裂縫中氣液二相流體臨界滲流機(jī)理與理論研究.pdf

1、在石油天然氣開采、煤層氣開發(fā)及煤礦瓦斯抽放等工程領(lǐng)域中，都存在著裂縫中氣液二相流體滲流的問題。氣液二相流體的相對(duì)滲透率決定著油氣、煤層氣、瓦斯等資源的采收率。本文在進(jìn)行低滲透煤層裂縫滲透特性實(shí)驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣液相對(duì)飽和度達(dá)到某一臨界值時(shí)，氣液二相流體的相對(duì)滲透率都會(huì)迅速下降，甚至發(fā)生二相流體的流動(dòng)都停止的現(xiàn)象。本文稱這種現(xiàn)象為氣液二相流體在裂縫中滲流的臨界滲流現(xiàn)象。為了揭示這種奇特現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，采用了理論推演、數(shù)值實(shí)驗(yàn)、物理模擬、

2、實(shí)驗(yàn)室?guī)r石裂縫滲流試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)工程數(shù)據(jù)分析等手段，對(duì)裂縫中氣液二相流體臨界滲流的機(jī)理與理論進(jìn)行了全面的、詳細(xì)的研究，取得了如下主要成果和結(jié)論： 1.通過對(duì)氣體、液體以及氣液二相流體各自在裂縫中的滲流規(guī)律，進(jìn)行詳細(xì)的理論分析和推演，建立了裂縫中氣液二相流體滲流的混合數(shù)學(xué)模型，該模型主要包括五個(gè)控制方程；連續(xù)性方程：div(ρw→qw+ρg→qg)+a(ρwSw+ρgSg)/at+I=0氣體裂縫滲流達(dá)西定律：qg=-b2/12μgSg

3、ap/as液體裂縫滲流達(dá)西定律：qw=-b2/12μwSwap/as氣液二相流體相對(duì)飽和度方程：Sg=P0Sg0/P(1-Sg0)+P0Sg0Sw=1-Sg理想氣體狀態(tài)方程：ρg=pM以上五個(gè)方程加上適當(dāng)?shù)亩ń鈼l件，構(gòu)成了裂縫中氣液二相流體混合滲流的數(shù)學(xué)模型。將上述五個(gè)方程合并，得到裂縫中氣液二相流體混合滲流最終的控制方程為： (ρwb2/24μw(1-Sg0)/P(1-Sg0)+P0Sg0+M/RTb2/24μgP0Sg0/P

4、(1-Sg0)+P0Sg0(a2p2/ar2+a2p2/ay2)=(M/RTPρw)a/at(P0Sg0/P(1-Sg0)+P0Sg0+M/RTP0S0/P(1-Sg0)+P0Sg0ap/at2.研究了上述數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解法，推導(dǎo)了各相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法，應(yīng)用Fortran語(yǔ)言編制了裂縫中氣液二相流體滲流的有限元數(shù)值分析程序。 3.通過大量數(shù)值實(shí)驗(yàn)，證明了臨界滲流現(xiàn)象存在的客觀性，同時(shí)確定臨界滲流現(xiàn)象在氣體相對(duì)飽和度為44～70％

5、的范圍內(nèi)都可能出現(xiàn)，但出現(xiàn)臨界滲流現(xiàn)象大于0.8的最大概率范圍在氣體相對(duì)飽和度為47-65％之間，在氣體飽和度在57％～60％的范圍內(nèi)，則出現(xiàn)臨界滲流現(xiàn)象的概率為1。臨界滲流現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理是由于氣體和液體滲流特性的巨大差別和氣體具有很大的可壓縮性造成的。當(dāng)氣液二相流體在裂縫中滲流時(shí)，如果氣體相對(duì)飽和度值在出現(xiàn)臨界滲流現(xiàn)象的飽和度之外，雖然兩種流體的存在會(huì)在一定程度上影響每一相流體的流動(dòng)，但此時(shí)兩種流體整體的流動(dòng)仍然是有序的。如果氣體相對(duì)

6、飽和度進(jìn)入臨界滲流相對(duì)飽和度范圍內(nèi)時(shí)，二相流體的流動(dòng)形態(tài)將發(fā)生完全的改變，流體的流動(dòng)將變的雜亂無章而進(jìn)入混沌狀態(tài)，氣體和液體互相交錯(cuò)分布，使二相流體的流動(dòng)方向變得雜亂無章，大量流體前進(jìn)所需的能量喪失，導(dǎo)致流動(dòng)停止，出現(xiàn)臨界滲流現(xiàn)象。 4.通過大量氣液二相流體在裂縫中滲流的模擬實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了裂縫中氣液二相流體臨界滲流現(xiàn)象存在的客觀性。臨界滲流現(xiàn)象的出現(xiàn)主要受氣液二相流體相對(duì)飽和度的控制，通過調(diào)節(jié)氣液二相流體的相對(duì)飽和度，可以控制氣液

7、二相流體臨界滲流現(xiàn)象是否出現(xiàn)。在光滑裂縫實(shí)驗(yàn)中，氣體相對(duì)飽和度為49.12～63.47％的范圍內(nèi)，均不同概率地出現(xiàn)了氣液二相流體臨界滲流現(xiàn)象，與理論分析十分吻合。通過對(duì)臨界滲流現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，流體細(xì)觀分布形態(tài)的觀察分析，證實(shí)了理論分析和數(shù)值實(shí)驗(yàn)對(duì)臨界滲流現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理的判斷，觀察到大量臨界滲流現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，氣液二相流體在裂縫中的雜亂無章的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及分布形態(tài)。 5.通過對(duì)大量煤體裂縫中氣液二相流體滲流規(guī)律的研究，證明巖石裂縫中氣液二相流體

8、的滲流，同樣存在著臨界滲流現(xiàn)象。 6.大量巖石裂縫中氣液二相流體滲流的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，氣體相對(duì)飽和度對(duì)滲流的影響，存在一臨界值Sgc，當(dāng)Sg＞Sgc時(shí)，氣液二相流體復(fù)合滲透系數(shù)按(Sg-Sgc)2的指數(shù)規(guī)律變化，其函數(shù)表達(dá)式為expα(sg-sgc)2]，當(dāng)Sg＜Sgc時(shí)，氣液二相流體復(fù)合滲透系數(shù)按(Sg-Sgc)的指數(shù)規(guī)律變化，其函數(shù)表達(dá)式為exp[α(sgc-sg)]，其氣體臨界相對(duì)飽和度Sgc=59.275％。 7.巖石

9、裂縫中氣液二相流體的滲流規(guī)律，除了受氣液相對(duì)飽和度的影響外，還要受應(yīng)力狀態(tài)，裂縫連通特征等因素的綜合影響。在綜合考慮上述影響因素時(shí)，巖石裂縫中氣液二相流體的滲透系數(shù)具有如下形式：kf=g/12νd20P-ηS2gexp{-2[σ1+σ3)-βp]/kn+af(Sg)} 8.通過對(duì)某一煤層氣資源開采時(shí)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的氣體資源開采過程中，氣液二相流體的臨界滲流現(xiàn)象同樣存在，其臨界滲流出現(xiàn)的氣體相對(duì)飽和度范圍是43

10、.9-60.0％。這提示我們要想得到最大的氣體資源回收率，必須設(shè)法控制氣體和液體的排量，使它們之間的相對(duì)飽和度范圍遠(yuǎn)離臨界滲流現(xiàn)象出現(xiàn)的相對(duì)飽和度范圍。 本論文通過大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)裂縫中氣液二相流體的臨界滲流的機(jī)理與理論進(jìn)行了全面深入的研究，揭示了臨界滲流這一新的科學(xué)現(xiàn)象，揭示了裂縫中氣液二相流體臨界滲流現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理。為提高各種氣體資源的回采率的技術(shù)方案的確定提供了重要的理論基礎(chǔ)，因此本研究具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊