气水两相流实验研究

气水两相流实验研究李义贤辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新（123000）E-mail：lee022@摘要：煤层甲烷气藏是一种压力闭圈气藏。

煤层气-水的渗流过程只是为研究其在煤层中吸附全过程的第一步，是开采煤层气的重要环节。

本文在前人的基础上，对煤样进行气-水两相流的实验研究，通过改变煤体压力（围压、轴压、孔隙压）测得不同饱和度下的通过的气体和水的流量以得出煤体的渗透率。

通过实验得出在围压、轴压固定的情况下，单相流通过多孔介质时符合的二次函数规律，并且渗透率随着孔隙压的增加而增加。

本文的重点将放在对煤样施加不同围压时煤样的渗透规律以及煤体的相对渗透规律的研究,分析其渗透规律，进而了解煤体结构特征，为搞清煤体内部结构特性和煤层气（水）在煤层中流动机理奠定了基础。

为进行煤层气的开发、开采提供理论依据。

关键词：轴压；围压；孔隙压；饱和度；渗流中图分类号：TD1. 引言煤层气是赋存于煤层中的烃类气体，是一种高效的洁净能源，热值和成分与天然气相近，几乎不含硫化物，是常规天然气的重要接替能源。

在世界范围内其储量十分丰富，总储量超过天然气。

目前，我国对天然气需求的增长每年保持在15%以上，发展速度远远超过石油、煤炭。

据预测，我国到2010年天然气需求量将达到1000亿立方米以上，2020年需求量将达到2000亿立方米，而目前的天然气储量尚不能满足要求，煤层气将成为天然气资源的必要补充。

瓦斯的主要成分为甲烷，是一种具有强烈温室效应的气体，其温室效应为二氧化碳的22倍。

据测算，所有人类活动造成的温室效应中，20%是由甲烷引起的，而我国煤矿的甲烷占全球的35%以上，相当于荷兰全国所有温室气体的总排放量。

长期以来煤层气一直被作为煤矿生产的一种主要灾害来对待，直到20世纪70年代美国在黑勇士、圣胡安盆地煤田进行的煤层气地面开发实验的成功，才真正揭示了这一新型洁净能源的潜在经济效益和广阔前景。

20余年来，从事煤层气的勘探开发与科研活动的国家和地区将近30个，只有美国实现了产业化。

我国煤层气勘探开发起步较晚，从50年代开始，到70年代末，主要目的是为了减少煤矿瓦斯灾害而进行的煤矿井下瓦斯抽放和利用。

瓦斯、煤尘爆炸事故在煤矿重大恶性事故中一直占有很大比重，是煤矿安全生产的最大威胁。

它直接造成大量人员伤亡和巨大的经济损失。

因此，煤炭部门一直把防治煤矿瓦斯灾害作为煤矿安全工作的重点[1]。

煤层气的开发利用具有一举多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应；有效减排温室气体，产生良好的环保效应；作为一种高效、洁净能源，产生巨大的经济效益，在一定程度上改善我国的能源结构。

关于气-水两相流的相关报道大部分是关于石油开采的，而对于煤层中的气-水两相问题还很少有人研究，对此的相关报道也不多见，在高围压条件下的气-水两相问题的相关报道更是微乎其微。

本文就是要通过实验了解煤层气（水）层的压在高围压条件下的渗流规律，为我国煤层气的开采做出微薄的贡献。

由国内外研究现状，我们发现了许多问题和不足之处，本文的工作就是针对气-水渗流问题展开实验，其主要内容如下：1）低压力（围压、轴压、孔隙压）条件下，依据实验测得数据得出煤体的绝对渗透率规律。

2）在高压力（围压、轴压、孔隙压）条件下，依据实验测得数据得出煤体的绝对渗透率规律。

3）将煤样浸水饱和，在（1）（2）条件下，求出此时煤样对原煤层气的渗透率，求出相对渗透率，从而得出煤层气的相对渗透率规律。

4）运用matlab将数据拟合成二维曲线，在直观上观察绝对渗透率以及相对渗透率规律。

2. 气-水两相流实验装置及其渗透率2.1 煤体渗透率的提出气-水两相流的根本就是研究气-水在煤层中的渗流过程，也就是所说的渗流和渗流。

渗流是流体通过多孔介质的流动，在本文中的多孔介质就是煤体。

渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规律的科学。

而渗流力学是流体力学的一个重要分支，是流体力学与多孔介质理论、表面物理、物理化学以及生物学交叉渗透而发展起来的一门边缘学科。

渗流的特点：1）多孔介质单位体积孔隙的表面积比较大，表面作用较明显。

2）在地下渗流中往往压力较大，因而通常要考虑流体的压缩性。

3）孔道形状复杂、阻力大、毛管力作用较普遍，有时还要考虑分子力。

4）伴随有复杂的物理化学过程。

渗流力学是一门既有较长历史又年轻活跃的科学。

从达西定律的出现已过去一个半世纪。

20世纪石油工业的发展极大地推进了渗流力学的发展。

随着相关科学技术的发展，如高性能计算机的出现，核磁共振，CT扫描成像以及其它试验方法用于渗流，又将渗流力学推进了一步。

近年来，随着非线性力学的发展，更使渗流力学的发展进入一个新的阶段[2]。

2.2 煤体渗透率煤层的低渗透率和不能形成煤层气的工业生产规模是中国煤层气工业发展的两大技术障碍，而前者又是后者最为直接的原因。

中国煤层气开发的出路在于提高煤层渗透率。

所谓渗透率是岩层传导流体的能力。

从用法上讲，渗透率就是流体传导能力的术语。

它是多孔介质的性质之一，是对介质传导流体能力的量度。

因此渗透率的测量是对特定物质流体传递能力的测量。

它可通过采集的岩层样品或现场测量来确定。

有两种方法可用来测量岩芯的渗透率。

对含泥很少、相对均质的岩层最常用的方法是利用小圆柱体波姆塞样品。

第二种方法是利用外径为1-1.5英尺的岩芯样品。

两种方法中的流体为气体或任意不发生化学反应的流体有效渗透率是在多孔介质被多种流体饱和时，对单一流体相孔隙介质传导性的相对量度，一般是在实验室中对小体积岩芯样品直接测量得出的。

然而由于对于单一介质中流体饱和度有许多可能的组合，这一有效渗透率定义意味着介质对存在于其中的每一种流体有明显的和可测量的传导性。

因此实验室所获得的数据常常被归纳和陈述为相对渗透率的数据。

相对渗透率被定义为在一定的饱和度时流体的有效渗透率与流体在百分之百饱和时的有效渗透率的有效比值。

通常假设所有流体在百分之百饱和时有效渗透率是相等的，某一渗透率特指某一多孔介质的渗透率[3]。

煤层气藏气-水两相流渗流规律的研究是个复杂的问题，它涉及流体力学、多孔介质理论和岩石力学等多学科的理论渗透与交叉，为研究该问题，引入以下假设:1）认为煤层气藏是由低渗透、高储存能力的煤岩基质微孔系统和高渗透、低储存能力的煤岩基质裂隙宏观孔隙系统(相对微孔系统而言)构成的多孔介质组成；2）煤岩基质微孔系统通过缓慢的解吸过程向煤岩基质裂隙宏观孔隙系统提供煤层甲烷(解吸出的煤层甲烷对裂隙系统而言相当于连续源)；3）流体包括气、水两相，考虑气在水中的溶解，水组分是指地表标准条件下脱气后的液体，流体渗流为等温渗流且符合达西渗流定律；4）固体骨架和孔隙可压缩；5）多孔介质为弹性小变形，考虑毛管压力和重力影响[4]。

实验表明单相流通过多孔介质，沿孔隙通道呈层流时，符合达西线性渗流定律：V A pQ kL µ∆= （2-1）式中：——任一流体通过多孔介质时的体积流量；——试件两端压力差；A ——试件横断面积； ——试件的长度；k ——渗透率。

上式改写为：V Q Lk A p µ=∆ （2-2）达西定律中的比例常数k 称为渗透率。

渗透率的量纲为[L]2，通常采用2cm ，在工程上，常用达西作为单位。

达西单位是这样定义的：当流体的动力粘滞系数为s pa ⋅001.0，在一个大气压力即Pa 510013.1×这样大小的压力作用下，通过面积为21cm ，长度为cm 1岩样，流量为s cm /13时，岩样的渗透率为1达西。

由于L g k AQ ∆∆⋅−=φµρ （2-3） 所以1达西=9.86972cm 。

单相流体充满整个孔隙、流体不与煤发生任何物理反应时，测出的渗透率称为绝对渗透率。

对气体而言，在利用达西公式计算渗透率时，必须引入平均体积流，按气体状态方程：R Q p Q p Q p V V V ===221100 （2-4）式中:1p 、2p ——试件前后的气体压力；、 ——在1p 、2p 压力下气体体积流量； ——Pa 510013.1×； ——在0p 下气体体积流量；221p p p +=——平均压力；V Q p ∆L0V Q 0p 1V Q 2V Qp Q p Q V V 00=——在p 下气体体积流量。

则：)(2222100p p A LQ p k V −=µ （2-5）对煤储层而言，其渗透率主要取决于煤中的裂隙，在考虑基质孔隙有渗透率能力的前提下，用统计学和蒙特卡罗模拟法提出了预测裂隙孔隙度和渗透率的公式：ww KK K ′= （2-6） 对煤储层而言，其渗透率主要取决于煤中的裂隙，在考虑基质孔隙有渗透率能力的前提下，用统计学和蒙特卡罗模拟法提出了预测裂隙孔隙度和渗透率的公式：∑==ni si i f A W L 1φ （2-7）sini i f A WL k /1052.5414∑=×= （2-8）式中：fφ——裂隙孔隙度；i L 、i W ——第i 条裂隙的长度和宽度；n ——某样品或岩石中裂隙总数；s A ——样品或岩石的面积。

Cuexol 等也用裂隙宽度和长度来估算其渗透率：s L Ab k /3= （2-9）式中：b ——裂隙宽度，mm ；L ——长度，mm ；s ——面积，2mm ；A ——系数。

当一组裂隙平行层面时，61024.3−×=A ；当两组裂隙相互垂直或裂隙紊乱，61071.1−×=A ；当三组裂隙相互垂直时，61028.2−×=A 。

2.3 煤体绝对渗透率尽管绝对渗透率是煤岩体本身固有的属性，不应该受测试流体的影响，但实际测试中发现用不同流体测得的渗透率是不同的，尤其是煤岩，气渗透率与水渗透率会相差很大。

目前无论是在常规储层或是在煤储层的气-水相对渗透率测定中，绝对渗透率的确定还没有较为权威的规定，归结起来主要有四种绝对渗透率：1）用束缚水饱和度条件下的气渗透率作为绝对渗透率； 2）以单相气体渗透率作为绝对渗透率；3）将不同压力下的气体渗透率作克氏校正后获得的等价液体渗透率作为绝对渗透率； 4）分别测定气水单相流体的渗透率，作为相渗测定中相应流体的绝对渗透率。

以上四种绝对渗透率主要是针对常规储层而言的，目前还很少讨论煤储层绝对渗透率的确定方法。

美国阿莫克公司和岩心公司等实验室在进行煤岩气-水相对渗透率的测定中，是采用水的渗透率作为绝对渗透率。

但在实验过程中我们发现，用水的渗透率作为绝对渗透率常常会出项气相对渗透率1rg k >的现象，显然是不合理的。

同时，由于煤岩渗透率收围压影响很大，所以我们认为用相渗测定过程中储层温度和压力条件下的气体最大渗透率—束缚水饱和度下的气体渗透率作为绝对渗透率是较为合理和真实的。