煤层气热力开采的气水两相流动机理研究

摘要

煤层气作为与煤伴生、共生的气体资源，以其清洁、热值高、开发利用前景广阔的特点，已经成为非常规天然气勘探开发的重点。我国煤层气形成的地质条件和赋存环境条件复杂，其开发受到地应力、含压地下水及温度等多场耦合作用。本文以煤层气热力开采为背景，采用实验与模拟相结合的方法，对煤体常温及高温应力作用下气水两相渗流规律做了研究，本文的主要研究内容及结果如下:
　　1)从煤层气产出机理出发，分析了煤层气的开采是气体“解吸-扩散-渗流”的运动过程。根据汽化和凝聚的动力学平衡原理、Fick定律、Darcy定律，得到了煤层气气水两相渗流模拟的数值模型。在一般的求解过程中，根据不同情况对毛细管力及重力进行分析，得到了简化的渗流微分方程。
　　2)采用自行研制的气水两相高精度渗透系统，进行了大量非稳态气水两相渗流实验，结果表明:非稳态全过程包含三个阶段，即水渗流阶段、气水混合阶段、含束缚水的气体渗流阶段，并得到了各阶段的渗流特性。煤体含水饱和度降低到0.5以下会发生“突变”，随后含水饱和度急剧减小，只存在气体渗流区域，该饱和度的变化可对产气进行预测。
　　3)进行了不同应力条件下的单相渗流及非稳态两相渗流实验，结果表明:在同一轴压σ1、围压σ2（σ1＞σ2）条件下，增加孔隙压P1，气、水渗透率均随之非线性增加，孔隙压持续增大会有渗透率突增情况，且在相对低应力下，孔隙压对渗透率的作用更明显。
　　对比注气前后水相渗透率可以看出:气相的存在不同程度增加了水的渗流阻力，且气体驱替压力越高，阻力越大，渗透率的差值越大。
　　煤体相对渗透率的曲线形态特征为:随含气饱和度增大，气相相对渗透率曲线会急剧上升，液相相对渗透率则在较低值范围内缓慢减小，在气体突破后很快下降到零，煤样有较高的束缚水饱和度。
　　4)煤试样在17种压力组合实验过程中，水测渗透率与气测渗透率均随有效应力的增加而减小，在相对较低有效应力范围内(小于4～5MPa)，渗透率减小幅度较大。随着有效应力增加，后期渗透率变化幅度则较小。无论是选择水相作为流体还是气相作为流体，对试样进行的渗透率测量经归一化处理后，结果趋势一致。对实验数据数学拟合表明，煤体归一化渗透率与有效应力之间具有良好的幂函数关系。相比于常温下有效应力与渗透率关系曲线，加热后的曲线下降更加平缓，经过热作用后的煤应力敏感性下降，在煤层气热力开采过程中，煤应力敏感性下降会使排水产气过程更加平缓，避免了传统降压开采中遇到的气体突然大量产出的情况。
　　5)采用气水两相渗透装置及控温试验台，进行了30℃～180℃范围内等温度间隔变化的煤体单相渗透实验及非稳态气水两相渗流实验。研究了在温度的影响下，两相流动过程的变化规律及流体渗流的特性。随温度的增加，各压力下产液量均为增加的趋势。产量增加在高温阶段(120℃以后)，增幅更为明显。说明温度120℃～180℃范围内，温度越高，煤体孔隙裂隙连通性更好，同时，水分子在高温下所获的热能越大，越有利于煤体中液体产出，束缚水饱和度变小。相反，在相同温度条件下，增加围压轴压使有效应力改变，煤体内部的孔隙裂隙被压缩，部分液体无法被排出，束缚水增多，产水量减少。
　　6)在温度作用下非稳态两相渗流全过程的三个阶段变化为:第一阶段以产水为主的液体线性渗流阶段，随温度升高，液体产量占总产液量百分比缓慢减小，温度高于120℃后变化幅度加大;第二阶段气水混合流动阶段，液体流速急速线性增加，气体流速平稳加快。随温度升高，该阶段液体产量占总产液量百分比逐渐减小，温度高于90℃后减小幅度更大。第三阶段束缚水下的气体渗流，该阶段受温度影响比较明显，液体产量占总产液量百分比提升较大。温度低于60℃该阶段液体产量仅占总产液量10％左右，产液量以第一、二阶段为主。当温度达到150℃左右，该阶段百分比达到50％左右，比例均超过了一、二阶段。
　　7)温度在30℃到180℃的变化范围内，渗透率变化分为两个阶段:相对低温段（30℃至120℃），该阶段温度对流体影响占主导，对比气、水相渗透率，在该温度变化阶段，液体粘度变化显著，减小幅度较大，而气体粘度略有增加，渗透率测量结果与粘度的变化趋势一致。高温段(120℃至180℃)，温度对多孔介质结构的改变成为主要影响因素，在此温度变化范围，液体、气体粘度变化均较平缓，而渗透率的变化却有大幅度的提高，说明受高温影响，煤样的孔隙裂隙发生了较大变化，渗流通道比低温段连通性更好，有利于流体的流动。
　　同时，随着温度的升高，束缚水饱和度减小，气水两相渗流区变宽，水相相对渗透率随含水饱和度的降低而减小趋势变缓，温度越高，对气水两相相对渗透率曲线的影响逐渐减小。
　　为客观地反映由于温度变化而引起的压降变化，提出了温度敏感性系数，该系数与温度较好的服从对数函数关系。
　　8)采用欧拉观点和拉格朗日观点，对气水流动界面进行分析，将拟压力函数(p)=2∫PP0p/μgZdp引入两相渗流方程。对压力函数分为三种情况讨论:①p/μgZ为常数时，(p)g=pg;②μgZ为常数时，(p)g=pg2;③μgZ为压力p的一次线性函数时，(p)g=2∫pgg0p/ap+bdp。由此得到气水两相流动界面的不考虑压缩性驱替模型、考虑压缩性驱替模型及拟压力线性函数方程驱替模型。对三种模型的渗流方程及边界条件进行了详细推导，获得流体流量与位置函数的关系式。用Matlab软件分别对三种模型进行了求解计算，选取相同应力条件下的实验参数，得到了累计产出水量随时间变化曲线及不同时间下的气水流动界面位置。对比了三种模型的实验结果和误差，得到了三种模型的适用性。为实际工程中排水预测产气提供了较为可靠的模型选择依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 煤层气开采现状

1．2．2 煤层气气水两相渗透研究现状

1．2．3 温度-应力作用下煤体渗透性研究现状

1．2．4 煤体两相流动界面研究现状

1．3 煤层气热力开采气水两相研究存在的不足

1．4 本文的研究内容

第二章 煤体气水两相渗透机理

2．1 煤层气产出机理

2．1．1 煤层气产出过程

2．1．2 煤层气输运的数学模型

2．2 不计重力及毛管力的两相渗流机理

2．3 毛细管力作用下的两相渗流机理

2．4 重力作用下的两相渗流机理

2．5 本章小结

第三章 煤体非稳态气水两相流动全过程规律研究

3．1 气水两相渗流实验系统研制

3．1．1 实验系统研制

3．1．2 实验样品

3．1．3 非稳态气水两相实验过程

3．2 非稳态气水两相流动全过程

3．3 应力作用下的气水两相渗流

3．3．1 应力对单相流体渗流的影响

3．3．2 应力对气水两相相对渗透率的影响

3．4 气体在两相渗流中的作用分析

3．5 气水两相渗流应力敏感性分析

3．6 本章小结

第四章 温度应力作用下煤体气水两相流动规律研究

4．1 实验系统研制及实验过程

4．2 温度对气水两相渗流全过程的作用规律

4．2．1 温度对水渗流阶段的增产作用

4．2．2 温度对气水两相各阶段渗流特性的影响

4．3 温度作用下的气水两相流体渗流规律

4．3．1 温度对单相流体渗流特性影响

4．3．2 温度对两相相对渗透率的影响

4．4 温度作用下煤体应力敏感性变化规律

4．5 气水两相产出过程温度敏感性分析

4．6 本章小结

第五章 煤层气气水两相流动界面模型及渗流实验研究

5．1 气水两相流动界面理论研究

5．2 气水两相流动界面模型研究

5．2．1 不计压缩性两相驱替界面模型

5．2．2 压缩性两相驱替界面模型

5．2．3 拟压力函数方程两相驱替界面模型

5．3 气水两相流动界面模型数值结果

5．3．1 不计压缩性两相驱替界面模型数值模拟

5．3．2 压缩性两相驱替界面模型数值模拟

5．3．3 拟压力函数方程驱替界面模型数值模拟

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研项目