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煤层气_水两相流渗透率测定实验研究

关 键 词:
煤层气 两相 渗透 测定 实验 研究
资源描述:
第 2 1 卷 第 2 期2 0 1 0 年 4 月水 资 源 与 水 工 程 学 报 21 2 ,20 10收 稿 日 期 :2010201227 ;   修 回 日 期 :2010202223基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (50874082) ; 国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 项 目 (10502023) ; 辽 宁 省 教 育 厅 高 等 学 校 科 技 计划 项 目 (2008274)作 者 简 介 :吕 祥 锋 (19822) ,男 ,河 北 广 宗 人 ,博 士 研 究 生 ,研 究 方 向 :气 - 水 两 相 流 渗 流 理 论 与 实 验 研 究 。煤 层 气 - 水 两 相 流 渗 透 率 测 定 实 验 研 究吕 祥 锋 1 , 潘 一 山 1 , 刘 建 军 2 , 李 忠 华 1 , 唐 巨 鹏 1(1. 辽 宁 工 程 技 术 大 学 力 学 与 工 程 学 院 , 辽 宁 阜 新 123000 ; 2. 西 南 石 油 大 学 建 筑 工 程 学 院 , 成 都 610500)摘   要 : 煤 的 绝 对 渗 透 率 、 气 - 水 相 对 渗 透 率 在 预 测 煤 层 气 开 采 中 甲 烷 和 水 的 产 率 是 极 为 必 要 的 参 数 。 以 晋 城 天地 王 坡 煤 矿 为 例 ,利 用 稳 态 法 测 定 煤 层 气 - 水 两 相 流 有 效 渗 透 率 及 束 缚 水 状 态 煤 岩 绝 对 渗 透 率 ,得 到 气 - 水 相 对渗 透 率 关 系 曲 线 及 有 效 应 力 与 气 、 水 有 效 渗 透 率 关 系 曲 线 ,揭 示 一 些 新 的 规 律 :气 、 水 相 对 渗 透 率 随 围 压 增 大 而 略有 增 加 ;气 、 水 有 效 渗 透 率 随 有 效 应 力 的 增 加 而 降 低 ,降 低 了 其 渗 透 性 能 ;有 效 应 力 存 在 某 一 分 界 点 ,当 小 于 该 值时 ,气 、 水 有 效 渗 透 率 随 有 效 应 力 的 增 加 而 迅 速 降 低 ,对 于 天 地 王 坡 煤 矿 3﹟ 煤 样 测 定 结 果 ,有 效 应 力 分 界 点 为 2. 7 右 ;有 效 应 力 存 在 某 一 临 界 值 ,当 大 于 该 临 界 值 时 ,气 、 水 有 效 渗 透 率 随 有 效 应 力 的 增 加 而 降 低 ,但 幅 度 不大 ,对 于 本 实 验 煤 样 ,有 效 应 力 临 界 值 为 8. 5 右 。 实 验 结 果 可 为 煤 层 气 的 合 理 抽 采 提 供 基 本 理 论 依 据 。关 键 词 : 煤 层 气 ; 气 - 水 两 相 流 ; 渗 透 率 ; 实 验 研 究中 图 分 类 号 :     文 献 标 识 码 : A         文 章 编 号 : 16722643X(2010) 0220029204on in L L I . L y , L 23000 , . S et y , 10500 , of of t t he h of in to t of of in t t he of of of as t he of t he of of is h is t he is t t of h t he of o. 3 , t he is . 7 On t he a is of h t of is t t he o. 3 , t he is . 5s t of in 煤 层 气 (又 称 甲 烷 ,主 要 成 份 为 甲 烷 ) 资 源丰 富 ,合 理 开 采 和 利 用 煤 层 气 资 源 具 有 重 大 的 现 实意 义 [ 1~ 5 ] 。 煤 层 气 的 存 在 对 于 煤 的 开 采 过 程 来 说 ,是 具 有 很 大 危 害 的 气 体 ,但 作 为 一 种 新 的 能 源 进 行合 理 开 采 使 用 ,又 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。 煤 层 气 主要 以 游 离 态 和 吸 附 于 煤 体 表 面 的 形 式 存 在 于 煤 体 基质 孔 隙 和 天 然 裂 隙 中 ,孔 隙 、 天 然 裂 隙 也 是 煤 层 气 渗流 的 主 要 通 道 。 煤 层 中 同 时 含 有 大 量 的 水 和 煤 层 气共 存 ,使 得 煤 层 气 - 水 两 相 渗 流 更 加 复 杂 。 目 前 ,国内 外 对 此 项 研 究 报 道 较 少 ,采 用 实 验 室 测 定 煤 层 气- 水 相 对 渗 透 率 更 是 处 于 探 索 阶 段 [6~ 9 ] 。 因 此 ,利用 稳 态 法 测 定 煤 层 气 - 水 两 相 流 有 效 渗 透 率 及 束 缚水 状 态 煤 岩 绝 对 渗 透 率 ,得 出 气 - 水 相 对 渗 透 率 关系 曲 线 ,为 准 确 预 测 和 合 理 开 采 煤 层 气 产 量 具 有 重要 的 理 论 意 义 和 应 用 价 值 。1   计 算 方 法1. 1   气 相 、 水 相 有 效 渗 透 率 计 算 2 102 (1)Kw e = w × 102 (2)式 中 : 气 流 量 , s ; 水 流 量 , s; μ 体 粘 度 , s; μ w 为 水 的 粘 度 , s ; L 为煤 样 长 度 , A 为 煤 样 截 面 积 , 别 为进 出 口 压 力 , 大 气 压 力 ,. 2   气 、 水 相 对 渗 透 率 及 饱 和 度 计 算 Kg S w s )(3) S w s )(4)S w = w× 100 % (5)S g = 100 - S w (6)式 中 : 气 相 相 对 渗 透 率 ; 气 相 有 效 渗 透率 , S 为 束 缚 水 状 态 气 相 有 效 渗 透 率 , 水 相 相 对 渗 透 率 ; Kw e 为 水 相 有 效 渗 透率 , 干 煤 样 质 量 , g ; 第 i 点 含 水 煤 样质 量 ; S w 煤 样 含 水 饱 和 度 ; S g 煤 样 含 气 饱 和 度 。2   气 - 水 两 相 流 渗 透 率 测 定 实 验实 验 煤 样 采 自 我 国 山 西 晋 城 天 地 王 坡 煤 矿 ,采出 煤 层 距 离 地 面 约 350 m。 实 验 煤 样 见 图 1。图 1   实 验 煤 样采 用 稳 态 法 测 定 气 - 水 相 对 渗 透 率 ,其 基 本 理论 依 据 是 一 维 达 西 渗 流 理 论 ,忽 略 毛 管 压 力 和 重 力作 用 ,假 设 两 相 流 体 不 互 溶 且 不 可 压 缩 。 试 验 时 总流 量 不 变 的 条 件 下 ,当 进 口 、 出 口 压 力 及 气 、 水 流 量稳 定 时 ,煤 样 含 水 饱 和 度 不 再 变 化 ,达 到 稳 定 状 态 ,气 和 水 的 有 效 渗 透 率 值 是 常 数 。 因 此 ,可 利 用 测 定煤 样 进 口 、 出 口 压 力 及 气 、 水 流 量 ,由 达 西 定 律 直 接计 算 出 煤 岩 的 气 、 水 有 效 渗 透 率 和 相 对 渗 透 率值 [10 ] 。 实 验 原 理 示 意 图 及 装 置 实 物 图 见 图 2、 图 3。3   实 验 结 果 分 析气 、 水 相 对 渗 透 率 测 定 基 础 数 据 及 实 验 结 果 数据 见 表 1、 表 2。表 1   实 验 基 本 参 数取 样 深 度 350 m 煤 样 号 3﹟层 理 关 系 平 行 ∥ 环 境 温 度 20 ℃煤 样 长 度 10. 1 入 气 体 甲 烷 含 量 ≥ 99. 995 %煤 样 面 积 26. 27 体 粘 度 0. 0109 1   气 - 水 相 对 渗 透 率 关 系绘 制 气 - 水 相 对 渗 透 率 及 有 效 应 力 与 渗 透 率 关系 曲 线 (见 图 4、 图 5、 图 6) ,由 曲 线 可 以 看 出 ,气 、 水相 对 渗 透 率 随 饱 和 度 的 增 加 呈 现 出 气 相 对 渗 透 率 降低 ,水 相 对 渗 透 率 升 高 趋 势 ,实 验 结 果 表 明 水 相 对 渗透 率 远 大 于 气 相 对 渗 透 率 ,一 方 面 是 由 于 气 、 水 有 效渗 透 率 的 计 算 方 法 不 同 ,公 式 中 的 平 方 项 使 得 两 相数 值 差 距 很 大 ;另 外 一 个 方 面 是 由 于 水 相 自 身 渗 透率 比 气 相 渗 透 率 大 ,在 实 验 过 程 中 ,煤 样 孔 隙 不 断 被水 饱 和 ,使 得 气 、 水 两 相 流 相 对 渗 透 率 相 差 较 大 。03                                   水 资 源 与 水 工 程 学 报                                   2010 年表 2   气 、 水 相 对 渗 透 率 测 定 实 验 结 果围 压 / 有 效 渗 透 率 / 10 - 4 相 对 渗 透 率 / 10 - 4 水 有 效 渗 透 率 / 相 对 渗 透 率 饱 和 度 / %5. 00. 0349536 0. 313354 0. 045815539 0. 410730458 31. 470. 0356493 0. 319592 0. 043948281 0. 393990727 29. 850. 0401511 0. 359949 0. 036787789 0. 329797832 26. 316. 00. 0232520 0. 301478 0. 051403761 0. 666486510 31. 470. 0253727 0. 328976 0. 040037145 0. 519110210 29. 850. 0305084 0. 395563 0. 033389209 0. 432914974 26. 317. 00. 0243438 0. 383000 0. 028197980 0. 410503591 26. 310. 0244167 0. 357006 0. 045539704 0. 685846291 29. 850. 0261944 0. 355941 0. 051699552 0. 755920751 31. 47随 着 围 压 的 增 加 ,气 、 水 相 对 渗 透 率 有 所 增 大 ,说 明 外 界 应 力 对 气 、 水 渗 透 率 有 一 定 的 影 响 ,尤 其 对煤 岩 绝 对 渗 透 率 影 响 更 大 。 围 压 的 增 加 ,使 得 煤 岩在 原 始 状 态 下 产 生 收 缩 变 形 ,孔 隙 、 裂 隙 体 积 减 小 ,同 时 降 低 了 其 储 存 和 渗 透 能 力 ,导 致 煤 岩 绝 对 渗 透率 的 大 幅 度 降 低 ,在 束 缚 水 状 态 下 ,测 定 煤 岩 的 绝 对渗 透 率 降 低 幅 度 大 于 气 、 水 的 有 效 渗 透 率 ,因 此 ,当围 压 增 加 时 ,气 、 水 相 对 渗 透 率 表 现 出 有 所 增 加 。3. 2   有 效 应 力 与 渗 透 率 关 系由 有 效 应 力 与 气 、 水 有 效 渗 透 率 变 化 关 系 曲 线(图 7、 图 8)可 知 ,随 着 有 效 应 力 的 增 加 ,气 、 水 有 效 渗透 率 迅 速 降 低 ,主 要 原 因 是 由 于 有 效 应 力 的 增 加 ,改变 了 煤 岩 孔 隙 结 构 ,使 得 孔 隙 体 积 收 缩 ,孔 隙 、 裂 隙 减小 导 致 煤 岩 渗 透 性 能 降 低 造 成 的 。 有 效 应 力 存 在 一分 界 点 ,当 有 效 应 力 小 于 该 值 时 ,气 、 水 有 效 渗 透 率 随有 效 应 力 的 增 加 而 迅 速 降 低 ;有 效 应 力 存 在 一 临 界值 ,当 有 效 应 力 大 于 该 临 界 值 时 ,气 、 水 有 效 渗 透 率 随有 效 应 力 的 增 加 降 低 幅 度 不 大 。 对 于 本 实 验 中 天 地王 坡 煤 矿 3﹟ 煤 样 测 定 结 果 ,有 效 应 力 分 界 点 为 2. 7 右 ,有 效 应 力 临 界 值 为 8. 5 右 。13第 2 期                         吕 祥 锋 ,等 :煤 层 气 - 水 两 相 流 渗 透 率 测 定 实 验 研 究4   结   语(1) 气 、 水 相 对 渗 透 率 随 围 压 增 大 而 略 有 增 加 ,说 明 围 压 的 大 小 对 气 、 水 有 效 渗 透 率 有 一 定 影 响 ,对煤 岩 绝 对 渗 透 率 影 响 更 大 。(2) 气 、 水 有 效 渗 透 率 随 有 效 应 力 的 增 加 而 降低 ,因 为 有 效 应 力 增 加 ,使 得 孔 隙 、 裂 隙 产 生 收 缩 变形 ,降 低 了 其 渗 透 性 能 。 在 煤 层 气 抽 放 过 程 中 ,可 采用 适 当 卸 压 的 方 式 来 增 加 煤 层 气 的 产 量 。(3) 有 效 应 力 存 在 一 分 界 点 ,当 有 效 应 力 小 于该 值 时 ,气 、 水 有 效 渗 透 率 随 有 效 应 力 的 增 加 而 迅 速降 低 ,对 于 天 地 王 坡 煤 矿 3﹟ 煤 样 测 定 结 果 ,有 效 应力 分 界 点 为 2. 7 右 。(4) 有 效 应 力 存 在 一 临 界 值 ,当 有 效 应 力 大 于该 临 界 值 时 ,气 、 水 有 效 渗 透 率 随 有 效 应 力 的 增 加 降低 幅 度 不 大 ,对 于 本 实 验 天 地 王 坡 煤 矿 3﹟ 煤 样 ,有效 应 力 临 界 值 为 8. 5 右 。(5) 对 晋 城 天 地 王 坡 煤 矿 煤 层 气 - 水 两 相 渗 透率 测 定 实 验 的 研 究 ,得 到 了 气 - 水 相 对 渗 透 率 曲 线及 有 效 应 力 与 气 、 水 渗 透 率 变 化 关 系 ,对 进 一 步 深 入研 究 有 一 定 参 考 价 值 ,需 要 对 多 煤 矿 煤 样 进 行 更 多实 验 研 究 分 析 ,才 能 得 出 更 具 普 遍 一 致 性 的 规 律 。参 考 文 献 :[1 ] 周 世 宁 ,林 伯 泉 . 煤 层 瓦 斯 赋 存 与 流 动 理 论 [ M ]. 北 京 :煤 炭 工 业 出 版 社 ,1999.[2 ] 梁 冰 ,章 梦 涛 ,潘 一 山 ,等 . 瓦 斯 对 煤 的 力 学 性 质 及 力 学响 应 影 响 的 试 验 研 究 [J ]. 岩 土 工 程 学 报 ,1995 ,17 (5) :12 - 14.[3 ] 赵 阳 升 ,胡 耀 青 . 孔 隙 瓦 斯 作 用 下 煤 体 有 效 应 力 规 律 的试 验 研 究 [J ]. 岩 土 工 程 学 报 ,1995 ,17 (3) :26 - 31.[4 ] 贺 玉 龙 ,杨 立 中 升 降 过 程 中 岩 体 渗 透 率 变 化 特 性 的试 验 研 究 [J ]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ,2004 ,23 (3) :415 5 ] 常 宗 旭 ,赵 阳 升 ,胡 耀 青 ,等 . 三 维 应 力 作 用 下 单 一 裂 缝渗 流 规 律 的 理 论 与 试 验 研 究 [J ]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ,2004 ,23 (4) :620 - 624.[6 ] 刘 建 军 ,刘 先 贵 ,胡 雅 衽 . 低 渗 透 岩 石 非 线 性 渗 流 规 律 研究 [J ]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ,2003 ,22 (4) :556 - 561.[7 ] , . on J ]. 1998 ,6 (3) :11 8 ] , A. as ]. 1991 ,69 (5) :551 - 556.[9 ] , . C]/ / . 993 f 1993 ,285 - 294.[10 ] 章 梦 涛 ,潘 一 山 ,梁 冰 ,等 流 体 力 学 [ M ] :科学 出 版 社 ,1995.(上 接 第 28 页 )微 小 涡 漩 的 形 成 ,与 大 尺 度 涡 漩 相 比 ,小 尺 度 涡 漩 半径 越 小 ,旋 转 半 径 也 小 ,而 离 心 作 用 越 强 ,运 动 加 快 ,速 度 梯 度 大 ,这 样 的 边 界 条 件 使 得 水 力 状 况大 为 改 善 。4   结   语(1) 对 混 凝 沉 淀 过 程 最 佳 水 力 条 件 下 的 进 行 了 计 算 ,得 出 的 较 合 理 ,与 有关 资 料 以 及 生 产 经 验 的 比 较 吻 合 。(2) 对 传 统 型 往 复 隔 板 絮 凝 池 进 行 了 改 造 ,从廊 道 第 二 格 开 始 将 拐 弯 及 隔 板 断 面 设 计 成 圆 弧 形 ,提 高 了 颗 粒 碰 撞 的 速 度 梯 度 即 在 絮 凝 池 始 端增 加 颗 粒 快 速 有 效 地 碰 撞 ,更 容 易 控 制 速 度 梯 度 不 致 于 使 絮 体 破 碎 。(3) 将 粒 子 图 像 测 速 技 术 用 于 水 处 理 构 筑 流 场的 测 试 中 ,建 立 了 研 究 不 同 边 壁 形 状 往 复 隔 板 絮 凝池 水 流 结 构 的 测 试 系 统 ,使 用 粒 子 图 像 测 速 系 统 软件 ,对 不 同 水 流 涡 漩 运 动 进 行 了 分 析 。(4) 改 进 后 的 絮 凝 池 廊 道 拐 弯 处 水 流 结 构 比 较复 杂 ,由 于 摩 擦 阻 力 降 低 了 ,所 形 成 的 涡 漩 更 能 充 分利 用 能 量 ,传 递 给 更 小 的 涡 漩 ,增 加 微 涡 漩 。 水 流 流经 圆 弧 端 隔 板 及 廊 道 拐 角 时 ,能 量 损 失 明 显 减 少 ,速度 梯 度 值 变 化 合 理 ,呈 逐 渐 递 减 趋 势 ,比 传 统 往 复隔 板 絮 凝 池 的 混 凝 沉 淀 效 果 要 好 。参 考 文 献 :[1 ] 武 吉 道 ,谭 凤 训 ,王 新 文 ,等 . 高 浊 度 水 管 式 混 凝 动 力 学机 理 及 设 计 研 究 [J ]. 给 水 排 水 ,2000 ,26 (6) :4 - 6.[2 ] 王 绍 文 观 传 质 在 水 处 理 反 应 工 艺 中 的 作 用 [J ]. 中国 给 水 排 水 ,2000 ,16 (1) :30 - 32.[3 ] 武 道 吉 ,谭 凤 训 ,修 春 海 ,等 . 混 合 动 力 学 机 理 及 控 制 指标 研 究 [J ]. 中 国 给 水 排 水 ,2000 ,16 (1) :54 - 56.[4 ] 詹 咏 ,徐 国 勋 ,吴 文 权 ,等 . 最 佳 混 凝 条 件 下 混 凝 剂 投 量数 学 模 型 [J ]. 中 国 给 水 排 水 ,2004 ,20 (1) :55 - 57.[5 ] 詹 咏 ,王 惠 民 . 往 复 隔 板 絮 凝 池 边 壁 形 状 对 絮 凝 反 应 的影 响 研 究 [J ]. 给 水 排 水 ,2001 ,27 (1) :5 -                                 水 资 源 与 水 工 程 学 报                                   2010 年
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