裂縫中氣液二相流體臨界滲流機理與理論研究.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滲透率決定著油氣、煤層氣、瓦斯等資源的采收率。本文在進行低滲透煤層裂縫滲透特性實驗的過程中，發(fā)現(xiàn)當氣液相對飽和度達到某一臨界值時，氣液二相流體的相對滲透率都會迅速下降，甚至發(fā)生二相流體的流動都停止的現(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)生的機理，采用了理論推演、數(shù)值實驗、物理模擬、

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

3、ap/as液體裂縫滲流達西定律：qw=-b2/12μwSwap/as氣液二相流體相對飽和度方程：Sg=P0Sg0/P(1-Sg0)+P0Sg0Sw=1-Sg理想氣體狀態(tài)方程：ρg=pM以上五個方程加上適當?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)學模型。將上述五個方程合并，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)學模型的數(shù)值解法，推導了各相關(guān)參數(shù)的計算方法，應用Fortran語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)值實驗，證明了臨界滲流現(xiàn)象存在的客觀性，同時確定臨界滲流現(xiàn)象在氣體相對飽和度為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。當氣液二相流體在裂縫中滲流時，如果氣體相對飽和度值在出現(xiàn)臨界滲流現(xiàn)象的飽和度之外，雖然兩種流體的存在會在一定程度上影響每一相流體的流動，但此時兩種流體整體的流動仍然是有序的。如果氣體相對

6、飽和度進入臨界滲流相對飽和度范圍內(nèi)時，二相流體的流動形態(tài)將發(fā)生完全的改變，流體的流動將變的雜亂無章而進入混沌狀態(tài)，氣體和液體互相交錯分布，使二相流體的流動方向變得雜亂無章，大量流體前進所需的能量喪失，導致流動停止，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驗，證實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飽和度的控制，通過調(diào)節(jié)氣液二相流體的相對飽和度，可以控制氣液

7、二相流體臨界滲流現(xiàn)象是否出現(xiàn)。在光滑裂縫實驗中，氣體相對飽和度為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。通過對臨界滲流現(xiàn)象出現(xiàn)時，流體細觀分布形態(tài)的觀察分析，證實了理論分析和數(shù)值實驗對臨界滲流現(xiàn)象產(chǎn)生機理的判斷，觀察到大量臨界滲流現(xiàn)象出現(xiàn)時，氣液二相流體在裂縫中的雜亂無章的運動形態(tài)及分布形態(tài)。 5.通過對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驗證實，氣體相對飽和度對滲流的影響，存在一臨界值Sgc，當Sg＞Sgc時，氣液二相流體復合滲透系數(shù)按(Sg-Sgc)2的指數(shù)規(guī)律變化，其函數(shù)表達式為expα(sg-sgc)2]，當Sg＜Sgc時，氣液二相流體復合滲透系數(shù)按(Sg-Sgc)的指數(shù)規(guī)律變化，其函數(shù)表達式為exp[α(sgc-sg)]，其氣體臨界相對飽和度Sgc=59.275％。 7.巖石

9、裂縫中氣液二相流體的滲流規(guī)律，除了受氣液相對飽和度的影響外，還要受應力狀態(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，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.通過對某一煤層氣資源開采時的測井數(shù)據(jù)進行分析研究，發(fā)現(xiàn)在實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，使它們之間的相對飽和度范圍遠離臨界滲流現(xiàn)象出現(xiàn)的相對飽和度范圍。 本論文通過大量的理論分析和實驗研究，對裂縫中氣液二相流體的臨界滲流的機理與理論進行了全面深入的研究，揭示了臨界滲流這一新的科學現(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價值和廣闊