文摘

在煤层气回收,水通常是随着气体流出。为了解决不同气水比的影响,裂缝相交的角度,和气体解吸在天然气和水沿裂缝分布,从而了解裂缝网络的两相流的行为,一个实验研究与相交骨折三种人工模型。结果表明,(1)用天然气和水注入速度不同,水和气体的流动分为三个阶段。在第一阶段,气体流动小泡沫。天然气的运输是稳定的,类似于单相层流。注气位置的差异导致了完全相反的结果水流和天然气。(2)第二阶段,大气泡形成和水和气体之间的交互变得严重。气水分布是由不同的水和气体之间的惯量。注气的不同位置不需要太多影响气水分布。(3)第三阶段,惯性的影响差异仍然是重要的,但是其他一些因素也影响了气水分布。 The difference in gas injection positions led to different distribution results. (4) The water injection rate has impact on the distribution of the water flow rate in each outlet. In the second stage, when water was injected at small rates, the difference between the cases in which gas was injected from different positions can be neglected. When water injection rates became larger, this difference became obvious. (5) The intersecting angle of the fractures influences the distribution of water and gas. The larger the intersecting angle is, the larger the inertial effect will be. Consequently, the intersecting angle influences the length of the second stage, which is dominated by the inertial effect.

1。介绍

气水两相流存在在许多工程应用中,包括煤层气复苏,有限公司₂封存,地热能源开发和污染物运输在地质岩层1- - - - - -5]。通常,煤层与水丰富,煤层气的复苏经历了两相流过程在开发的初始阶段。在煤层气排水的第一阶段,从煤层水排水,这是一个单相流动的过程。seam的压力损耗,气体在吸收阶段开始使解除吸附从煤炭矩阵。由于小数量,在第二阶段,气相是不连续和泡沫流组成。在上述过程中,有一个从单相流过渡到两相流在裂缝网络和气体解吸率随时间。因此,与不同的气-水两相流比率将会形成。这就是为什么流动行为与不同气水比需要清楚。顺便说下,裂缝网络的参数,如裂缝相交的角度也对流动行为产生影响。作为基础,研究骨折十字路口需要寻求理解的影响等参数上的交叉角流动行为。 In applications of coal-bed methane recovery, by investigating the statistical parameters in the coal seam fracture network and based on the field data such as the water or gas percentage and the pressure depletion curve, the flowing state can be estimated and the optimal exploitation scheme can be determined.

现有的两相流的研究可以分为两大类,即位移机制(6),同时流骨折或多孔介质的两个阶段7,8]。传统的季相两相流理论源自多孔介质根据相对渗透率的概念。常用的模型相对渗透率的多孔介质中两相流包括x模型(9],viscous-coupling模型[10],和Brooks-Corey模型[11]。x模型被用来模拟水库行为对其优先级在简单12,13),但是它的应用程序是有限的,因为它忽略了不同阶段之间的相互作用。在viscous-coupling模型中,由于粘度不同阶段之间的交互的区别是包括(14]。科里模型是最常用的模型在多孔介质15),毛细管压力起着主导作用。

尽管不同的岩石孔隙和岩石裂隙之间存在差异,如几何和连接,人们已经发现,通过单个断裂两相流体的流动行为可以被描述为模型提出了多孔介质。在气水流动实验顺利通过Diomampo骨折,结果随后科里模型(16),这表明在某些情况下,两相流行为骨折是一种多孔介质的极限情况。罗姆kerosene-water两相流测试并行进行人工骨折,这证实x模型。Fourar和伯调查了空气流并行人工骨折,和相对渗透率符合viscous-coupling模型(17]。渡边等人进行了一系列的实验和decane-water nitrogen-water在现实骨折不同润湿性的价值观中,在一个新的v形相对渗透率是表示(18]。传统模型相对渗透率主要表示为函数的饱和度,这忽视了断口粗糙度的贡献。陈在这个缺乏考虑,建立了流动结构和相对渗透率之间的相关性在单一骨折通过可视化实验19),流动结构断裂粗糙度和毛细管压力的迹象。此外,气水比是一个重要和基本参数。不同气水比将导致不同的结构如泡状流、弹状流、或分层流和相应导致不同粘度的影响和毛细管压力。因此,将会有不同的压降特征(20.,21]。然而,两阶段模型和实验结果的多样性在骨折表明一个更广义模型来描述多相行为仍然缺席。基本问题,如粘性力的贡献是否或毛细管压力主导流在不同类型的骨折,仍然需要调查。

此外,大多数研究两相流在单一骨折骨折进行了实现他们的电导率,而联合骨折或骨折的两相流的行为网络仍然需要进一步调查。气水两相流的分布特征,许多研究已经在丁字路口(进行22- - - - - -25),水和天然气的分布是影响惯性效应和重力的影响(26,27]。据报道,气体和水分离由于惯性效应的差异26,28- - - - - -30.]。小泡沫或固体颗粒更可能是由流体流动,而大型泡沫或固体颗粒可能会偏离流体的流线,和小气泡或蛞蝓泡沫显示不同的惯性效应(31日- - - - - -34]。在流道结(十字路口),不同气水比将导致不同的分离结果(29日)由于惯性效应的影响是不同的。因此,气水比在两相流过程中发挥作用的行为,需要调查。惯性分离器开发基于该机制,在骨折,这是表明,惯性效应不容忽视,在许多条件(21,35,36),所以这种影响仍然需要进一步的研究,特别是定量调查预计。此外,单一骨折和骨折路口的流动特性提供依据深深理解裂缝网络中的流体流动行为。的骨折可以在不同角度相交。相交的角是一个关键参数,影响流体的流动特性,因为在十字路口重新分配。李等人研究了影响交叉角的非线性流在骨折路口。他们报告说,较大的交叉角导致的强非线性流机制(37]。在两相流相分离是受两个网点之间的交叉角由于不同惯量的阶段29日]。因此,应该研究交叉角的影响。

在目前的研究中,进行了一系列的两相流测试在人工光滑相交骨折与发达的实验系统。不同气水比的影响,裂缝相交的角度,和注气的气体和水分布进行了分析。这个实验模拟水流速度的演变对煤层瓦斯解吸率不同,期望通过评估水流速的气体解吸状态也可以预测。这个实验为进一步的研究提供了一个基础了解天然气的分布和水两相流的裂缝网络。

2。实验

2.1。实验装置

为了研究两相流体流动行为通过交叉骨折,一个实验系统的开发。它由三个主要单位:液体供应装置,骨折模型,测量单元的数据。实验系统的详细示意图如图1。气体(氮气)提供从气瓶的初始气体压力是15 MPa。以来的质量流量控制器连接到汽缸不能承受超过1 MPa的压力,压力下降到0.1 - -0.3 MPa的压力调节器。质量流量控制器、气体注入测试模型与一个恒定的流速范围0 - 2000毫升/分钟。注气速率可以视觉质量流量控制器的屏幕上显示的数字。水注入恒定流量的蠕动泵。在这个实验中,水被注射500毫升/分钟,700毫升/分钟,900毫升/分钟和1100毫升/分钟。气体和水被注入到进气槽骨折模型的同时,流出两个出口坦克,命名为出口1和出口2,分别。两个出口,气体被释放到大气中,而水收集在一个瓶子里,由精密电子天平称重。水质量在每个瓶子的数据实时传输到计算机。 Consequently, the water flow rate was obtained.

三个测试模型生产钢化玻璃和树脂板。在每个模型中,两个骨折相交于一个特定的角度(30°、60°、90°)。图2显示了测试模型的骨折相交于60°。每个测试模型由三层组成。两个钢化玻璃作为上下两层,分别为目的的视觉观察。树脂板的厚度1毫米被设置为中间层。树脂板有三个独立的部分,形成一个人工裂缝与1毫米的厚度。骨折的孔径是15毫米。与自然骨折的孔径相比,在实验中采用孔径更大,因为我们想要在视觉上观察两相流现象的孔隙空间内骨折。如果骨折孔径在自然,也就是说,0.01 ~ 1毫米,很难以捕捉的图像流体流动和泡沫分布使用当前的可视化技术。然而,我们接受,来模拟真实的两相流断裂交叉路口,骨折,应该使用真比例尺光圈。因此,未来在接下来的工作中,我们将探讨骨折孔径大小对两相流动行为的影响。

这里我们定义原则骨折,分支断裂1,和分支断裂2,显示在图2。在每个模型中,两个分支断裂1和分支断裂2有一个120毫米的长度达到相同的导电率在两个分支骨折。原则断裂的长度为250毫米。这些测试模型的唯一区别是相交的角,而所有其他的尺寸都是相同的。油脂涂在树脂来阻止水和气体流入骨折以外的地区。在测试模型的边界,硅酮密封剂用于修复眼镜和板和密封。在进水口附近,有两个针的内径0.8毫米作为气体入口,如图2。这是用来估计的影响注气水和天然气的分布位置。原则的两个边界断裂边境边境指定为1和2,分别。

2.2。的测试程序

如果测试模型并不是水平放置在测试,不同海拔高度的两个网点,液体的流速可以严重影响。因此,流测试前,测试模型横向铺设,用水准仪和水平状态检查。在每一个测试模型,分支断裂1和分支断裂2骨折具有相同的厚度和宽度。因此,理论上他们应该有相同的渗透率值时,惯性效应不强流体传输时速度小。进一步的测试水平状态,水被注入到样品在非常小的流量。结果表明,水的流速从2网点在大约相同的30毫米/分钟的流量,表明这个标本是平的。然后水被注入到标本以恒定流量500,700,900,和1100毫升/分钟,氮被注射一个恒定的流速范围0 - 2000毫升/分钟。气体流速的0 - 2000毫升/分钟在这项研究中对应于一个表面0 - 2 m / s的速度,和水500 - 1100毫升/分钟的流量对应于一个表面速度的0.55 - -1.2 m / s。气体流速和流速在同一个数量级的文献报道。例如,研究两相流压降特征在骨折,气体空塔速度0 - 5 m / s和水表面速度0 - 0.41 m / s采用Fourar和伯17]。在每个测试回合,两流体的不同阶段保持1 - 2分钟达到稳定流动状态之前,在每个出口流速的测量。

2.3。结果与讨论

根据测试结果,水的分布在两个出口严重影响气体注入时在不同的利率。另一方面,注水速率也影响天然气的分布在两个出口。在这项研究中,水流的进化率在两个出口定量测量和分析的气流结构定性测量与可视化照片。60°模型首先选定为例分析注气速率的影响。

(1)注气速率的影响。图3显示的情况下,水被注入在1100毫升/分钟和气体注入从进气口1。注气率逐步提高。流动特性的演变可分为三个阶段。

在第一阶段,当气体注入速度小,如图3(一个)。在这个阶段,气泡运输处于稳定状态,和气泡的形态是常规。这表明,湍流并不严重,类似于单相层流。由于气体从进气口注射1这是接近边界的气泡流沿边境1原则骨折,因此几乎所有的天然气运输分支断裂1。因此,更多的天然气驱动分支断裂2。对应于气体的运输这个阶段,水的传输特性可以被显示在图8。如图8(一个)从入口气体注射1,当水被注入在500毫升/分钟( ),出口1中的水流速降低当注气速度从0增加到100毫升/分钟。这是因为所有的气泡运送到分支断裂1和更多的水被驱动到分支断裂2。这就是为什么出口2中的水流速增加显示在图8 (b),而出口1中的水流速降低,显示在图8(一个)。当气体从进气口2,注入气体完全流入出口2,如图4(一);水流速出口1中增加了对注气速率的增加,如图8(一个)。这是完全相反的情况下气体从进气口注射1。

总结、天然气运输稳定小泡沫在这个阶段。动荡并不严重,类似于层流。注气位置的差异会导致完全相反的条件的水和气体流动:从不同位置气体注入时,气泡进入不同的分支机构(数字3(一个)和4(一)),出口水流率1(图7(一))也会相反的发展趋势,以及在出口2(图7(一))。

在第二阶段,因为气体注入啤酒的速度,更大的泡沫形成,如图3 (b)和4 (b)。通过比较数据3 (b)和4 (b),它可以表示,无论气体从进气口1或注射进气口2,几乎所有气泡运送到分支出口2,这是完全不同于第一阶段。对比图5(一个)和图6(一)或图5 (b)和图6 (b)显示相同的现象。相应地,如图8(一个),当水流率为500毫升/分钟,注气速率时增加300 - 900毫升/分钟,水流速度的演变(从进气口1)气体注入与水流速度的演变(从进气口与气体注射2)。在图8 (b),同样的现象。在这个阶段形成更大的泡沫,气泡的形态不再是常规。由于剧烈动荡成为重要的水和气体之间的相互作用,因此气泡不再保持边境附近。水和天然气的分布是由不同惯量的水和气体。两个数字3 (b)和4 (b)表明,几乎所有的天然气运输分支断裂2。在这样的条件下,为什么大多数气泡进入分支出口2是水的密度大约是800倍的气体,因此是有区别的惯性效应。在这样的条件下,水,液体与一个更大的惯性效应,将更容易运输到分支插座1,这是连接到原则骨折没有转移的角度,使天然气分公司出口2。

总而言之,在这个阶段,水和气体的运输非常动荡的严重水和气体之间的相互作用。水和天然气的分布是由水和气体之间的不同的惯量,和注气位置不需要太多影响水和天然气的分布时,流量很小。

在第三阶段,由于注气速度进一步提高,蛞蝓泡沫形成,如图3 (c),3 (d),4 (c),4 (d)。注气速率大,水和气体的流动更为动荡,还有很多因素影响水和天然气的分布。天然气的分布为两个渠道变得更多,但它仍然是更多的天然气运往分支断裂2,表明不同惯量分布的影响仍然是重要的。数据5 (c)和6 (c)显示相同的现象。通过比较数据3 (b),3 (c),3 (d),它可以注意到流结构演变从泡状流、弹状流、和天然气运输到分支断裂1的比例也增加,这意味着行为还受到流分布结构。水流率的演变两个出口进入稳定状态,当注气速率从1000增加到2000毫升/分钟,如图8(一个)和8 (b)。不同于在第二阶段,之间的差异情况下,气体从不同位置注入变得明显。这意味着,在这个阶段,虽然不同惯量的影响仍然是重要的,其他一些因素也有影响,导致这种差异如果气体注入不同注气入口。

30°模型和90°模型的结果也显示相同的演化过程,如图7和9。

(2)注水率和断裂交叉角的影响。选择90°模型为例分析注水速度的影响。图9(一个)出口1中显示水流速度的进化当水被注射在进水口不同注入率,和图9 (b)显示,在出口2。如上所述,天然气和水在每个插座的演变可分为三个阶段。它可以显示在数字9(一个)和9 (b)的,无论水注入率(500毫升/分钟、700毫升/分钟、900毫升/分钟,和1100毫升/分钟),出口1中的水流速的进化或出口2总是这三个阶段。但在不同的注水值,可以发现一些差异。在第二阶段,如图9(一个),当水被注入在500毫升/分钟的区别来自不同位置的情况下气体注入时可以忽略。当水被注射700毫升/分钟时,这种差异变得更大了,但仍不显著。当水注射900毫升和1100毫升,这种差异变得明显。这是因为,在第二阶段,当水被注入速度小,如500毫升/分钟,水和天然气的分布是由水和气体之间的不同的惯量,如前所述。当注水率高,流动变得更加动荡和一些其他因素的影响从而导致这样的差别。在第三阶段,尽管水被注入速度不同,区别不同情况下,气体从不同位置注入是相似的。

通过比较数据7- - - - - -9可以注意到,交叉角的增加,有一些不同水流速的进化。如上所述,水流的进化率这两个渠道可以分为三个阶段。所显示的图7为30°模型,在的情况下= 500毫升/分钟 毫升/分钟,当注气速度通过了900毫升/分钟,水流从第二阶段转移到第三阶段。为 毫升/分钟和 毫升/分钟,这个转移点是1000毫升/分钟。对于60°模型,在的情况下 毫升/分钟和 毫升/分钟,这个转移点是1000毫升/分钟。为 毫升/分钟和 毫升/分钟,这个转移点是1100毫升/分钟。90°模型,在的情况下 毫升/分钟和 毫升/分钟, 毫升/分钟 毫升/分钟,这个转移点是1200毫升/分钟。这表明,骨折的交叉角的增加,气体的转移点注入率,这表明转移从第二阶段到第三阶段,会增加。这是因为第二阶段是由水和气体的惯性效应。与一个更大的交叉角的两个骨折,阶段之间的惯性效应的差异将发挥更重要的作用。因此,第二阶段将模型扩展更大的裂缝相交的角因为第二阶段是惯性效应占主导地位。

实际上,提到的因素会影响水和天然气的分布为两个网点,包括注气速度、注水,注气位置,和裂缝相交的角,是互相耦合的,也就是说,任何一个因素的变化将有助于改变大小的其他因素的影响。需要解决,本研究是一个初步研究,通过两个相交的两个流动阶段的分布骨折使用新开发的两相流的可视化检测系统。在目前的研究中,流动的原因有三个阶段,不同的物理效果轮流的主导因素,因此在未来的研究中,我们将集中在不同的物理因素的定量分析包括惯性效应、粘性效应,毛细管压力等等寻求更准确的定量描述方法等描述流动的现象。

3所示。结论

开发了可视化实验系统,通过不同的交叉骨折两相流在不同水和注气率调查。结果可以总结如下。

用气体和水注入速度不同,水和气体的流动可分为三个阶段。在第一阶段,天然气流动小泡沫,气体和水稳定的传输。动荡并不严重,类似于单相层流。注气位置的差异会导致完全相反的条件的水和气体流动:气体注入从不同位置时,气泡进入不同的分支机构,出口1或2中的水流速也会进化相反的趋势。

在第二阶段,因为更大的泡沫形成时,由于剧烈动荡成为重要的水和气体之间的相互作用。区别水和气体之间的惯性效应主导着水和天然气的分布。在这样的条件下,大部分气泡运送到分支出口2,把更多的水到分支插座1。在这个阶段,注气位置的差异并没有影响水和气体分布。

在第三阶段,湍流变得更为重要,水和气体之间的交互更严重。尽管不同惯量的影响仍然是重要的,其他一些因素也成为采取更多的效果。注气位置的不同会导致不同的演化曲线的水在每个出口流速。

注水速率也影响水流速的分布在每一个出口,尤其是在第二阶段。在第二阶段(注气速率之间的200和1000毫升/分钟),当水被注入在小流量(500毫升/分钟和700 mL / min),之间的差异情况下,气体从不同位置注入可以被忽视。当水被注入在较大流量(900毫升/分钟和1100 mL / min),这种差异变得明显。这表明转换从一个惯性效应主导过程multieffect过程的影响。骨折的交叉角也会影响水和天然气的分布。交叉角度越大,惯性效应越大。因此,交叉角影响第二阶段的范围,这是由惯性效应。

因素影响水和天然气的分布为两个网点,包括注气速度、注水,注气位置,和裂缝相交的角,是相互耦合的,也就是说,任何一个因素的变化将有助于其他因素的影响大小的变化,因此在未来的研究更准确的定量描述方法等流动现象是应该发展。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究部分由JSPS-NSFC双边联合研究项目,日本(批准号。17 h03506, 51611140122),中国国家自然科学基金委、中国(批准号51709260),江苏省自然科学基金、中国(没有。BK20170276),和中国奖学金委员会(CSC)。这些支持是感激地承认。