氣水兩相流實驗研究

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1、精品論文氣水兩相流實驗研究李義賢遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新（）E-mail：lee022@163.com摘要：煤層甲烷氣藏是一種壓力閉圈氣藏。煤層氣-水的滲流過程只是為研究其在煤層中吸附全過程的第一步，是開采煤層氣的重要環(huán)節(jié)。本文在前人的基礎(chǔ)上，對煤樣進(jìn)行氣-水兩相流的實驗研究，通過改變煤體壓力（圍壓、軸壓、孔隙壓）測得不同飽和度下的通過的氣體和水的流量以得出煤體的滲透率。通過實驗得出在圍壓、軸壓固定的情況下，單相流通過多孔介質(zhì)時符合的二次函數(shù)規(guī)律，并且滲透率隨著孔隙壓的增加而增加。本文的

2、重點將放在對煤樣施加不同圍壓時煤樣的滲透規(guī)律以及煤體的相對滲透規(guī)律的研究,分析其滲透規(guī)律，進(jìn)而了解煤體結(jié)構(gòu)特征，為搞清煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性和煤層氣（水）在煤層中流動機理奠定了基礎(chǔ)。為進(jìn)行煤層氣的開發(fā)、開采提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：軸壓；圍壓；孔隙壓；飽和度；滲流中圖分類號：TD1.引言煤層氣是賦存于煤層中的烴類氣體，是一種高效的潔凈能源，熱值和成分與天然氣相近，幾乎不含硫化物，是常規(guī)天然氣的重要接替能源。在世界范圍內(nèi)其儲量十分豐富，總儲量超過天然氣。目前，我國對天然氣需求的增長每年保持在15%以上，發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)

3、超過石油、煤炭。據(jù)預(yù)測，我國到2010年天然氣需求量將達(dá)到1000億立方米以上，2020年需求量將達(dá)到2000億立方米，而目前的天然氣儲量尚不能滿足要求，煤層氣將成為天然氣資源的必要補充。瓦斯的主要成分為甲烷，是一種具有強烈溫室效應(yīng)的氣體，其溫室效應(yīng)為二氧化碳的22倍。據(jù)測算，所有人類活動造成的溫室效應(yīng)中，20%是由甲烷引起的，而我國煤礦的甲烷占全球的35%以上，相當(dāng)于荷蘭全國所有溫室氣體的總排放量。長期以來煤層氣一直被作為煤礦生產(chǎn)的一種主要災(zāi)害來對待，直到20世紀(jì)70年代美國在黑勇士、圣胡安盆地煤田進(jìn)

4、行的煤層氣地面開發(fā)實驗的成功，才真正揭示了這一新型潔凈能源的潛在經(jīng)濟效益和廣闊前景。20余年來，從事煤層氣的勘探開發(fā)與科研活動的國家和地區(qū)將近30個，只有美國實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。我國煤層氣勘探開發(fā)起步較晚，從50年代開始，到70年代末，主要目的是為了減少煤礦瓦斯災(zāi)害而進(jìn)行的煤礦井下瓦斯抽放和利用。瓦斯、煤塵爆炸事故在煤礦重大惡性事故中一直占有很大比重，是煤礦安全生產(chǎn)的最大威脅。它直接造成大量人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。因此，煤炭部門一直把防治煤礦瓦斯災(zāi)害作為煤礦安全工作的重點[1]。煤層氣的開發(fā)利用具有一舉多得

5、的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效應(yīng)；有效減排溫室氣體，產(chǎn)生良好的環(huán)保效應(yīng)；作為一種高效、潔凈能源，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，在一定程度上改善我國的能源結(jié)構(gòu)。關(guān)于氣-水兩相流的相關(guān)報道大部分是關(guān)于石油開采的，而對于煤層中的氣-水兩相問題還很少有人研究，對此的相關(guān)報道也不多見，在高圍壓條件下的氣-水兩相問題的相關(guān)報道更是微乎其微。本文就是要通過實驗了解煤層氣（水）層的壓在高圍壓條件下的滲流規(guī)律，為我國煤層氣的開采做出微薄的貢獻(xiàn)。由國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，我們發(fā)現(xiàn)了許多問題和不足之處，本文的工作就是針對氣-水滲流問

6、題展開實驗，其主要內(nèi)容如下：1）低壓力（圍壓、軸壓、孔隙壓）條件下，依據(jù)實驗測得數(shù)據(jù)得出煤體的絕對滲透率-19-精品論文規(guī)律。2）在高壓力（圍壓、軸壓、孔隙壓）條件下，依據(jù)實驗測得數(shù)據(jù)得出煤體的絕對滲透率規(guī)律。3）將煤樣浸水飽和，在（1）（2）條件下，求出此時煤樣對原煤層氣的滲透率，求出相對滲透率，從而得出煤層氣的相對滲透率規(guī)律。4）運用matlab將數(shù)據(jù)擬合成二維曲線，在直觀上觀察絕對滲透率以及相對滲透率規(guī)律。2.氣-水兩相流實驗裝置及其滲透率2.1煤體滲透率的提出氣-水兩相流的根本就是研究氣-水在煤

7、層中的滲流過程，也就是所說的滲流和滲流。滲流是流體通過多孔介質(zhì)的流動，在本文中的多孔介質(zhì)就是煤體。滲流力學(xué)就是研究流體在多孔介質(zhì)中運動規(guī)律的科學(xué)。而滲流力學(xué)是流體力學(xué)的一個重要分支，是流體力學(xué)與多孔介質(zhì)理論、表面物理、物理化學(xué)以及生物學(xué)交叉滲透而發(fā)展起來的一門邊緣學(xué)科。滲流的特點：1）多孔介質(zhì)單位體積孔隙的表面積比較大，表面作用較明顯。2）在地下滲流中往往壓力較大，因而通常要考慮流體的壓縮性。3）孔道形狀復(fù)雜、阻力大、毛管力作用較普遍，有時還要考慮分子力。4）伴隨有復(fù)雜的物理化學(xué)過程。滲流力學(xué)是一門既有

8、較長歷史又年輕活躍的科學(xué)。從達(dá)西定律的出現(xiàn)已過去一個半世紀(jì)。20世紀(jì)石油工業(yè)的發(fā)展極大地推進(jìn)了滲流力學(xué)的發(fā)展。隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如高性能計算機的出現(xiàn)，核磁共振，CT掃描成像以及其它試驗方法用于滲流，又將滲流力學(xué)推進(jìn)了一步。近年來，隨著非線性力學(xué)的發(fā)展，更使?jié)B流力學(xué)的發(fā)展進(jìn)入一個新的階段[2]。2.2煤體滲透率煤層的低滲透率和不能形成煤層氣的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模是中國煤層氣工業(yè)發(fā)展的兩大技術(shù)障礙，而前者又是后者最為直接的原因。中國煤層氣開發(fā)的出