩相滲流實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:非穩(wěn)態(tài)全過程包含三個(gè)階段，即水滲流階段、氣水混合階段、含束縛水的氣體滲流階段，并得到了各階段的滲流特性。煤體含水飽和度降低到0.5以下會(huì)發(fā)生“突變”，隨后含

3、水飽和度急劇減小，只存在氣體滲流區(qū)域，該飽和度的變化可對(duì)產(chǎn)氣進(jìn)行預(yù)測。
　　3)進(jìn)行了不同應(yīng)力條件下的單相滲流及非穩(wěn)態(tài)兩相滲流實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:在同一軸壓σ1、圍壓σ2（σ1＞σ2）條件下，增加孔隙壓P1，氣、水滲透率均隨之非線性增加，孔隙壓持續(xù)增大會(huì)有滲透率突增情況，且在相對(duì)低應(yīng)力下，孔隙壓對(duì)滲透率的作用更明顯。
　　對(duì)比注氣前后水相滲透率可以看出:氣相的存在不同程度增加了水的滲流阻力，且氣體驅(qū)替壓力越高，阻力越大，滲透率的

4、差值越大。
　　煤體相對(duì)滲透率的曲線形態(tài)特征為:隨含氣飽和度增大，氣相相對(duì)滲透率曲線會(huì)急劇上升，液相相對(duì)滲透率則在較低值范圍內(nèi)緩慢減小，在氣體突破后很快下降到零，煤樣有較高的束縛水飽和度。
　　4)煤試樣在17種壓力組合實(shí)驗(yàn)過程中，水測滲透率與氣測滲透率均隨有效應(yīng)力的增加而減小，在相對(duì)較低有效應(yīng)力范圍內(nèi)(小于4～5MPa)，滲透率減小幅度較大。隨著有效應(yīng)力增加，后期滲透率變化幅度則較小。無論是選擇水相作為流體還是氣相作為流體

5、，對(duì)試樣進(jìn)行的滲透率測量經(jīng)歸一化處理后，結(jié)果趨勢一致。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)擬合表明，煤體歸一化滲透率與有效應(yīng)力之間具有良好的冪函數(shù)關(guān)系。相比于常溫下有效應(yīng)力與滲透率關(guān)系曲線，加熱后的曲線下降更加平緩，經(jīng)過熱作用后的煤應(yīng)力敏感性下降，在煤層氣熱力開采過程中，煤應(yīng)力敏感性下降會(huì)使排水產(chǎn)氣過程更加平緩，避免了傳統(tǒng)降壓開采中遇到的氣體突然大量產(chǎn)出的情況。
　　5)采用氣水兩相滲透裝置及控溫試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了30℃～180℃范圍內(nèi)等溫度間隔變化的煤體

6、單相滲透實(shí)驗(yàn)及非穩(wěn)態(tài)氣水兩相滲流實(shí)驗(yàn)。研究了在溫度的影響下，兩相流動(dòng)過程的變化規(guī)律及流體滲流的特性。隨溫度的增加，各壓力下產(chǎn)液量均為增加的趨勢。產(chǎn)量增加在高溫階段(120℃以后)，增幅更為明顯。說明溫度120℃～180℃范圍內(nèi)，溫度越高，煤體孔隙裂隙連通性更好，同時(shí)，水分子在高溫下所獲的熱能越大，越有利于煤體中液體產(chǎn)出，束縛水飽和度變小。相反，在相同溫度條件下，增加圍壓軸壓使有效應(yīng)力改變，煤體內(nèi)部的孔隙裂隙被壓縮，部分液體無法被排出，束

7、縛水增多，產(chǎn)水量減少。
　　6)在溫度作用下非穩(wěn)態(tài)兩相滲流全過程的三個(gè)階段變化為:第一階段以產(chǎn)水為主的液體線性滲流階段，隨溫度升高，液體產(chǎn)量占總產(chǎn)液量百分比緩慢減小，溫度高于120℃后變化幅度加大;第二階段氣水混合流動(dòng)階段，液體流速急速線性增加，氣體流速平穩(wěn)加快。隨溫度升高，該階段液體產(chǎn)量占總產(chǎn)液量百分比逐漸減小，溫度高于90℃后減小幅度更大。第三階段束縛水下的氣體滲流，該階段受溫度影響比較明顯，液體產(chǎn)量占總產(chǎn)液量百分比提升較大。

8、溫度低于60℃該階段液體產(chǎn)量僅占總產(chǎn)液量10％左右，產(chǎn)液量以第一、二階段為主。當(dāng)溫度達(dá)到150℃左右，該階段百分比達(dá)到50％左右，比例均超過了一、二階段。
　　7)溫度在30℃到180℃的變化范圍內(nèi)，滲透率變化分為兩個(gè)階段:相對(duì)低溫段（30℃至120℃），該階段溫度對(duì)流體影響占主導(dǎo)，對(duì)比氣、水相滲透率，在該溫度變化階段，液體粘度變化顯著，減小幅度較大，而氣體粘度略有增加，滲透率測量結(jié)果與粘度的變化趨勢一致。高溫段(120℃至180

9、℃)，溫度對(duì)多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變成為主要影響因素，在此溫度變化范圍，液體、氣體粘度變化均較平緩，而滲透率的變化卻有大幅度的提高，說明受高溫影響，煤樣的孔隙裂隙發(fā)生了較大變化，滲流通道比低溫段連通性更好，有利于流體的流動(dòng)。
　　同時(shí)，隨著溫度的升高，束縛水飽和度減小，氣水兩相滲流區(qū)變寬，水相相對(duì)滲透率隨含水飽和度的降低而減小趨勢變緩，溫度越高，對(duì)氣水兩相相對(duì)滲透率曲線的影響逐漸減小。
　　為客觀地反映由于溫度變化而引起的壓降變化

10、，提出了溫度敏感性系數(shù)，該系數(shù)與溫度較好的服從對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。
　　8)采用歐拉觀點(diǎn)和拉格朗日觀點(diǎn)，對(duì)氣水流動(dòng)界面進(jìn)行分析，將擬壓力函數(shù)(p)=2∫PP0p/μgZdp引入兩相滲流方程。對(duì)壓力函數(shù)分為三種情況討論:①p/μgZ為常數(shù)時(shí)，(p)g=pg;②μgZ為常數(shù)時(shí)，(p)g=pg2;③μgZ為壓力p的一次線性函數(shù)時(shí)，(p)g=2∫pgg0p/ap+bdp。由此得到氣水兩相流動(dòng)界面的不考慮壓縮性驅(qū)替模型、考慮壓縮性驅(qū)替模型及擬壓力